"Химия", Журин А.А.
Валентность показывает, сколько химических связей образует атом с другими атомами. В простых молекулярных веществах её удобно определять по структурной формуле: каждая черта обозначает одну связь, а двойная и тройная черты учитываются соответственно как две и три. Так можно выяснить валентности атомов в H₂O, NH₃ и CO₂, не путая их с индексами в химической формуле. Валентность одного элемента в разных веществах может различаться.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Валентность — способность атома образовывать определённое число химических связей с другими атомами. Её определяют по числу связей, приходящихся на атом, а не по общему числу атомов в молекуле. Это понятие помогает описывать, как соединены атомы в веществе.
Ковалентная связь — связь между атомами, возникающая благодаря общим электронным парам. Атомы совместно используют такую пару, поэтому она связывает именно два атома. В простых молекулах валентность связывают с числом ковалентных связей, образованных атомом.
Структурная формула — запись состава молекулы, в которой связи между атомами показывают чертами. Одна черта соответствует одной связи. Чтобы определить валентность, находят нужный атом и подсчитывают все соединяющие его с соседями черты, учитывая кратные связи.
Кратная связь — связь, в образовании которой участвуют две или три общие электронные пары. Две пары между атомами называют двойной связью, три — тройной. При подсчёте валентности двойную связь принимают за две, а тройную — за три связи.
Когда два атома образуют ковалентную связь, они используют общую электронную пару. Эта пара относится сразу к обоим атомам и удерживает их рядом, поэтому черта между символами показывает связь именно между этой парой атомов. Одной черты достаточно для одной общей пары и, следовательно, одной связи в структурной формуле.
Чтобы найти валентность атома по структурной формуле, нужно рассматривать его связи с соседями, а не всю молекулу сразу. Каждая черта, выходящая от символа атома, добавляет единицу к подсчёту. Поэтому у атома, соединённого с тремя другими атомами тремя одинарными связями, валентность III.
Иногда атомы соединены не одной, а несколькими общими электронными парами. В таком случае между ними рисуют две или три черты: это двойная или тройная связь. Каждая черта означает отдельную общую пару, поэтому при подсчёте валентности двойная связь даёт две единицы, а тройная — три.
В молекуле H₂ атомы водорода соединены одной чертой, значит, каждый образует одну связь и имеет валентность I. В H₂O формулу можно записать как H–O–H: кислород соединён с двумя атомами водорода, а каждый водород — только с кислородом. Поэтому валентность O равна II, а каждого H — I.
В NH₃ атом азота соединён с тремя атомами водорода тремя одинарными связями, поэтому азот имеет валентность III, а каждый водород — I. У одного и того же элемента валентность может быть разной в разных веществах, потому что число связей его атома меняется. Углерод в CH₄ образует четыре одинарные связи, а в CO₂ — две двойные связи; в обоих случаях его валентность IV.
В таблице число связей указано для одного атома каждого элемента в молекуле. Для кратной связи перечислены все соответствующие ей связи, поэтому её вклад не равен числу соседних атомов.
| Вещество | Структурная формула | Атом | Число связей с учётом кратных | Валентность |
|---|---|---|---|---|
| H₂ | H–H | H | 1 | I |
| H₂O | H–O–H | H | 1 | I |
| H₂O | H–O–H | O | 2 | II |
| NH₃ | H–N(–H)–H | N | 3 | III |
| NH₃ | H–N(–H)–H | H | 1 | I |
| CH₄ | H–C(–H)(–H)–H | C | 4 | IV |
| CH₄ | H–C(–H)(–H)–H | H | 1 | I |
| CO₂ | O=C=O | C | 4 | IV |
| CO₂ | O=C=O | O | 2 | II |
Сначала выберите вещество и нужный атом, затем посчитайте выходящие от него черты. Для двойной связи считайте две черты, даже если рядом только один другой атом. Римская цифра в последнем столбце обозначает найденную валентность.
Задача 1. По структурной формуле H–O–H определите валентности атомов водорода и кислорода. Нужно рассмотреть каждый вид атома отдельно, потому что число связей у них различается. Формула показывает, что центральный атом кислорода соединён с двумя атомами водорода.
Ответ: валентность H — I, валентность O — II.
Задача 2. Изобразите структурную формулу NH₃ и определите валентности азота и водорода. По индексу можно понять, что в молекуле три атома водорода, но валентность следует устанавливать по связям. Поэтому азот помещают в центр и соединяют с каждым водородом отдельной чертой.
Ответ: структурная формула NH₃ имеет три связи N–H; валентность N — III, H — I.
Задача 3. Изобразите структурную формулу CO₂ и определите валентности углерода и кислорода. Если провести от углерода по одной черте к каждому кислороду, получится неверная формула для подсчёта валентности в этой молекуле. Между углеродом и каждым кислородом нужно показать двойную связь.
Ответ: валентность C — IV, валентность каждого O — II.
Считать атомы вместо связей. Можно увидеть в NH₃ три атома водорода и ошибочно принять это число за валентность каждого атома. Так происходит, если смотреть на формулу целиком, а не на связи конкретного атома. Проверьте себя: выберите один атом и посчитайте только черты, которые к нему подходят.
Считать двойную связь за одну. Между двумя атомами находится только один сосед, поэтому двойную связь иногда принимают за одну связь. Но две черты показывают две общие электронные пары, и каждая учитывается при подсчёте. Проверьте, не пропустили ли вы одну из черт; для тройной связи нужно учесть три.
Приписывать элементу неизменную валентность. Часто запоминают значение по одному веществу и затем переносят его на все соединения элемента. Число связей атома зависит от того, какое вещество рассматривается. Сверяйтесь со структурной формулой каждого соединения, например сравнивайте формулы веществ с углеродом.
Путать валентность с индексом. Индекс показывает количество атомов элемента в молекуле, а не число связей у отдельного атома. Такая ошибка возникает, когда состав молекулы принимают за её строение. Для проверки нарисуйте структурную формулу и подсчитайте связи нужного атома, включая кратные.
Для изучения валентности нужно знать, что атомы состоят из ядра и электронов и способны образовывать химические связи. Представление об общих электронных парах объясняет, как возникает ковалентная связь и почему её изображают чертой. Умение определять валентность пригодится при составлении структурных формул и изучении состава и строения веществ. Оно помогает перейти от записи химической формулы к представлению о том, как связаны атомы.
Как определить валентность атома по структурной формуле?
Посчитайте связи, которыми данный атом соединён с другими атомами. Одну черту считайте за одну связь, двойную — за две, тройную — за три. Полученное число показывает валентность атома.
Почему двойную связь считают за две?
Двойная связь образована двумя общими электронными парами между теми же атомами. Поэтому в подсчёте валентности она соответствует двум связям, а тройная — трём.
Может ли один и тот же элемент иметь разную валентность?
Да, некоторые элементы образуют в разных веществах разное число связей. Например, углерод имеет валентность IV в CH₄ и IV в CO₂: во втором веществе он связан с кислородом двумя двойными связями.
Чем валентность отличается от индекса в химической формуле?
Индекс показывает, сколько атомов элемента входит в состав молекулы. Валентность же показывает число связей конкретного атома с учётом кратных связей. Поэтому индекс сам по себе не определяет валентность.
Как определить валентность атомов в молекуле CO₂?
Структурная формула молекулы — O=C=O: углерод образует две двойные связи, всего четыре связи. У каждого атома кислорода одна двойная связь, то есть две связи. Валентность углерода — IV, кислорода — II.
§ 34. Валентность с точки зрения химической связи
