"Химия", Жилин Д.М., (изд. "БИНОМ. Лаборатория знаний")
Валентность показывает, сколько химических связей может образовать атом, и помогает составлять формулы соединений. Для элементов главных подгрупп Периодическая система подсказывает число электронов на внешнем уровне, а номер группы обычно указывает на высшую валентность. Однако элемент может проявлять разные валентности, а для кислорода и фтора есть исключения. Чтобы записать формулу, нужно согласовать валентности обоих элементов.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Валентность — это способность атома образовывать определённое число химических связей с другими атомами. Её обозначают римскими цифрами: I, II, III и так далее. Например, если атом образует три связи, говорят, что его валентность равна III. Это понятие помогает понять, сколько атомов каждого элемента нужно записать в формуле вещества.
Постоянная валентность означает, что в рассматриваемых соединениях атомы элемента имеют одно и то же значение валентности. Например, водород в обычных соединениях проявляет валентность I. Знание постоянной валентности помогает быстрее составлять формулы: не нужно каждый раз заново определять число связей такого атома.
Переменная валентность — способность атомов одного элемента проявлять разные значения валентности в разных соединениях. Например, сера может иметь валентности II, IV и VI. Поэтому одного названия элемента недостаточно, чтобы указать его валентность: нужно учитывать, о каком именно соединении идёт речь.
Высшая валентность — наибольшее значение валентности, которое элемент проявляет в соединениях. Для элементов главных подгрупп её обычно связывают с номером группы в Периодической системе. Это позволяет оценить возможное наибольшее число связей, но не означает, что элемент имеет такую валентность в каждом веществе.
Периодическая система отражает строение атомов, поэтому положение элемента в ней даёт сведения о внешнем электронном уровне. У элементов главных подгрупп номер группы обычно совпадает с числом электронов на внешнем уровне. Например, у элемента главной подгруппы VI группы обычно шесть таких электронов. По этой причине группа помогает рассуждать о возможном числе связей атома.
Для большинства элементов главных подгрупп высшая валентность обычно совпадает с номером группы: у элемента VII группы она может быть VII, у элемента IV группы — IV. Это связь между строением внешнего уровня и способностью атома образовывать связи. Однако правило указывает именно на высшую валентность, а не на обязательное значение в любом соединении. Чтобы определить валентность в конкретном веществе, учитывают его состав.
Некоторые неметаллы образуют с водородом соединения, в которых валентность ниже высшей. Её для ряда таких элементов можно найти по правилу «8 минус номер группы»: например, для элемента V группы получается 8 − 5 = III. Это связано с тем, что число внешних электронов и число электронов, которых не хватает до восьми, помогают описать возможное участие атома в связях. Правило относится к низшей валентности ряда неметаллов именно в соединениях с водородом.
У правила о высшей валентности есть исключения: кислород и фтор не проявляют высшую валентность, равную номеру своей группы. В обычных соединениях кислород имеет валентность II, а фтор — I. Кроме того, номер группы сам по себе не сообщает валентность элемента в каждом соединении, особенно если валентность элемента переменная. Поэтому положение в таблице используют как подсказку, а затем проверяют конкретную формулу и вид соединения.
Если известна валентность одного элемента, её можно совместить со значением для второго и подобрать индексы бинарного соединения — вещества из двух химических элементов. Валентности учитывают так, чтобы общее число связей каждого вида оказалось согласованным: валентность умножают на число атомов элемента. Полученные индексы записывают в наименьшем целом отношении. Так знание Периодической системы превращается в практический способ составления формул.
| Положение или элемент | Примеры | Высшая валентность | Валентность в соединениях с водородом | Примечание |
|---|---|---|---|---|
| I группа главной подгруппы | H, Li, Na | I | — | У водорода валентность I |
| II группа главной подгруппы | Mg, Ca | II | — | Металлы; правило 8 − номер группы к ним не относят |
| III группа главной подгруппы | B, Al | III | — | У алюминия валентность обычно III |
| IV группа главной подгруппы | C, Si | IV | IV | Низшая валентность по правилу для неметаллов: 8 − 4 = IV |
| V группа главной подгруппы | N, P | V | III | Для неметаллов: 8 − 5 = III |
| VI группа главной подгруппы | S | VI | II | Для неметаллов: 8 − 6 = II |
| VII группа главной подгруппы | Cl | VII | I | Для неметаллов: 8 − 7 = I |
| Кислород и фтор | O, F | Не равна номеру группы | O — II; F — I | В обычных соединениях O имеет II, F — I |
Сначала найдите в таблице группу элемента, а затем посмотрите, идёт ли речь о высшей валентности или о соединении с водородом. Строки с неметаллами показывают, где применимо правило 8 − номер группы; переносить его на металлы нельзя. Для кислорода и фтора учитывайте отдельно указанное исключение.
Найдём серу в Периодической системе и установим, что она находится в главной подгруппе VI группы. Это важно, потому что правило о связи номера группы с высшей валентностью относится к элементам главных подгрупп. Одного номера периода для этого определения недостаточно.
Для большинства элементов главных подгрупп высшая валентность обычно совпадает с номером группы. Значит, для серы возможная высшая валентность равна VI. Здесь мы определяем именно наибольшее значение, а не валентность серы во всех её соединениях.
Ответ: высшая валентность серы — VI. В конкретном соединении сера может иметь и другое значение валентности.
В формуле NH₃ один атом азота и три атома водорода. Валентность водорода равна I, поэтому каждый атом водорода образует одну связь. Три атома водорода вместе соответствуют трём связям.
В бинарном соединении число связей, приходящихся на один вид атомов, согласуется с числом связей другого вида. Поэтому один атом азота связан с тремя атомами водорода и проявляет валентность III. Проверка по составу формулы подтверждает результат.
Ответ: валентность азота в NH₃ равна III.
Алюминий находится в главной подгруппе III группы, поэтому его валентность принимаем равной III. Кислород в обычных соединениях имеет валентность II. Записываем символы элементов и отмечаем эти значения: Al(III), O(II).
Подбираем индексы так, чтобы произведения валентности на число атомов были равны. Два атома алюминия дают 2 × III = VI, а три атома кислорода — 3 × II = VI. Значит, соотношение атомов Al и O равно 2:3.
Записываем индексы после символов элементов, не указывая единицу. Проверяем, что индексы 2 и 3 уже нельзя сократить на общий делитель. Поэтому формула имеет вид Al₂O₃.
Ответ: Al₂O₃.
Ошибка — считать номер группы валентностью элемента в любом соединении. Так думают, потому что номер группы действительно часто совпадает с высшей валентностью элементов главных подгрупп. Но переменная валентность может быть ниже, поэтому проверяйте, какую характеристику спрашивают: высшую или значение в конкретном веществе.
Правило «8 минус номер группы» нельзя применять к металлам или к любому соединению неметалла. Оно помогает найти низшую валентность ряда неметаллов в соединениях с водородом, а не заменяет все остальные правила. Для самопроверки уточните тип элемента и состав соединения до вычисления.
Валентность не следует путать с зарядом иона или степенью окисления. Эти характеристики могут быть связаны, но описывают не одно и то же: валентность показывает число связей атома. Проверяйте, о какой именно величине говорится в условии, и не переносите знак или число заряда на обозначение валентности.
Кислороду и фтору нельзя приписывать высшую валентность просто по номеру группы. Ошибку провоцирует общее правило для главных подгрупп, но у этих элементов есть исключения. Проверьте, не относится ли элемент к исключениям: в обычных соединениях кислород имеет валентность II, фтор — I.
Для этой темы нужно знать, как устроена Периодическая система, где находятся главные подгруппы и как номер группы связан с числом электронов внешнего уровня. При составлении формул пригодятся известные валентности водорода и кислорода. Валентность позволяет подбирать индексы в формулах бинарных соединений, а умение читать такие формулы понадобится при дальнейшем изучении химических связей и свойств веществ.
Как по Периодической системе определить высшую валентность элемента?
Найдите элемент в главной подгруппе и определите номер его группы. Для большинства таких элементов высшая валентность обычно равна номеру группы. Это правило не всегда применимо, например, к кислороду и фтору.
Почему валентность элемента может быть разной в разных соединениях?
Атомы одного элемента могут образовывать разное число связей в разных веществах. Поэтому у ряда элементов валентность переменная: например, сера проявляет разные валентности в разных соединениях.
Как найти низшую валентность неметалла по номеру группы?
Для ряда неметаллов низшую валентность в соединении с водородом находят как 8 минус номер группы. Например, для азота из V группы получается 8 − 5 = III. Это правило не применяют ко всем элементам и любым соединениям.
Почему для кислорода и фтора правило определения высшей валентности не работает?
У кислорода и фтора высшая валентность не совпадает с номером их группы. В обычных соединениях кислород проявляет валентность II, а фтор — I, поэтому для них учитывают специальные значения.
Как использовать валентность, чтобы составить формулу вещества?
Запишите символы элементов и их валентности, затем подберите индексы так, чтобы произведения валентности на число атомов были равны. Полученное отношение индексов сократите до наименьших целых чисел. Например, для Al(III) и O(II) формула — Al₂O₃.
§ 21. Определение валентности по Периодической системе элементов
