Kako določiti valenco elementa s spremenljivo valenco. Lekcija "Valenca. Določitev valence s pomočjo formul njihovih spojin

V tem članku si bomo ogledali metode in razumeli kako določiti valenco elementi periodnega sistema.

V kemiji je sprejeto, da valenca kemični elementi lahko prepoznamo po skupini (stolpcu) v periodnem sistemu. V resnici valenca elementa ne ustreza vedno številki skupine, vendar bo v večini primerov določena valenca s to metodo dala pravilen rezultat; pogosto imajo elementi, odvisno od različnih dejavnikov, več kot eno valenco.

Za enoto valence se šteje valenca vodikovega atoma, ki je enaka 1, kar pomeni, da je vodik enovalenten. Zato valenca elementa označuje, s koliko atomi vodika je povezan en atom zadevnega elementa. Na primer HCl, kjer je klor monovalenten; H2O, kjer je kisik dvovalenten; NH3, kjer je dušik trivalenten.

Kako določiti valenco s pomočjo periodnega sistema.

Periodni sistem vsebuje kemične elemente, ki so vanj umeščeni po določenih principih in zakonitostih. Vsak element stoji na mestu, ki ga določajo njegove značilnosti in lastnosti, vsak element pa ima svojo številko. Vodoravne črte imenujemo pike, ki se povečujejo od prve vrstice navzdol. Če je obdobje sestavljeno iz dveh vrstic (kot je označeno s številčenjem ob strani), se takšno obdobje imenuje veliko. Če ima samo eno vrsto, se imenuje majhna.

Poleg tega so v tabeli še skupine, ki jih je skupaj osem. Elementi so postavljeni v navpične stolpce. Tukaj je njihova postavitev neenakomerna - na eni strani je več elementov (glavna skupina), na drugi - manj (stranska skupina).

Valenca je sposobnost atoma, da tvori določeno število kemičnih vezi z atomi drugih elementov. uporaba periodnega sistema vam bo pomagala razumeti znanje o vrstah valence.

Za elemente sekundarnih podskupin (in te vključujejo samo kovine) je treba zapomniti valenco, zlasti ker je v večini primerov enaka I, II, manj pogosto III. Zapomniti si boste morali tudi valence kemičnih elementov, ki imajo več kot dva pomena. Ali pa imejte vedno pri roki tabelo valenc elementov.

Algoritem za določanje valence z uporabo formul kemijskih elementov.

1. Zapišite formulo kemijske spojine.

2. Določite znano valenco elementov.

3. Poiščite najmanjši skupni večkratnik valence in indeksa.

4. Poiščite razmerje med najmanjšim skupnim večkratnikom in številom atomov drugega elementa. To je želena valenca.

5. Preverite z množenjem valence in indeksa vsakega elementa. Njihovi izdelki morajo biti enaki.

primer: Določimo valenco elementov vodikovega sulfida.

1. Zapišimo formulo:

2. Označimo znano valenco:

3. Poiščite najmanjši skupni večkratnik:

4. Poiščite razmerje med najmanjšim skupnim večkratnikom in številom žveplovih atomov:

5. Preverimo:

Tabela značilnih valenčnih vrednosti nekaterih atomov kemičnih spojin.

VALENCA(latinsko valentia - trdnost) sposobnost atoma, da se pritrdi ali zamenja določeno število drugi atomi ali skupine atomov.

Dolga desetletja je bil koncept valence eden temeljnih, temeljnih pojmov v kemiji. S tem pojmom se morajo srečati vsi študenti kemije. Sprva se jim je zdelo povsem preprosto in nedvoumno: vodik je enovalenten, kisik je dvovalenten itd. Eden od priročnikov za prosilce pravi: "Valenca je število kemičnih vezi, ki jih tvori atom v spojini." Toda kakšna je potem v skladu s to definicijo valenca ogljika v železovem karbidu Fe 3 C, v železovem karbonilu Fe 2 (CO) 9, v že dolgo znanih solih K 3 Fe (CN) 6 in K 4 Fe( CN) 6? In tudi v natrijevem kloridu je vsak atom v kristalu NaCl vezan na šest drugih atomov! Toliko definicij, tudi tistih, ki so natisnjene v učbenikih, je treba uporabljati zelo previdno.

V sodobnih publikacijah je mogoče najti različne, pogosto nedosledne definicije. Na primer to: "Valenca je sposobnost atomov, da tvorijo določeno število kovalentnih vezi." Ta definicija je jasna in nedvoumna, vendar velja le za spojine s kovalentnimi vezmi. Valenca atoma je določena s skupnim številom elektronov, ki sodelujejo pri tvorbi kemične vezi; in število elektronskih parov, s katerimi je dani atom povezan z drugimi atomi; in število njegovih nesparjenih elektronov, ki sodelujejo pri tvorbi skupnih elektronskih parov. Težave povzroča tudi druga pogosta definicija valence kot števila kemičnih vezi, s katerimi je določen atom povezan z drugimi atomi, saj ni vedno mogoče jasno opredeliti, kaj je kemična vez. Navsezadnje nimajo vse spojine kemičnih vezi, ki jih tvorijo pari elektronov. Najenostavnejši primer so ionski kristali, kot je natrijev klorid; v njej vsak atom natrija tvori vez (ionsko) s šestimi atomi klora in obratno. Ali bi morali vodikove vezi obravnavati kot kemične vezi (na primer v molekulah vode)?

Postavlja se vprašanje, čemu je lahko enaka valenca dušikovega atoma glede na njegove različne definicije. Če je valenca določena s skupnim številom elektronov, ki sodelujejo pri tvorbi kemičnih vezi z drugimi atomi, potem je treba največjo valenco atoma dušika šteti za enako pet, saj lahko atom dušika uporabi vseh pet svojih zunanjih elektronov - dva s-elektroni in trije p-elektroni – pri tvorbi kemičnih vezi.elektroni. Če je valenca določena s številom elektronskih parov, s katerimi je določen atom povezan z drugimi, potem je v tem primeru največja valenca atoma dušika štiri. V tem primeru trije p-elektroni tvorijo tri kovalentne vezi z drugimi atomi, druga vez pa nastane zaradi dveh 2s-elektronov dušika. Primer je reakcija amoniaka s kislinami, da nastane amonijev kation.Nazadnje, če je valenca določena le s številom neparnih elektronov v atomu, potem valenca dušika ne more biti večja od treh, saj atom N ne more imeti več kot trije nesparjeni elektroni (vzbujanje 2s elektrona lahko nastane le na nivoju z n = 3, kar je energijsko izjemno neugodno). Tako v halogenih dušik tvori samo tri kovalentne vezi in ni spojin, kot so NF 5, NCl 5 ali NBr 5 (za razliko od popolnoma stabilnih PF 3, PCl 3 in PBr 3). Če pa atom dušika prenese enega od svojih 2s elektronov na drug atom, bo imel nastali kation N+ štiri neparne elektrone in valenca tega kationa bo štiri. To se zgodi na primer v molekuli dušikove kisline. torej različne definicije valenca vodi do različne rezultate tudi v primeru preprostih molekul.

Katera od teh definicij je »pravilna« in ali je sploh mogoče podati nedvoumno definicijo za valenco? Da bi odgovorili na ta vprašanja, je koristno narediti ekskurzijo v preteklost in razmisliti o tem, kako se je koncept "valence" spremenil z razvojem kemije.

Zamisel o valenci elementov (ki pa takrat še ni bila priznana) je bila prvič izražena sredi 19. stoletja. Angleški kemik E. Frankland: govoril je o določeni "zmožnosti nasičenja" kovin in kisika. Kasneje so valenco začeli razumeti kot sposobnost atoma, da pritrdi ali zamenja določeno število drugih atomov (ali skupin atomov), da tvori kemično vez. Eden od ustvarjalcev teorije kemijska struktura Friedrich August Kekule je zapisal: "Valentnost je temeljna lastnost atoma, lastnost, ki je stalna in nespremenljiva kot sama atomska teža." Kekule je obravnaval valenco elementa konstantna vrednost. Do konca petdesetih let 19. stoletja je večina kemikov verjela, da je valenca (takrat imenovana »atomarnost«) ogljika 4, valenca kisika in žvepla 2, halogenov pa 1. Leta 1868 je nemški kemik K. G. Wichelhaus predlagal uporabo izraz "atomičnost" namesto "valenca" (v latinščini valentia - moč). Vendar se dolgo časa skoraj ni uporabljal, vsaj v Rusiji (namesto tega so govorili na primer o "enotah afinitete", "številu ekvivalentov", "številu delnic" itd.). Pomenljivo je, da v Enciklopedični slovar Brockhausa in Efrona(skoraj vse članke o kemiji v tej enciklopediji je pregledal, uredil in pogosto napisal D.I. Mendeleev) sploh ni članka o "valenci". Tudi v klasičnem delu Mendelejeva ga ni. Osnove kemije(le občasno omenja pojem "atomičnosti", ne da bi se na njem podrobneje posvetil in ne da bi ga nedvoumno opredelil).

Da bi nazorno prikazali težave, ki so spremljale koncept »valence« že od samega začetka, je primerno navesti koncept, ki je bil priljubljen na začetku 20. stoletja. v mnogih državah je zaradi velikega pedagoškega talenta avtorja učbenik ameriškega kemika Aleksandra Smitha, ki ga je izdal leta 1917 (v ruskem prevodu - leta 1911, 1916 in 1931): »Noben pojem v kemiji ni prejel toliko nejasnih in nenatančnih definicij, kot je koncept valence " In naprej v razdelku Nekaj ​​nenavadnosti v pogledih na valenco avtor piše:

»Ko je bil koncept valence prvič zgrajen, je veljalo – povsem zmotno – da ima vsak element eno valenco. Zato smo pri obravnavi parov spojin, kot sta CuCl in CuCl 2 ali ... FeCl 2 in FeCl 3, izhajali iz predpostavke, da baker Nenehno je dvovalentno, železo pa je trivalentno, in na tej podlagi so popačili formule, da bi jih prilagodili tej predpostavki. Tako je bila formula bakrovega monoklorida napisana (in se pogosto piše še danes) takole: Cu 2 Cl 2. V tem primeru imata formuli dveh spojin bakrovega klorida v grafičnem prikazu obliko: Cl–Cu–Cu–Cl in Cl–Cu–Cl. V obeh primerih ima vsak atom bakra (na papirju) dve enoti in je zato dvovalenten (na papirju). Podobno ... podvojitev formule FeCl 2 je dala Cl 2 >Fe–Fe 2, kar nam je omogočilo, da je železo obravnavano kot trivalentno." In potem Smith naredi zelo pomemben in ves čas relevanten zaključek: »To je precej gnusno znanstvena metoda- izmišljevati ali izkrivljati dejstva, da bi podprli prepričanje, ki ne temelji na izkušnjah, ampak je rezultat zgolj ugibanja. Toda zgodovina znanosti kaže, da se takšne napake pogosto opažajo.«

Pregled idej začetka stoletja o valentnosti je leta 1912 podal ruski kemik L. A. Čugajev, ki je prejel svetovno priznanje za svoje delo na področju kemije kompleksnih spojin. Chugaev je jasno pokazal težave, povezane z opredelitvijo in uporabo koncepta valence:

»Valenca je izraz, ki se v kemiji uporablja v enakem pomenu kot »atomičnost« za označevanje največjega števila vodikovih atomov (ali drugih enoatomskih atomov ali monoatomskih radikalov), s katerimi je lahko atom danega elementa v neposredni povezavi (ali s katerimi je je sposoben nadomestiti ). Beseda valenca se pogosto uporablja tudi v pomenu enote valence ali enote afinitete. Tako pravijo, da ima kisik dva, dušik tri itd. Besedi valenca in »atomičnost« sta se prej uporabljali brez kakršnega koli razlikovanja, a ker sta sama pojma, ki sta ju izražala, izgubila svojo prvotno preprostost in postala bolj zapletena, je za vrsto primerov ostala v uporabi le beseda valenca ... Zaplet Koncept valence se je začel s spoznanjem, da je valenca spremenljiva količina ... in v smislu zadeve je vedno izražena kot celo število.«

Kemiki so vedeli, da imajo številne kovine spremenljivo valenco, zato bi morali govoriti na primer o dvovalentnem, trivalentnem in šestvalentnem kromu. Chugaev je dejal, da je treba tudi v primeru ogljika dopustiti možnost, da je njegova valenca lahko drugačna od 4, CO pa ni edina izjema: "Dvovalentni ogljik je zelo verjetno vsebovan v karbilaminih CH 3 –N=C, v eksplozivni kislini in njenih solih C=NOH, C=NOMe itd. Vemo, da obstaja tudi triatomski ogljik ..." Razprava o teoriji nemškega kemik I. Thiele o »delnih« ali delnih valencah, je Chugaev o tem govoril kot o »enem prvih poskusov razširitve klasičnega koncepta valence in njegove razširitve na primere, za katere kot taka ni uporabna. Če je Thiele prišel do potrebe ... dovoliti "fragmentacijo" valenčnih enot, potem obstaja cela vrsta dejstev, ki nas silijo, da v drugem smislu izpeljemo koncept valence iz ozkega okvira, v katerem je bilo prvotno vsebovano. Videli smo, da nas preučevanje najpreprostejših (večinoma binarnih ...) spojin, ki jih tvorijo kemični elementi za vsakega od teh slednjih, prisili, da predpostavimo določene, vedno majhne in seveda cele vrednosti njihove valence. Takšnih vrednosti je na splošno zelo malo (elementi z več kot tremi različnimi valencami so redki) ... Izkušnje pa kažejo, da ko je treba vse zgoraj omenjene valenčne enote obravnavati kot nasičene, sposobnost molekul, ki nastanejo v tem primer za nadaljnje dodajanje še ne doseže omejitve. Tako kovinske soli dodajajo vodo, amoniak, amine..., pri čemer nastanejo razni hidrati, amoniak... itd. kompleksne spojine, ki... jih zdaj uvrščamo med kompleksne. Obstoj takšnih spojin, ki se ne ujemajo z okvirom najpreprostejše zamisli o valenci, je seveda zahteval njeno razširitev in uvedbo dodatnih hipotez. Ena od teh hipotez, ki jo je predlagal A. Werner, je, da poleg glavnih ali osnovnih enot valence obstajajo tudi druge, sekundarne. Slednje so običajno označene s pikčasto črto.«

Dejansko, kakšno valenco bi morali na primer pripisati atomu kobalta v njegovem kloridu, ki je dodal šest molekul amoniaka, da je nastala spojina CoCl 3 6NH 3 (ali, kar je isto, Co(NH 3) 6 Cl 3) ? V njem je atom kobalta kombiniran hkrati z devetimi atomi klora in dušika! D. I. Mendelejev je ob tej priložnosti pisal o malo raziskanih »silah preostale afinitete«. In švicarski kemik A. Werner, ki je ustvaril teorijo kompleksnih spojin, je uvedel koncepte glavne (primarne) valence in sekundarne (sekundarne) valence (v sodobni kemiji ti koncepti ustrezajo oksidacijskemu stanju in koordinacijskemu številu). Obe valenci sta lahko spremenljivi, v nekaterih primerih ju je zelo težko ali celo nemogoče razlikovati.

Nato se Chugaev dotakne teorije elektrovalence R. Abegga, ki je lahko pozitivna (v spojinah z višjim kisikom) ali negativna (v spojinah z vodikom). Poleg tega je vsota najvišjih valenc elementov za kisik in vodik za skupine od IV do VII enaka 8. Predstavitev v številnih kemijskih učbenikih še vedno temelji na tej teoriji. Na koncu Chugaev omenja kemične spojine, za katere je koncept valence praktično neuporaben - intermetalne spojine, katerih sestava je »pogosto izražena z zelo nenavadnimi formulami, ki zelo malo spominjajo na običajne vrednosti valence. To so na primer naslednje spojine: NaCd 5, NaZn 12, FeZn 7 itd.«

Drugi znani ruski kemik I.A. Kablukov je v svojem učbeniku opozoril na nekatere težave pri določanju valence Osnovni principi anorganske kemije, izdano leta 1929. Kar zadeva koordinacijsko številko, naj citiramo (v ruskem prevodu) učbenik, ki ga je leta 1933 v Berlinu izdal eden od ustvarjalcev sodobna teorija rešitve danskega kemika Nielsa Bjerruma:

»Navadna valenčna števila ne dajejo pojma o značilnih lastnostih, ki jih kažejo številni atomi v številnih kompleksnih spojinah. Da bi pojasnili sposobnost atomov ali ionov, da tvorijo kompleksne spojine, je bila za atome in ione uvedena nova posebna serija števil, ki se razlikuje od običajnih valenčnih števil. V kompleksnih srebrovih ionih... jih je večina neposredno vezanih na osrednji kovinski atom dva atom ali dve skupini atomov, na primer Ag(NH 3) 2 +, Ag(CN) 2 –, Ag(S 2 O 3) 2 –... Za opis te vezi je koncept koordinacijsko številko in pripišite ionom Ag + koordinacijsko število 2. Kot je razvidno iz navedenih primerov, so skupine, povezane z centralni atom, so lahko nevtralne molekule (NH 3) in ioni (CN –, S 2 O 3 –). Dvovalentni bakrov ion Cu ++ in trivalentni zlati ion Au +++ imata v večini primerov koordinacijsko število 4. Koordinacijsko število atoma seveda še ne pove, kakšna vez obstaja med centralnim atomom in drugi atomi ali skupine atomov, povezane z njim; vendar se je izkazalo za odlično orodje za sistematiko kompleksnih spojin.«

A. Smith daje zelo jasne primere "posebnih lastnosti" kompleksnih spojin v svojem učbeniku:

»Razmislite o naslednjih »molekularnih« spojinah platine: PtCl 4 2NH 3, PtCl 4 4NH 3, PtCl 4 6NH 3 in PtCl 4 2KCl. Natančnejša študija teh spojin razkrije številne izjemne značilnosti. Prva spojina v raztopini praktično ne razpade na ione; električna prevodnost njegovih raztopin je izjemno nizka; srebrov nitrat s seboj ne tvori oborine AgCl. Werner je sprejel, da so atomi klora vezani na atom platine z navadnimi valencami; Werner jih je imenoval glavne, molekule amoniaka pa so z dodatnimi, sekundarnimi valencami povezane z atomom platine. Po Wernerju ima ta spojina naslednjo strukturo:

Veliki oklepaji označujejo celovitost skupine atomov, kompleksa, ki ne razpade, ko se spojina raztopi.

Druga spojina ima drugačne lastnosti od prve; to je elektrolit, električna prevodnost njegovih raztopin je istega reda kot električna prevodnost raztopin soli, ki razpadejo na tri ione (K 2 SO 4, BaCl 2, MgCl 2); srebrov nitrat obori dva od štirih atomov. Po Wernerju je to spojina z naslednjo strukturo: 2– + 2Cl–. Tukaj imamo kompleksen ion; atomi klora v njem niso oborjeni s srebrovim nitratom in ta kompleks tvori notranjo kroglo atomov okoli jedra - atom Pt v spojini atomi klora, ki se odcepijo v obliki ionov, tvorijo zunanjo sfero atomov, zato jih pišemo zunaj velikih oklepajev. Če predpostavimo, da ima Pt štiri glavne valence, potem sta v tem kompleksu uporabljeni samo dve, drugi dve pa držita dva zunanja atoma klora. V prvi spojini so v samem kompleksu uporabljene vse štiri valence platine, zaradi česar ta spojina ni elektrolit.

V tretji spojini se vsi štirje atomi klora oborijo s srebrovim nitratom; visoka električna prevodnost te soli kaže, da proizvaja pet ionov; očitno je njegova struktura naslednja: 4– + 4Cl – ... V kompleksnem ionu so vse molekule amoniaka vezane na Pt s sekundarnimi valencami; kar ustreza štirim glavnim valencam platine, so v zunanji krogli štirje atomi klora.

V četrti spojini srebrov nitrat sploh ne obori klora, električna prevodnost njegovih raztopin kaže na razpad na tri ione, izmenjavalne reakcije pa razkrijejo kalijeve ione. Tej spojini pripisujemo naslednjo strukturo 2– + 2K + . V kompleksnem ionu so uporabljene štiri glavne valence Pt, ker pa glavni valenci dveh atomov klora niso uporabljeni, se lahko dva pozitivna enovalentna iona (2K +, 2NH 4 + itd.) ohranita v zunanji krogli. ”

Navedeni primeri presenetljivih razlik v lastnostih navzven podobnih kompleksov platine dajejo idejo o težavah, s katerimi so se srečevali kemiki, ko so poskušali nedvoumno določiti valenco.

Po ustvarjanju elektronskih idej o strukturi atomov in molekul se je koncept "elektrovalence" začel široko uporabljati. Ker lahko atomi dajejo in sprejemajo elektrone, je elektrovalentnost lahko pozitivna ali negativna (danes se namesto elektrovalentnosti uporablja koncept oksidacijskega stanja). Kako skladne so bile nove elektronske ideje o valenci s prejšnjimi? N. Bjerrum v že citiranem učbeniku o tem piše: »Med običajnimi valenčnimi števili in novimi uvedenimi števili - elektrovalentnostjo in koordinacijskim številom - obstaja določena odvisnost, nikakor pa nista identična. Stari koncept valence se je razdelil na dva nova koncepta.« Ob tej priložnosti je Bjerrum podal pomembno opombo: »Koordinacijsko število ogljika je v večini primerov 4, njegova elektrovalenca pa +4 ali –4. Ker obe številki običajno sovpadata za atom ogljika, so ogljikove spojine neprimerne za preučevanje razlike med tema dvema pojmoma.«

V okviru elektronske teorije kemijske vezi, razvite v delih ameriškega fizikalnega kemika G. Lewisa in nemškega fizika W. Kossela, so se pojavili pojmi, kot sta donorska in akceptorska (koordinacijska) vez in kovalenca. V skladu s to teorijo je bila valenca atoma določena s številom njegovih elektronov, ki sodelujejo pri tvorbi skupnih elektronskih parov z drugimi atomi. V tem primeru je bila upoštevana največja valenca elementa enako številu elektronov v zunanji elektronski ovojnici atoma (sovpada s številko skupine periodnega sistema, ki ji element pripada). Po drugih idejah, ki temeljijo na kvantno kemijskih zakonih (razvila sta jih nemška fizika W. Heitler in F. London), ne bi smeli šteti vseh zunanjih elektronov, temveč le neparne (v osnovnem ali vzbujenem stanju atoma) ; Točno to je definicija, podana v številnih kemijskih enciklopedijah.

Znana pa so dejstva, ki v to ne sodijo preprost diagram. Tako lahko v številnih spojinah (na primer v ozonu) par elektronov ne vsebuje dveh, ampak treh jeder; v drugih molekulah lahko kemično vez izvede en sam elektron. Takšnih povezav je nemogoče opisati brez uporabe aparata kvantne kemije. Kako lahko na primer določimo valenco atomov v spojinah, kot so pentaboran B 5 H 9 in drugi borani z »mostnimi« vezmi, v katerih je atom vodika vezan na dva atoma bora hkrati; ferocen Fe(C 5 H 5) 2 (atom železa z oksidacijskim stanjem +2 je vezan na 10 atomov ogljika hkrati); železov pentakarbonil Fe(CO) 5 (atom železa v ničelnem oksidacijskem stanju je vezan na pet ogljikovih atomov); Natrijev pentakarbonil kromat Na 2 Cr(CO) 5 (oksidacijsko stanje kroma-2)? Takšni »neklasični« primeri niso prav nič izjema. Z razvojem kemije je bilo takšnih »valenčnih kršiteljev« in spojin z različnimi »eksotičnimi valencami« čedalje več.

Da bi se izognili nekaterim težavam, je bila podana definicija, po kateri je treba pri določanju valence atoma upoštevati skupno število neparnih elektronov, osamljenih elektronskih parov in prostih orbital, ki sodelujejo pri tvorbi kemičnih vezi. Prazne orbitale so neposredno vključene v tvorbo donorsko-akceptorskih vezi v različnih kompleksnih spojinah.

Eden od zaključkov je, da je razvoj teorije in pridobivanje novih eksperimentalnih podatkov privedlo do dejstva, da so poskusi doseganja jasnega razumevanja narave valence ta koncept razdelili na številne nove koncepte, kot so glavna in sekundarna valenca, ionska valenca in kovalentnost, koordinacijsko število in stopnja oksidacije itd. To pomeni, da se je koncept "valence" "razcepil" na več neodvisnih konceptov, od katerih vsak deluje na določenem področju. Očitno ima tradicionalni koncept valence jasen in nedvoumen pomen samo za spojine, v katerih so vse kemijske vezi dvocentrične (tj. povezujejo samo dva atoma) in vsako vez izvaja par elektronov, ki se nahaja med dvema sosednjima atomoma, v z drugimi besedami - za kovalentne spojine, kot so HCl, CO 2, C 5 H 12 itd.

Drugi sklep ni povsem običajen: izraz "valenca", čeprav se uporablja v sodobni kemiji, ima zelo omejeno uporabo, poskusi, da bi mu dali nedvoumno definicijo "za vse priložnosti", niso zelo produktivni in komaj potrebni. Ni brez razloga, da se avtorji številnih učbenikov, zlasti tistih, ki so izšli v tujini, tega koncepta sploh ne opustijo ali pa se omejujejo na poudarjanje, da ima pojem "valenca" predvsem zgodovinski pomen, medtem ko zdaj kemiki večinoma uporabljajo pogostejši, čeprav nekoliko umeten koncept "oksidacijskega stanja".

Ilya Leenson

Valenca. Določitev valence. Elementi s konstantno valenco.

Slikovito rečeno je valenca število »rok«, s katerimi se atom oprime drugih atomov. Seveda atomi nimajo "rok"; njihovo vlogo igrajo ti. valenčni elektroni.

Lahko rečeš drugače: Valenca je sposobnost atoma danega elementa, da veže določeno število drugih atomov.

Naslednja načela je treba jasno razumeti:

Obstajajo elementi s konstantno valenco (teh je razmeroma malo) in elementi s spremenljivo valenco (teh je večina).

Zapomniti si je treba elemente s konstantno valenco:

Preostali elementi imajo lahko različne valence.

Najvišja valenca elementa v večini primerov sovpada s številko skupine, v kateri se element nahaja.

Na primer, mangan je v skupini VII (stranska podskupina), najvišja valenca Mn je sedem. Silicij se nahaja v skupini IV (glavna podskupina), njegova najvišja valenca je štiri.

Ne smemo pa pozabiti, da najvišja valenca ni vedno edina možna. Najvišja valenca klora je na primer sedem (o tem se prepričajte!), vendar so znane spojine, v katerih ima ta element valence VI, V, IV, III, II, I.

Pomembno si je zapomniti nekaj izjeme: največja (in edina) valenca fluora je I (in ne VII), kisik - II (in ne VI), dušik - IV (sposobnost dušika, da pokaže valenco V, je priljubljen mit, ki ga najdemo celo v nekaterih šolah učbeniki).

Valenca in oksidacijsko stanje nista enaka pojma.

Ti koncepti so precej blizu, vendar jih ne smete zamenjati! Oksidacijsko stanje ima predznak (+ ali -), valenca pa ne; oksidacijsko stanje elementa v snovi je lahko nič, valenca je nič le, če imamo opravka z izoliranim atomom; številčna vrednost oksidacijskega stanja morda NE sovpada z valenco. Na primer, valenca dušika v N 2 je III, oksidacijsko stanje pa = 0. Valenca ogljika v mravljični kislini je = IV, oksidacijsko stanje pa = +2.

Če je znana valenca enega od elementov v binarni spojini, je mogoče ugotoviti valenco drugega.

To se naredi precej preprosto. Zapomnite si formalno pravilo: zmnožek števila atomov prvega elementa v molekuli in njegove valence mora biti enak podobnemu zmnožku za drugi element.

Primer 1. Poiščite valence vseh elementov v spojini NH 3.

rešitev. Poznamo valenco vodika – ta je konstantna in enaka I. Valenco H pomnožimo s številom vodikovih atomov v molekuli amoniaka: 1 3 = 3. Zato je za dušik produkt 1 (število atomov N) z X (valenca dušika) mora biti prav tako enaka 3. Očitno je X = 3. Odgovor: N(III), H(I).

Primer 2. Poiščite valence vseh elementov v molekuli Cl 2 O 5.

rešitev. Kisik ima konstantno valenco (II), molekula tega oksida vsebuje pet atomov kisika in dva atoma klora. Naj bo valenca klora = X. Sestavimo enačbo: 5 2 = 2 X. Očitno je X = 5. Odgovor: Cl(V), O(II).

Primer 3. Poiščite valenco klora v molekuli SCl 2, če je znano, da je valenca žvepla II.

rešitev. Če nam avtorji problema ne bi povedali valence žvepla, ga ne bi bilo mogoče rešiti. Tako S kot Cl sta elementa s spremenljivo valenco. Ob upoštevanju Dodatne informacije, je rešitev sestavljena po shemi primerov 1 in 2. Odgovor: Cl(I).

Če poznate valence dveh elementov, lahko ustvarite formulo za binarno spojino.

V primerih 1 - 3 smo določili valenco po formuli, zdaj pa poskusimo narediti obratni postopek.

Primer 4. Napišite formulo za spojino kalcija in vodika.

rešitev. Znani sta valenci kalcija in vodika - II oziroma I. Naj bo formula želene spojine Ca x H y. Ponovno sestavimo dobro znano enačbo: 2 x = 1 y. Kot eno od rešitev te enačbe lahko vzamemo x = 1, y = 2. Odgovor: CaH 2.

"Zakaj ravno CaH 2? - vprašate. - Navsezadnje različice Ca 2 H 4 in Ca 4 H 8 in celo Ca 10 H 20 niso v nasprotju z našim pravilom!"

Odgovor je preprost: vzemite minimum možne vrednosti x in y. V danem primeru sta ti minimalni (naravni!) vrednosti natančno 1 in 2.

»Torej, spojine, kot sta N 2 O 4 ali C 6 H 6, so nemogoče?« vprašate. »Ali je treba te formule nadomestiti z NO 2 in CH?«

Ne, možne so. Poleg tega sta N 2 O 4 in NO 2 popolnoma različni snovi. Toda formula CH sploh ne ustreza nobeni resnični stabilni snovi (za razliko od C 6 H 6).

Kljub vsemu povedanemu lahko v večini primerov sledite pravilu: vzemite najmanjše vrednosti indeksi.

Primer 5. Napiši formulo za spojino žvepla in fluora, če je znano, da je valenca žvepla šest.

rešitev. Naj bo formula spojine S x F y . Podana je valenca žvepla (VI), valenca fluora je konstantna (I). Ponovno oblikujemo enačbo: 6 x = 1 y. Zlahka je razumeti, da sta najmanjši možni vrednosti spremenljivk 1 in 6. Odgovor: SF 6.

Tukaj so pravzaprav vse glavne točke.

Sedaj pa preveri sam! Predlagam, da greste skozi kratko test na temo "Valentnost".

Kemijska formula odraža sestavo (strukturo) kemične spojine ali enostavne snovi. Na primer, H 2 O - dva atoma vodika sta povezana z atomom kisika. Kemijske formule vsebujejo tudi nekaj informacij o strukturi snovi: na primer Fe(OH) 3, Al 2 (SO 4) 3 - te formule označujejo nekatere stabilne skupine (OH, SO 4), ki so del snovi - njene molekula, formula ali strukturna enota (FU ali SE).

Molekulska formula označuje število atomov vsakega elementa v molekuli. Molekulska formula opisuje le snovi z molekulsko zgradbo (pline, tekočine in nekatere trdne snovi). Sestavo snovi z atomsko ali ionsko strukturo lahko opišemo samo s simboli formulske enote.

Enote formule označujejo najpreprostejše razmerje med številom atomov različnih elementov v snovi. Na primer, formula enote benzena je CH, molekulska formula je C 6 H 6.

Strukturna (grafična) formula označuje vrstni red povezovanja atomov v molekuli (pa tudi v PU in CE) in število vezi med atomi.

Upoštevanje takšnih formul je pripeljalo do ideje o valenca(valentia - moč) - kot sposobnost atoma danega elementa, da nase veže določeno število drugih atomov. Ločimo lahko tri vrste valence: stehiometrično (vključno z oksidacijskim stanjem), strukturno in elektronsko.

Stehiometrična valenca. Kvantitativni pristop k določanju valence se je izkazal za možnega po vzpostavitvi pojma "ekvivalent" in njegovi opredelitvi v skladu z zakonom ekvivalentov. Na podlagi teh konceptov lahko predstavimo idejo o stehiometrična valenca je število ekvivalentov, ki jih lahko dani atom pritrdi nase, ali je število ekvivalentov v atomu. Ekvivalenti so določeni s številom vodikovih atomov, potem V сх dejansko pomeni število vodikovih atomov (ali njemu enakovrednih delcev), s katerimi dani atom interagira.

V stx = Z B ali V stx = . (1,1)

Na primer, v SO 3 ( S= +6) je Z B (S) enako 6 V stx (S) = 6.

Ekvivalent vodika je 1, zato je za elemente v spodnjih spojinah Z B (Cl) = 1, Z B (O) = 2, Z B (N) = 3 in Z B (C) = 4. Številčna vrednost stehiometrična valenca je običajno označena z rimskimi številkami:

I I I II III I IV I

HCl, H2O, NH3, CH4.

V primerih, ko se element ne kombinira z vodikom, se valenca iskanega elementa določi iz elementa, katerega valenca je znana. Najpogosteje ga najdemo s kisikom, saj je njegova valenca v spojinah običajno enaka dve. Na primer v povezavah:

II II III II IV II

CaO Al 2 O 3 CO 2.

Pri določanju stehiometrične valence elementa s formulo binarne spojine je treba zapomniti, da mora biti skupna valenca vseh atomov enega elementa enaka skupni valenci vseh atomov drugega elementa.

Če poznamo valenco elementov, lahko sestavimo kemijska formula snovi. Pri sestavljanju kemijskih formul lahko sledite naslednjemu postopku:

1. Ob kemijskih simbolih zapiši elemente, ki sestavljajo spojino: KO AlCl AlO ;

2. Njihova valenca je navedena nad simboli kemičnih elementov:

I II III I III II

3. S pomočjo zgornjega pravila določite najmanjši skupni večkratnik števil, ki izražajo stehiometrično valenco obeh elementov (2, 3 oziroma 6).

Če najmanjši skupni večkratnik delimo z valenco ustreznega elementa, dobimo indekse:

I II III I III II

K 2 O AlCl 3 Al 2 O 3 .

Primer 1. Sestavite formulo za klorov oksid, pri čemer veste, da je klor v njem sedemvalenten, kisik pa dvovalenten.

rešitev. Najdemo najmanjši večkratnik števil 2 in 7 - enak je 14. Če najmanjši skupni večkratnik delimo s stehiometrično valenco ustreznega elementa, dobimo indekse: za atome klora 14/7 = 2, za atome kisika 14 /2 = 7.

Formula oksida je -Cl 2 O 7.

Oksidacijsko stanje označuje tudi sestavo snovi in ​​je enaka stehiometrični valenci z znakom plus (za kovino ali bolj elektropozitiven element v molekuli) ali minus.

 = ±V stx. (1,2)

w je definiran skozi V stx, torej preko ekvivalenta, kar pomeni, da je w(H) = ±1; nadalje lahko w vseh drugih elementov v različnih spojinah ugotovimo eksperimentalno. Zlasti je pomembno, da imajo številni elementi vedno ali skoraj vedno stalna oksidacijska stanja.

Koristno si je zapomniti naslednja pravila za določanje oksidacijskih stanj.

1. w(H) = ±1 (. w = +1 v H 2 O, HCl; . w = –1 v NaH, CaH 2);

2. F(fluor) ima v vseh spojinah w = –1, ostali halogeni s kovinami, vodikom in drugimi bolj elektropozitivnimi elementi pa tudi w = –1.

3. Kisik v navadnih spojinah ima. w = –2 (izjeme so vodikov peroksid in njegovi derivati ​​– H 2 O 2 ali BaO 2, pri katerih ima kisik oksidacijsko stanje –1, kot tudi kisikov fluorid OF 2, pri katerem je oksidacijsko stanje kisika +2 ).

4. Alkalijske (Li – Fr) in zemeljsko alkalijske (Ca – Ra) kovine imajo vedno oksidacijsko stanje, ki je enako številu skupine, to je +1 oziroma +2;

5. Al, Ga, In, Sc, Y, La in lantanidi (razen Ce) – w = +3.

6. Najvišja stopnja oksidacije elementa je enaka številki skupine periodnega sistema, najnižja pa = (številka skupine - 8). Na primer, najvišji w (S) = +6 v SO 3, najnižji w = -2 v H 2 S.

7. Predpostavimo, da so oksidacijska stanja enostavnih snovi enaka nič.

8. Oksidacijska stanja ionov so enaka njihovim nabojem.

9. Oksidacijska stanja elementov v spojini se med seboj izničijo, tako da je njihova vsota za vse atome v molekuli ali nevtralni formulski enoti enaka nič, za ion pa njegov naboj. To je mogoče uporabiti za določanje neznanega oksidacijskega stanja iz znanih in ustvarjanje formul za večelementne spojine.

Primer 2. Določite stopnjo oksidacije kroma v soli K 2 CrO 4 in v ionu Cr 2 O 7 2 - .

rešitev. Sprejemamo w(K) = +1; w(O) = -2. Za strukturno enoto K 2 CrO 4 imamo:

2 . (+1) + X + 4 . (-2) = 0, torej X = w(Cr) = +6.

Za ion Cr 2 O 7 2 - imamo: 2 . X + 7 . (-2) = -2, X = w(Cr) = +6.

To pomeni, da je oksidacijsko stanje kroma v obeh primerih enako.

Primer 3. Določite stopnjo oksidacije fosforja v spojinah P 2 O 3 in PH 3.

rešitev. V spojini P 2 O 3 w(O) = -2. Na podlagi dejstva, da mora biti algebraična vsota oksidacijskih stanj molekule enako nič, najdemo oksidacijsko stanje fosforja: 2. X + 3. (-2) = 0, torej X = w(P) = +3.

V spojini PH 3 je w(H) = +1, zato je X + 3.(+1) = 0. X =w(P) =-3.

Primer 4. Napišite formule oksidov, ki jih lahko dobimo s termično razgradnjo spodaj navedenih hidroksidov:

H2Si03; Fe(OH)3; H3AsO4; H2WO4; Cu(OH)2.

rešitev. H 2 SiO 3 - določimo oksidacijsko stanje silicija: w(H) = +1, w(O) =-2, torej: 2. (+1) + X + 3 . (-2) = 0.w(Si) = X = +4. Sestavimo formulo oksida-SiO 2.

Fe(OH) 3 - naboj hidrokso skupine je -1, torej w(Fe) = +3 in formula ustreznega oksida je Fe 2 O 3.

H 3 AsO 4 - oksidacijsko stanje arzena v kislini: 3. (+1) +X+ 4 . (-2) = 0.X=w(As) = +5. Tako je formula oksida As 2 O 5.

H 2 WO 4 -w(W) v kislini je +6, zato je formula ustreznega oksida WO 3.

Cu(OH) 2 - ker obstajata dve hidrokso skupini, katerih naboj je -1, torej w(Cu) = +2 in formula oksida je -CuO.

Večina elementov ima več oksidacijskih stanj.

Razmislimo, kako z uporabo tabele D.I. Mendelejev lahko določi glavna oksidacijska stanja elementov.

Stabilna oksidacijska stanja elementi glavnih podskupin se lahko določi po naslednjih pravilih:

1. Elementi skupin I-III imajo samo eno oksidacijsko stanje - pozitivno in enako vrednosti številkam skupine (razen talija, ki ima w = +1 in +3).

Za elemente skupin IV-VI poleg pozitivnega oksidacijskega stanja, ki ustreza številki skupine, in negativnega, ki je enak razliki med številko 8 in številko skupine, obstajajo tudi vmesna oksidacijska stanja, ki se običajno razlikujejo za 2. enote. Za skupino IV so oksidacijska stanja +4, +2, -2, -4; za elemente skupine V, oziroma -3, -1 +3 +5; in za skupino VI - +6, +4, -2.

3. Elementi skupine VII imajo vsa oksidacijska stanja od +7 do -1, ki se razlikujejo za dve enoti, tj. +7, +5, +3, +1 in -1. V skupini halogenov se sprošča fluor, ki nima pozitivnih oksidacijskih stanj in v spojinah z drugimi elementi obstaja samo v enem oksidacijskem stanju -1. (Obstaja več halogenskih spojin z enakimi oksidacijskimi stopnjami: ClO, ClO 2 itd.)

Elementi stranske podskupine med stabilnimi oksidacijskimi stopnjami in številom skupine ni enostavne povezave. Za nekatere elemente sekundarnih podskupin si je treba preprosto zapomniti stabilna oksidacijska stanja. Ti elementi vključujejo:

Cr (+3 in +6), Mn (+7, +6, +4 in +2), Fe, Co in Ni (+3 in +2), Cu (+2 in +1), Ag (+1) ), Au (+3 in +1), Zn in Cd (+2), Hg (+2 in +1).

Za sestavljanje formul za tri- in večelementne spojine glede na oksidacijska stanja je potrebno poznati oksidacijska stanja vseh elementov. V tem primeru je število atomov elementov v formuli določeno iz pogoja, da je vsota oksidacijskih stanj vseh atomov enaka naboju enote formule (molekule, iona). Na primer, če je znano, da nenabita enota formule vsebuje atome K, Cr in O z oksidacijskimi stanji enakimi +1, +6 in -2, potem bo ta pogoj izpolnjen s formulami K 2 CrO 4, K 2 Cr 2 O 7, K 2 Cr 3 O 10 in mnogi drugi; podobno bo ta ion z nabojem -2, ki vsebuje Cr +6 in O - 2, ustrezal formulam CrO 4 2 -, Cr 2 O 7 2 -, Cr 3 O 10 2 -, Cr 4 O 13 2 - itd.

3. Elektronska valenca V - število kemičnih vezi, ki jih tvori določen atom.

Na primer v molekuli H 2 O 2 H ¾ O

V stx (O) = 1, V c.h. (O) = 2, V .(O) = 2

To pomeni, da obstajajo kemične spojine, v katerih stehiometrične in elektronske valence ne sovpadajo; te vključujejo na primer kompleksne spojine.

Koordinacija in elektronske valence so podrobneje obravnavane v temah “Kemijska vez” in “Kompleksne spojine”.

Iz gradiva lekcije se boste naučili, da je konstantnost sestave snovi razložena s prisotnostjo določenih valenčnih možnosti v atomih kemičnih elementov; se seznanijo s pojmom "valenca atomov kemičnih elementov"; naučijo se določiti valenco elementa po formuli snovi, če je znana valenca drugega elementa.

Tema: Začetne kemijske ideje

Lekcija: Valentnost kemijskih elementov

Sestava večine snovi je stalna. Na primer, molekula vode vedno vsebuje 2 atoma vodika in 1 atom kisika - H 2 O. Postavlja se vprašanje: zakaj imajo snovi stalno sestavo?

Analizirajmo sestavo predlaganih snovi: H 2 O, NaH, NH 3, CH 4, HCl. Vsi so sestavljeni iz atomov dveh kemičnih elementov, od katerih je eden vodik. Na atom kemičnega elementa je lahko 1,2,3,4 vodikovih atomov. Toda v nobeni snovi ne bo na atom vodika moram več atomov drugega kemični element. Tako lahko atom vodika nase veže minimalno število atomov drugega elementa ali bolje rečeno samo enega.

Imenuje se lastnost atomov kemičnega elementa, da nase vežejo določeno število atomov drugih elementov valenca.

Nekateri kemični elementi imajo konstantne valenčne vrednosti (na primer vodik (I) in kisik (II)), drugi lahko kažejo več valenčnih vrednosti (na primer železo (II, III), žveplo (II, IV, VI). ), ogljik(II, IV)), imenujemo jih elementi s spremenljivo valenco. Valenčne vrednosti nekaterih kemijskih elementov so podane v učbeniku.

Če poznamo valence kemičnih elementov, je mogoče razložiti, zakaj ima snov takšno kemijsko formulo. Na primer, formula vode je H 2 O. Označimo valenčne sposobnosti kemičnega elementa z uporabo pomišljajev. Vodik ima valenco I, kisik pa valenco II: H- in -O-. Vsak atom lahko v celoti izkoristi svoje valenčne sposobnosti, če sta dva atoma vodika na atom kisika. Zaporedje povezav atomov v molekuli vode lahko predstavimo kot formulo: H-O-H.

Formula, ki prikazuje zaporedje atomov v molekuli, se imenuje grafični(oz strukturno).

riž. 1. Grafična formula vode

Če poznate formulo snovi, sestavljeno iz atomov dveh kemičnih elementov in valenco enega od njih, lahko določite valenco drugega elementa.

Primer 1. Določimo valenco ogljika v snovi CH4. Če vemo, da je valenca vodika vedno enaka I, ogljik pa je nase vezal 4 atome vodika, lahko rečemo, da je valenca ogljika enaka IV. Valenca atomov je označena z rimsko številko nad znakom elementa: .

Primer 2. Določimo valenco fosforja v spojini P 2 O 5. Če želite to narediti, morate storiti naslednje:

1. nad predznakom kisika zapišite vrednost njegove valence – II (kisik ima konstantno vrednost valence);

2. pomnožimo valenco kisika s številom kisikovih atomov v molekuli, ugotovimo skupno število valenčnih enot – 2·5=10;

3. Dobljeno skupno število valentnih enot delimo s številom fosforjevih atomov v molekuli – 10:2=5.

Tako je valenca fosforja v tej spojini enaka V – .

1. Emelyanova E.O., Iodko A.G. Organizacija kognitivna dejavnost učenci pri pouku kemije 8.-9. Osnovni zapiski s praktičnimi nalogami, testi: I. del. - M.: Šolska tisk, 2002. (str. 33)

2. Ushakova O.V. Delovni zvezek za kemijo: 8. razred: k učbeniku P.A. Orzhekovsky in drugi "Kemija. 8. razred” / O.V. Ushakova, P.I. Bespalov, P.A. Oržekovski; Spodaj. izd. prof. P.A. Orzhekovsky - M.: AST: Astrel: Profizdat, 2006. (str. 36-38)

3. Kemija: 8. razred: učbenik. za splošno izobraževanje ustanove / P.A. Oržekovski, L.M. Meshcheryakova, L.S. Pontak. M.: AST: Astrel, 2005. (§16)

4. Kemija: inorg. kemija: učbenik. za 8. razred. Splošna izobrazba ustanove / G.E. Rudzitis, F.G. Feldman. – M.: Izobraževanje, OJSC “Moscow Textbooks”, 2009. (§§11,12)

5. Enciklopedija za otroke. Zvezek 17. Kemija / Pogl. ur.V.A. Volodin, Ved. znanstveni izd. I. Leenson. – M.: Avanta+, 2003.

Dodatni spletni viri

1. Enotna zbirka digitalnih izobraževalnih virov ().

2. Elektronska različica revije "Chemistry and Life" ().

Domača naloga

1. str.84 št.2 iz učbenika "Kemija: 8. razred" (P.A. Orzhekovsky, L.M. Meshcheryakova, L.S. Pontak. M.: AST: Astrel, 2005).

2. z. 37-38 št. 2,4,5,6 iz delovnega zvezka za kemijo: 8. razred: k učbeniku P.A. Orzhekovsky in drugi "Kemija. 8. razred” / O.V. Ushakova, P.I. Bespalov, P.A. Oržekovski; Spodaj. izd. prof. P.A. Orzhekovsky - M.: AST: Astrel: Profizdat, 2006.