Химия Инфо

Валентность химических элементов

Почему в формуле воды H2O два атома водорода, а в формуле аммиака NH3 — три? Вещества имеют определённое строение, и атомы образуют связи не произвольным образом. Для первого знакомства с этим используют понятие валентности. Оно помогает читать структурные формулы и составлять многие простые химические формулы.

Что называют валентностью

Валентность характеризует соединительную способность атома. В структурной формуле обычной молекулы её определяют по числу образованных атомом связей с учётом их кратности.

Валентность обозначают римскими цифрами: I, II, III, IV и далее. В школьной записи число иногда помещают над символом элемента. Это характеристика атома в рассматриваемом соединении, а не число атомов в формуле и не заряд всего вещества.

Одна черта в структурной формуле обозначает одинарную связь, две — двойную, три — тройную. Для такого подсчёта одинарная связь даёт одну единицу валентности, двойная — две, тройная — три. Поэтому валентность нельзя определять только по числу соседних атомов.

H—Cl; H—O—H; O=C=O; N≡N.

В хлороводороде HCl водород и хлор одновалентны. В воде каждый H образует одну связь, а O — две. В CO2 углерод связан с двумя соседями, но двумя двойными связями: его валентность IV. В N2 каждый атом азота имеет одного соседа, но тройную связь: валентность III.

Молекулярная и структурная формулы

Молекулярная формула сообщает состав молекулы. Структурная показывает, какие атомы связаны и какова кратность связей. Эти сведения дополняют друг друга: одна формула состава не всегда однозначно задаёт строение вещества.

МолекулаКак устроены связи в простой моделиВалентности
H2Одна связь H—HH — I
H2OУ кислорода две одинарные связи с HH — I, O — II
NH3У азота три одинарные связи с HN — III, H — I
CH4У углерода четыре одинарные связи с HC — IV, H — I
CO2Две двойные связи C=OC — IV, O — II
Три одинарные связи азота с водородом в аммиаке
В аммиаке азот трёхвалентен. Плоская схема показывает связи, а не точную пространственную форму молекулы.
Четыре одинарные связи углерода с водородом в метане
В метане углерод четырёхвалентен. В пространстве четыре связи направлены к вершинам тетраэдра.

Постоянные и переменные значения в школьных задачах

В простых школьных соединениях некоторые элементы обычно рассматривают с одним устойчивым значением валентности. Для других требуется знать конкретное соединение или значение из условия.

ЗначениеЧастые школьные примеры
IH, F; Li, Na, K в обычных ионных соединениях
IIO; Mg, Ca, Ba, Zn в обычных соединениях
IIIAl в обычных соединениях
ПеременныеCu — I и II; Fe — II и III; S — II, IV и VI в традиционных школьных формулах

Так, FeO и Fe2O3 соответствуют школьным значениям валентности железа II и III. Указание конкретной формулы существенно: фраза «железо трёхвалентно» без контекста не описывает все его соединения.

Для ионных кристаллов понятие применяют формально, связывая состав с зарядами ионов. Например, в NaCl соотношение Na+ и Cl− равно 1 : 1. Это не означает, что в кристалле каждый ион натрия имеет только одного ближайшего соседа или образует отдельную молекулу NaCl.

Валентность и степень окисления

Валентность в школьной записи не имеет знака. Степень окисления — другая, формальная характеристика со знаком; заряд иона — третье понятие. Их значения могут совпадать по модулю, но это не универсальное правило.

В H2 валентность водорода I, а степень окисления 0. В HCl его валентность тоже I, а степень окисления +I. Значит, нулевая степень окисления простого вещества не означает отсутствия химических связей.

Римская цифра в названии «оксид железа(III)» по современной номенклатуре обозначает степень окисления. В обычных школьных примерах этого типа её модуль совпадает с формальной валентностью. Для более сложных веществ такое совпадение нельзя предполагать автоматически.

Границы простых правил

Валентность не является универсальным правилом восстановления строения по одной формуле. Нужно учитывать тип вещества и связи между атомами; арифметический приём для простого бинарного соединения подходит не ко всем формулам.

Например, пероксид водорода имеет строение H—O—O—H. Каждый кислород образует две одинарные связи и остаётся двухвалентным, хотя соотношение H и O равно 1 : 1. Связь между двумя атомами кислорода не видна из одного лишь подсчёта индексов.

Номер группы периодической системы также не даёт всех валентностей без исключений. В современной таблице 18 групп; нельзя механически подставлять номера 15 или 17 в старые правила для главных подгрупп. Подробное электронное объяснение связей требует отдельного изучения. Модель «каждая валентность получается распариванием электронов на свободные d-орбитали» не является общим современным объяснением строения соединений.

Три разобранных примера

1. Углерод в CO2

Структурная формула O=C=O содержит две двойные связи. Складываем их кратности:

Валентность C: 2 + 2 = 4, то есть IV.

Два атома-соседа не делают углерод двухвалентным. У каждого кислорода одна двойная связь, поэтому его валентность II.

2. Азот в N2

Каждый атом N связан с одним другим атомом N тройной связью. Валентность обоих атомов III. Количество соседей равно одному, число единиц связи — трём. Степень окисления азота в этом простом веществе равна нулю.

3. Аммиак и ион аммония

В NH3 азот образует три связи N—H, а в NH4+ — четыре. В этой структурной модели валентность азота соответственно III и IV. Заряд +1 относится ко всему иону аммония и не превращает валентность азота в «+I».

Частые ошибки

  • Считать только соседние атомы, игнорируя двойные и тройные связи.
  • Приписывать валентности знак «плюс» или «минус».
  • Считать индекс после символа готовой валентностью этого элемента.
  • Принимать плоскую структурную схему за изображение точных углов молекулы.
  • Объяснять ионную решётку отдельными парами атомов с одной локальной связью.

Проверьте себя

  1. Каковы валентности H и O в структурной формуле воды H—O—H?
  2. Почему валентность азота в N≡N не равна I?
  3. Что показывает пара FeO и Fe2O3: постоянство или переменность школьного значения валентности железа?
  4. В H2 степень окисления водорода равна 0. Означает ли это, что его валентность тоже 0?
  5. Определите валентность каждого кислорода по строению H—O—O—H.

Ответы и объяснения

  1. H — I: у каждого водорода одна одинарная связь. O — II: у кислорода две такие связи.
  2. Одна связь с соседом тройная. С учётом кратности каждый атом азота трёхвалентен.
  3. Переменность: для этих формул используются значения II и III. Одно значение нельзя переносить на все соединения железа.
  4. Нет. В молекуле есть одна связь H—H, поэтому каждый H одновалентен. Валентность и степень окисления различаются.
  5. II. Каждый O образует одну связь с H и одну с другим O. Суммарно это две единицы связи.

Связанные темы

Следующий шаг — определение валентности и составление формул. Повторите также атомы, молекулы и ионы и простые и сложные вещества.

Источники

Термин и границы его применения: IUPAC Gold Book, valence и IUPAC Technical Report о количественных определениях валентности. Структурные формулы и кратность связей: OpenStax, Lewis Symbols and Structures. Учебное применение: Open University о валентности и структурах ионов.