Валентность. Определение валентности. Элементы с постоянной валентностью

Валентность - это способность атома данного элемента образовывать определенное количество химических связей.

Образно говоря, валентность - это число "рук", которыми атом цепляется за другие атомы. Естественно, никаких "рук" у атомов нет; их роль играют т. н. валентные электроны.

Можно сказать иначе: валентность - это способность атома данного элемента присоединять определенное число других атомов.

Необходимо четко усвоить следующие принципы:

Существуют элементы с постоянной валентностью (их относительно немного) и элементы с переменной валентностью (коих большинство).

Элементы с постоянной валентностью необходимо запомнить:

Остальные элементы могут проявлять разную валентность.

Высшая валентность элемента в большинстве случаев совпадает с номером группы, в которой находится данный элемент.

Например, марганец находится в VII группе (побочная подгруппа), высшая валентность Mn равна семи. Кремний расположен в IV группе (главная подгруппа), его высшая валентность равна четырем.

Следует помнить, однако, что высшая валентность не всегда является единственно возможной. Например, высшая валентность хлора равна семи (убедитесь в этом!), но известны соединения, в которых этот элемент проявляет валентности VI, V, IV, III, II, I.

Важно запомнить несколько исключений : максимальная (и единственная) валентность фтора равна I (а не VII), кислорода - II (а не VI), азота - IV (способность азота проявлять валентность V - популярный миф, который встречается даже в некоторых школьных учебниках).

Валентность и степень окисления - это не тождественные понятия.

Эти понятия достаточно близки, но не следует их путать! Степень окисления имеет знак (+ или -), валентность - нет; степень окисления элемента в веществе может быть равна нулю, валентность равна нулю лишь в случае, если мы имеем дело с изолированным атомом; численное значение степени окисления может НЕ совпадать с валентностью. Например, валентность азота в N 2 равна III, а степень окисления = 0. Валентность углерода в муравьиной кислоте = IV, а степень окисления = +2.

Если известна валентность одного из элементов в бинарном соединении, можно найти валентность другого.

Делается это весьма просто. Запомните формальное правило: произведение числа атомов первого элемента в молекуле на его валентность должно быть равно аналогичному произведению для второго элемента .

В соединении A x B y: валентность (А) x = валентность (В) y

Пример 1 . Найти валентности всех элементов в соединении NH 3 .

Решение . Валентность водорода нам известна - она постоянна и равна I. Умножаем валентность Н на число атомов водорода в молекуле аммиака: 1 3 = 3. Следовательно, для азота произведение 1 (число атомов N) на X (валентность азота) также должно быть равно 3. Очевидно, что Х = 3. Ответ: N(III), H(I).

Пример 2 . Найти валентности всех элементов в молекуле Cl 2 O 5 .

Решение . У кислорода валентность постоянна (II), в молекуле данного оксида пять атомов кислорода и два атома хлора. Пусть валентность хлора = Х. Составляем уравнение: 5 2 = 2 Х. Очевидно, что Х = 5. Ответ: Cl(V), O(II).

Пример 3 . Найти валентность хлора в молекуле SCl 2 , если известно, что валентность серы равна II.

Решение . Если бы авторы задачи не сообщили нам валентность серы, решить ее было бы невозможно. И S, и Cl - элементы с переменной валентностью. С учетом дополнительной информации, решение строится по схеме примеров 1 и 2. Ответ: Cl(I).

Зная валентности двух элементов, можно составить формулу бинарного соединения.

В примерах 1 - 3 мы по формуле определяли валентность, попробуем теперь проделать обратную процедуру.

Пример 4 . Составьте формулу соединения кальция с водородом.

Решение . Валентности кальция и водорода известны - II и I соответственно. Пусть формула искомого соединения - Ca x H y . Вновь составляем известное уравнение: 2 x = 1 у. В качестве одного из решений этого уравнения можно взять x = 1, y = 2. Ответ: CaH 2 .

"А почему именно CaH 2 ? - спросите вы. - Ведь варианты Ca 2 H 4 и Ca 4 H 8 и даже Ca 10 H 20 не противоречат нашему правилу!"

Ответ прост: берите минимально возможные значения х и у. В приведенном примере эти минимальные (натуральные!) значения как раз и равны 1 и 2.

"Значит, соединения типа N 2 O 4 или C 6 H 6 невозможны? - спросите вы. - Следует заменить эти формулы на NO 2 и CH?"

Нет, возможны. Более того, N 2 O 4 и NO 2 - это совершенно разные вещества. А вот формула СН вообще не соответствует никакому реальному устойчивому веществу (в отличие от С 6 Н 6).

Несмотря на все сказанное, в большинстве случаев можно руководствоваться правилом: берите наименьшие значения индексов.

Пример 5 . Составьте формулу соединения серы с фтором, если известно, что валентность серы равна шести.

Решение . Пусть формула соединения - S x F y . Валентность серы дана (VI), валентность фтора постоянна (I). Вновь составляем уравнение: 6 x = 1 y. Несложно понять, что наименьшие возможные значения переменных - это 1 и 6. Ответ: SF 6 .

Вот, собственно, и все основные моменты.

А теперь проверьте себя! Предлагаю пройти небольшой тест по теме "Валентность" .

Одной из важных в изучении школьных тем является курс, касающийся валентности. Об этом пойдет речь в статье.

Валентность – что это такое?

Валентность в химии означает свойство атомов химического элемента привязывать к себе атомы другого элемента. В переводе с латыни – сила. Выражается она в числах. Например, валентность водорода всегда будет равняться единице. Если взять формулу воды – Н2О, ее можно представить в виде Н – О – Н. Один атом кислорода смог связать с собой два атома водорода. Значит, количество связей, которые создает кислород, равно двум. И валентность этого элемента будет равняться двум.

В свою очередь, водород будет двухвалентным. Его атом может быть соединен только с одним атомом химического элемента. В данном случае с кислородом. Говоря точнее, атомы в зависимости от валентности элемента, образуют пары электронов. Сколько таких пар образовано – таковой и будет валентность. Числовое значение именуется индексом. У кислорода индекс 2.

Как определить валентность химических элементов по таблице Дмитрия Менделеева

Посмотрев на таблицу элементов Менделеева, можно заметить вертикальные ряды. Их называют группами элементов. От группы зависит и валентность. Элементы первой группы имеют первую валентность. Второй – вторую. Третьей – третью. И так далее.

Есть также элементы с постоянным индексом валентности. Например, водород, группа галогенов, серебро и так далее. Их необходимо выучить обязательно.

Как определить валентность химических элементов по формулам?

Иногда сложно определить по таблице Менделеева валентность. Тогда нужно смотреть конкретную химическую формулу. Возьмем оксид FeO. Здесь и у железа, как у кислорода, индекс валентности будет равняться двум. А вот в оксиде Fe2O3 – по-другому. Железо будет трехвалентным.

Нужно помнить всегда разные способы определения валентности и не забывать их. Знать постоянные ее числовые значения. У каких элементов они есть. И, конечно, пользоваться таблицей химических элементов. А также изучать отдельные химические формулы. Лучше представлять их в схематическом виде: Н – О – Н, например. Тогда видны связи. И количество черточек (тире) будет числовым значением валентности.

Трудно переоценить роль железа для человеческого организма, ведь именно оно способствует «творению» крови, его содержание влияет на уровень гемоглобина и миоглобина, железо нормализует работу ферментной системы. Но что это за элемент с точки зрения химии? Какая валентность железа? Об этом будет рассказано в данной статье.

Немного истории

Человечество знало об этом химическом элементе и даже владело изделиями из него еще в IV веке до нашей эры. Это были народы Древнего Египта и Шумеры. Именно они первые начали изготавливать украшения, оружие из сплава железа и никеля, которые были найдены при археологических раскопках и тщательно исследованы химиками.

Немного позже, племена арийцев, переселившиеся в Азию, научилось добывать твердое железо из руды. Оно было настолько ценным для людей того времени, что изделия покрывали золотом!

Характеристика железа

Железо (Fe) стоит на четвертом месте по содержанию его в недрах земной коры. Оно занимает место в 7 группе 4 периода и имеет номер 26 в химической таблице элементов Менделеева. Валентность железа имеет прямую зависимость от своего положения в таблице. Но об этом позже.

Данный металл наиболее всего распространен в природе в виде руды, встречается в воде как минерал, а также в различных соединениях.

Наибольшее количество запасов железа в виде руды, находится в России, Австралии, Украине, Бразилии, США, Индии, Канаде.

Физические свойства

Прежде чем переходить к валентности железа, необходимо подробнее рассмотреть его физические свойства, так сказать, приглядеться к нему поближе.

Этот металл имеет достаточно пластичный, но способен к увеличению твердости путем его взаимодействия с другими элементами (например, с углеродом). Также он обладает магнитными свойствами.

Во влажной среде железо может корродировать, то есть ржаветь. Хотя абсолютно чистый металл устойчивее к влаге, но если в нем есть примеси, именно они провоцируют коррозию.

Железо хорошо взаимодействует с кислотной средой, даже может образовывать соли железной кислоты (при условии сильного окислителя).

В воздушной среде быстро покрывается оксидной пленкой, которая защищает его от взаимодействий.

Химические свойства

Также этот элемент обладает рядом химических свойств. Железо, как и остальные элементы таблицы Менделеева, имеет заряд атомного ядра, который соответствует порядковому номеру +26. А возле ядра вращается 26 электронов.

А вообще, если рассматривать свойства железа - химического элемента, то он является металлом с невысокой активной способностью.

Взаимодействуя с окислителями более слабыми, железо образует соединения, где оно двухвалентно (то есть его степень окисления +2). А если с сильными окислителями, то степень окисления железа достигает +3 (то есть валентность его становится равной 3).

При взаимодействии с химическими элементами, которые не являются металлами, Fe выступает по отношению к ним восстановителем, при этом степень окисления его становиться, кроме +2 и +3, даже +4, +5, +6. Такие соединения имеют очень сильные окислительные свойства.

Как уже отмечалось выше, железо в воздушной среде покрывается оксидной пленкой. А при нагревании скорость реакции повышается и может образоваться оксид железа с валентностью 2 (температура менее 570 градусов по Цельсию) или оксид с валентностью 3 (температурный показатель более 570 градусов).

Взаимодействие Fe с галогенами, приводит к образованию солей. Элементы фтор и хлор окисляют его до +3. Бром же - до +2 или +3 (все зависит от того, какие условия осуществления химического превращения при взаимодействии с железом).

Вступая во взаимодействия с йодом, элемент окисляется до +2.

Нагревая железо и серу, получается сульфид железа с валентностью 2.

Если феррум расплавить и соединить его с углеродом, фосфором, кремнием, бором, азотом, то получатся соединения называемые сплавами.

Железо является металлом, поэтому оно вступает во взаимодействие и с кислотами (об этом кратко также говорилось чуть выше). Например, кислоты серная и азотная, имеющие высокую концентрацию, в среде с пониженной температурой, на железо не оказывают воздействия. Но стоит ей повысится, как происходит реакция, в результате которой железо окисляется до +3.

Чем выше концентрация кислоты, тем большую температуру необходимо дать.

Нагревая 2-х валентное железо в воде, получим его оксид и водород.

Также Fe обладает способностью вытеснять из водных растворов солей металлы, которые имеют пониженную активность. При этом он окисляется до +2.

При повышении температуры, железо восстанавливает металлы из оксидов.

Что такое валентность

Уже в предыдущем разделе немного встречалось понятие валентности, а также степени окисления. Пришло время рассмотреть валентность железа.

Но для начала необходимо понять, что это вообще за такое свойство химических элементов.

Химические вещества почти всегда постоянны в своем составе. Например, в формуле воды Н2О - 1 атом кислорода и 2 атома водорода. То же самое и с другими соединениями, в которых задействованы два химических элемента, один из которых водород: к 1 атому химического элемента может добавиться 1-4 атома водорода. Но никак не наоборот! А потому, видно, что водород присоединяет к себе всего 1 атом другого вещества. И именно это явление называют валентностью - способностью атомов химического элемента присоединять конкретное количество атомов других элементов.

Значение валентности и графическая формула

Есть элементы таблицы Менделеева, которые обладают постоянной валентностью - это кислород и водород.

А есть такие химические элементы, у которых она изменяется. Например, железо чаще 2-х и 3-х валентно, сера 2, 4, 6-ти, углерод 2 и 4-х. Это элементы с переменной валентностью.

Также, зная валентность одного из элементов в соединении, можно определить валентность другого.

Валентность железа

Как было отмечено, железо относится к элементам с переменной валентностью. И она может колебаться не только между показателями 2 и 3, но и достигать 4, 5 и даже 6.

Конечно, более подробно изучает валентность железа Рассмотрим этот механизм кратко на уровне простейших частиц.

Железо является д-элементом, к которому причисляется еще 31 элемент таблицы Менделеева (это 4-7 периоды). С возрастанием порядкового номера, свойства д-элементов приобретают небольшие изменения. Атомный радиус у этих веществ также медленно возрастает. Они обладают переменной валентностью, которая зависит от того, что предвнешний д-электронный подуровень является незавершенным.

Потому для железа валентными есть не только с-электроны, находящиеся во внешнем слое, но и неспаренные 3д-электроны предвнешнего слоя. И, как следствие, валентность Fe в химических соединениях может равнятся 2, 3, 4, 5, 6. В основном, она равна 2 и 3 - это более устойчивые с другими веществами. В менее устойчивых - он проявляет валентность 4, 5, 6. Но, такие соединения встречаются реже.

Двухвалентный феррум

При взаимодействии 2 валентного железа с водой получается оксид железа (2). Такое соединение обладает черным цветом. Достаточно легко взаимодействует с соляной (малой концентрации) и азотной (высокой концентрации) кислотами.

Если такому оксиду 2-х валентного железа провзаимодействовать или с водородом (температура 350 градусов по Цельсию), или с углеродом (коксом) при 1000 градусов, то оно восстанавливается до чистого состояния.

Добывают оксид железа 2-х валентного такими способами:

через соединение оксида 3-х валентного железа с угарным газом;
при нагревании чистого Fe, при этом низкое давление кислорода;
при раскладывании оксалата 2-х валентного железа в вакуумной среде;
при взаимодействии чистого железа с его оксидами, температура при этом 900-1000 градусов по Цельсию.

Что касается природной среды, то оксид железа 2-х валентного, присутствует в виде минерала вюстита.

Есть еще способ, как в растворе определить валентность железа - в данном случае, имеющего ее показатель 2. Необходимо провести реакции с красной солью (гексацианоферрат калия) и с щелочью. В первом случае наблюдается получение осадка темно-синего цвета - комплексной соли железа 2-х валентного. Во втором - получение темного серо-зеленого осадка - гидроксида железа также 2-х валентного, в то время, как гидроксид железа 3-х валентного имеет цвет в растворе темно-бурый.

Трехвалентное железо

Оксид 3-х валентного феррума имеет порошкообразную структуру, цвет которой красно-коричневый. Имеет также наименования: окись железа, красный пигмент, пищевой краситель, крокус.

В природе это вещество встречается в виде минерала - гематита.

Оксид такого железа с водой уже не взаимодействует. Но соединяется с кислотами и щелочами.

Применяется оксид железа (3) для окрашивания материалов, применяемых в строительстве:

кирпичей;
цемента;
керамических изделий;
бетона;
тротуарной плитки;
напольных покрытий (линолеум).

Железо в организме человека

Как отмечалось в начале статьи, вещество железо является важной составляющей человеческого организма.

Когда этого элемента является недостаточно, то могут возникнуть следующие последствия:

повышенная усталость и чувствительность к холоду;
сухость кожи;
снижение мозговой деятельности;
ухудшение прочности ногтевой пластины;
головокружение;
проблемы с пищеварением;
седина и выпадение волос.

Накапливается железо, как правило, в селезенке и печени, а также почках и поджелудочной железе.

В рационе человека должны быть продукты, содержащие железо:

говяжья печень;
гречневая каша;
арахис;
фисташки;
зеленый горошек консервированный;
сушенные белые грибы;
куриные яйца;
шпинат;
кизил;
яблоки;
груши;
персики;
свекла;
морепродукты.

Недостаток железа в крови, приводит к снижению гемоглобина и развитию такого заболевания, как железодефицитная анемия.

Валентность – способность элементов присоединять к себе другие элементы.

Говоря простым языком, это число, показывающее, сколько элементов может присоединить к себе определённый атом.

Ключевым моментом в химии является правильная запись формул соединений.

Существуют несколько правил, которые облегчают нам правильное составление формул.

Валентность всех металлов главных подгрупп равна номеру группы:

На рисунке представлен пример главной и побочной подгруппы I группы.

2. Валентность кислорода равна двум

3. Валентность водорода равна одному

4. Неметаллы проявляют два типа валентности:

Низшую (8-№ группы)
Высшую (равна № группы)

А) В соединениях с металлами, неметаллы проявляют низшую валентность!

Б) В бинарных соединениях сумма валентности одного вида атомов равна сумме валентности другого вида атомов!

Валентность алюминия равна трём (алюминий -металл III группы). Валентность кислорода равна двум. Сумма валентности для двух атомов алюминия равна 6. Сумма валентности для трёх атомов кислорода равна тоже 6.

1) Определите валентности элементов в соединениях:

Валентность алюминия равна III. В формуле 1 атом => суммарная валентность тоже равна 3. Следовательно, для всех атомов хлора валентность тоже будет равна 3 (правило бинарных соединений). 3:3=1. Валентность хлора равна 1.

Валентность кислорода равна 2. В соединении 3 атома кислорода => суммарная валентность равна 6. Для двух атомов суммарная валентность равна 6 => для одного атома железа — 3 (6:2=3)

2) Составьте формулы соединения, состоящего из:

натрия и кислорода

Валентность кислорода равна II.

Натрий-металл первой группы главной подгруппы => его валентность равна I.

Понятие валентности сыграло в истории химии большую роль, прояснив, каким образом, в каких соотношениях и почему атомы разных химических элементов могут соединяться друг с другом. В случае простейших неорганических и органических соединений теория работала. Однако со временем, как это обычно и бывает в науке, накапливались сведения, которые постепенно заставили химиков отказаться от понятия валентности как универсального способа для описания строения вещества.

Прежде всего, оказалось, что многие элементы, в отличие от водорода и кислорода, могут иметь не одну, а несколько валентностей, так что водород и кислород скорее исключения. Но с этой трудностью довольно легко справились ещё в XIX веке, приписав ряду элементов несколько возможных валентностей.

В результате стало понятно, почему некоторые вещества, образованные всего двумя элементами, могут так сильно отличаться по составу. Например, в одном из оксидов железа (то есть в соединении железа и кислорода) на одну массовую часть железа приходится примерно 0,3 массовые части кислорода, а в другом оксиде — вдвое больше.

Выяснилось, что железо в этих оксидах имеет разную валентность: в оксиде FeO железо двухвалентно, а в оксиде Fe2О3 — трёхвалентно.

Был известен также оксид железа Fe3О4. Какая же в нём валентность железа?

Если кислород двухвалентен, то получается, что валентность железа 2-4/3 = 8/3! Как такое может быть?

Проблему решили, когда было доказано, что в этом оксиде один атом железа двухвалентен, а два — трёхвалентны, то есть формулу этого оксида можно представить в виде FeO Fe2О3. Аналогично была решена проблема со свинцовым суриком, состав которого отвечает формуле Рb3О4.

Но атомы свинца трёхвалентными не бывают. В данном случае оказалось, что два атома свинца двухвалентны (как в РbО), а один — четырёхвалентен (как в РbО2), так что формулу свинцового сурика можно представить в виде 2РbО РbО2.

Многовалентными могут быть и металлы, и неметаллы. Так, йод в соединениях с фтором может быть одновалентным (IF), трёхвалентным (IF3), пятивалентными (IF5) и семивалентным (IF7), то есть проявлять четыре разные валентности, тогда как фтор всегда одновалентен.

Металл молибден в соединениях с галогенами может проявлять валентности 2, 3,4, 5 и 6. Разная валентность у атомов данного элемента — скорее правило, чем исключение. Такое свойство весьма обогащает химию.

Например, углерод с кислородом образует два газа — угарный СО и углекислый СО2, и понятно, что валентность углерода в этих соединениях разная. Сера с кислородом тоже образует по крайней мере два соединения — сернистый газ SО2 и серный ангидрид SО3, в которых сера, как нетрудно догадаться, имеет валентность соответственно 4 и 6. Существование разнообразных оксидов марганца (МnО, Мn2О3, Мn3О4, МnО2, Мn2О7 и др.) показывает, что марганец может иметь несколько разных валентностей.

Валентность в названиях веществ часто обозначают римскими цифрами — в скобках после символа или названия элемента. Химик может назвать вещество FeO оксидом железа (II), а вещество Fe2О3 — оксидом железа (III). И поскольку кислород образует соединения со значительно большим числом элементов, чем водород, химики чаще всего устанавливали валентности элементов именно по их соединениям с кислородом.

Когда химики изучили сложные органические соединения, оказалось, что атомы углерода в них, как и в молекуле метана, практически всегда четырёхвалентны. Четырёхвалентность атомов углерода сыграла огромную роль в истории органической химии; это свойство исключительно важно также для всего живого, поскольку химия органических соединений — это в подавляющем большинстве случаев химия углерода.

Как же объясняется определённая валентность элемента? Оказывается, это связано со строением атомов, вернее, их внешних (то есть наиболее далёких от ядра) электронных оболочек.

Строение этих оболочек у разных атомов разное, поэтому отличается и их валентность.

Именно благодаря электронам атомы могут связываться друг с другом в определённых соотношениях.

Каким же образом электроны осуществляют химическую связь, то есть связывают атомы друг с другом? Химическая связь бывает разной, и её тип зависит от строения электронных оболочек реагирующих атомов.

Известно, что металлический натрий бурно (с пламенем) реагирует с хлором, образуя хлорид натрия NaCl (поваренную соль). Как происходит образование этого вещества?

Рассмотрим изолированный атом натрия. У него 11 электронов, расположенных на трёх электронных оболочках.

На самой близкой к ядру находятся 2 электрона. Дальше — 8 электронов.

По этой же причине натрий находится в 1 — й группе периодической системы. Электронную оболочку, на которой расположен этот «дальний» электрон, называют валентной, а находящийся на ней электрон (или электроны, если их несколько) — валентными электронами.