Валентность определяется как число электронных пар, которыми данный атом связан с другими атомами

Поскольку в химической связи участвуют только электроны внешних оболочек, такие электроны называют валентными. Единичная (простая) ковалентная связь возникает, когда атомы делят между собой одну пару валентных электронов.

Структурные формулы наглядно показывают последовательность связывания атомов в молекуле и валентность элементов, однако если такая подробная информация не нужна, молекулы можно записывать в виде сокращенных химических формул. Например, уже знакомые нам молекулы в этом случае выглядят так:

Цифра, стоящяя внизу справа от символа элемента, называется индексом. Индекс показывает, сколько атомов данного элемента содержится в молекуле. Индекс 1 никогда не пишут. Такие формулы называют сокращенными, но чаще - молекулярными формулами, потому что они отражают состав (но не структуру!) молекул. Молекулярные формулы можно составлять по валентностям входящих в них элементов. И наоборот, зная валентности элементов, можно правильно составить из них молекулу.

** Но как определяют валентности элементов? Для этого можно воспользоваться нашими знаниями о строении внешних электронных оболочек атомов, как мы это уже делали при определении валентностей водорода, хлора, натрия, фтора, кислорода и азота в их конкретных химических соединениях.

Некоторые элементы проявляют в любых соединениях одну и ту же валентность. Таковы, например, водород, натрий, калий, серебро, фтор (валентность I); или магний, кальций (валентность II). Другие элементы могут - в зависимости от партнеров по химической реакции - проявлять несколько разных валентностей. Причину этого мы легко объясним чуть позже, исходя из строения их атомов.

В то время, когда химики еще ничего не знали о строении атомов, они успешно определили валентности многих элементов по данным химического анализа.

Анализ позволяет выяснить состав соединения, то есть численное соотношение атомов разных элементов в молекуле - молекулярную формулу. Делается это путем точного определения массы каждого элемента в образце, тщательно очищенном от примесей других веществ. С методикой анализа вы подробно познакомитесь в 10 классе. Сейчас же мы воспользуемся результатами уже проведенного анализа для определения валентности, например, азота.

Допустим, анализ чистого образца газа аммиака дает для его молекулы молекулярную формулу NH₃. Можно воспользоваться тем обстоятельством, что валентность водорода всегда I (традиционно валентность обозначают римскими цифрами). Поскольку водород всегда одновалентен, его атомы в этом соединении не могут быть связаны между собой. Значит, они связаны с азотом. Вывод: валентность азота III. Для этого соединения можно придумать единственную структурную формулу:

Еще одно наблюдение: кислород во всех соединениях двухвалентен. Поэтому, например, в соединении SO₂ валентность серы может быть только IV (валентность кислорода II умножить на 2 атома кислорода = 4), а в соединении SO₃ валентность серы - VI (валентность кислорода II умножить на 3 атома кислорода = 6).

В более сложных случаях можно дать лишь частичный ответ, но и он бывает полезен. Например, о соединении HClO₄ мы можем лишь сказать, что остаток ClO₄ - одновалентен (так как мы отняли от него одновалентный атом водорода). В соединении H₂SO₄ остаток SO₄ - двухвалентен (отняли два одновалентных атома водорода). Поэтому для определения валентности какого-либо элемента годятся только его простые соединения с водородом и кислородом, содержащие только один атом изучаемого элемента. Требование простоты весьма существенно. Например, по составу соединения СН₄ (метан) можно правильно заключить, что элемент углерод четырехвалентен. Но существует и более сложное соединение углерода С₆Н₄ (бензол), по которому судить о валентности углерода только из результатов анализа затруднительно.

Таблица 3-2. Валентности некоторых элементов (традиционно записываются римскими цифрами). Для элементов с переменной валентностью первая цифра - наиболее распространенная валентность. В скобках даны валентности, встречающиеся реже. Звездочками помечены элементы с постоянной валентностью.

Мы уже знаем вполне достаточно, чтобы правильно определять валентности многих элементов по правилу октета и по электронному строению их атомов. Можно так и поступать в дальнейшем, не утруждая себя заучиванием валентностей важнейших элементов. Но на практике их проще выучить, чтобы не тратить каждый раз время на рисование электронных формул и структур Льюиса.

В таблице 3-2 приводятся сведения о валентностях элементов, с которыми мы не раз столкнемся в нашем курсе.

Теперь разберемся в том, как составляют молекулярные формулы по уже известным валентностям элементов. Нам нужно научиться делать это для сложных веществ, состоящих из двух элементов.

Например, надо записать формулу соединения железа (III) с кислородом (соединения элементов с кислородом называются оксидами). Запишем химические символы железа (Fe) и кислорода (O), а над символами поставим валентности этих элементов.Затем переместим вниз и крест-накрест значения валентностей, записав их справа (и внизу) около символов элементов в виде индексов:

Теперь сделаем проверку. Два атома 3-х валентного железа дадут в сумме (2 х III = 6) свободных валентностей и столько же свободных валентностей (3 х II = 6) обеспечат три атома II-х валентного кислорода. Свободных, неиспользованных валентностей у атомов не осталось. Значит, формула оксида железа (III) составлена правильно: Fe₂O₃.

Фактически, задача сводится к поиску наименьшего общего кратного для валентностей двух элементов. Поясним это на еще одном примере. Напишем формулу соединения серы (VI) с кислородом:

На первый взгляд кажется, что формула составлена правильно. На самом деле для чисел 2 и 6 имеется наименьшее общее кратное - 6, поэтому оба индекса можно сократить вдвое:

<>

Теперь молекулярная формула оксида серы (VI) написана правильно.

Задачи

3.7. В школьном курсе не изучают химию элемента скандия. Тем не менее, основываясь на электронном строении атома 21Sc, сделайте следующее:

а) напишите электронную формулу скандия и определите его наиболее вероятную валентность (пользуясь правилом октета);

б) напишите формулу Льюиса для соединения скандия с хлором;

в) напишите молекулярную и структурную формулы соединения скандия с хлором;

г) определите: будет ли связь Sc-Cl ковалентной (один вариант), либо (второй вариант) - полярной ковалентной или ионной.

3.8. 1) Используя валентности элементов, напишите молекулярные формулы соединений: а) калия с фтором; б) магния с кислородом; в) кальция с водородом; г) алюминия с фтором; д) алюминия с кислородом.

2) Нарисуйте структурные формулы соединений и определите валентность каждого атома: а) HCl; б) BeCl2; в) AlBr3; г) PH3; д) TiCl4.

** 3.9. Напишите одну молекулярную формулу и нарисуйте по крайней мере две теоретически возможные структурные формулы соединения хрома (III) с кислородом. Подсказка: одна из этих структур содержит кратные связи, другая - циклическая.

3.10. Напишите формулы Льюиса для соединений: H2S, CO2, BeO, I2, ICl. Найдите здесь соединение с ковалентной связью.

** 3.11. Напишите электронную формулу валентной оболочки элемента 34Se. Сколько поделенных и сколько неподеленных электронных пар в соединении H2Se? Нарисуйте его структурную формулу.

** 3.12. Напишите формулу Льюиса и нарисуйте структурную формулу для соединения SF6. Сколько поделенных и сколько неподеленных электронных пар в этом соединении? Примечание: фтор – сильнейший акцептор электронов, поэтому электронные пары химических связей сдвинуты от атома серы к атомам фтора. Какому инертному газу “подражает” сера в этом соединении – аргону или неону?

3.13. Наш старый знакомый Юх нарисовал свой химический автопортрет, повесил его в лаборатории и сказал, что со временем обязательно синтезирует такое соединение. Оно обязательно будет обладать какими-нибудь необычными свойствами. Доктор Пилюлькин сразу нашел ошибку в портрете и сказал Юху, что такое соединение вряд ли можно синтезировать. Какую ошибку смог найти доктор Пилюлькин?

** §3.5 Элементы с переменной валентностью.

Поиск по сайту: