Валентность химических элементов - как определить

Валентность химических элементов - фундаментальное понятие, позволяющее понять природу химической связи и способность атомов к соединению. Знание валентности дает возможность теоретически предсказывать формулы соединений, не прибегая к эксперименту.

Что такое валентность химических элементов

Валентность химических элементов характеризует способность атома соединяться с атомами других элементов. Количественной мерой валентности является число ковалентных связей, которое образует атом с другими атомами.

Валентность - способность атома химического элемента образовывать определенное число химических связей с атомами других элементов

Таким образом, зная "валентность химических элементов", мы можем представить, сколько атомов каждого элемента войдет в состав конкретного вещества. Это помогает записать верную химическую формулу без проведения эксперимента.

Постоянная и переменная валентность

Различают элементы с постоянной и переменной валентностью. К элементам с постоянной валентностью относятся:

• Водород - 1
• Кислород - 2
• Фтор - 1
• Хлор - 1
• Бром - 1

Эти элементы проявляют только одно значение валентности во всех образуемых соединениях.

Переменную "валентность химических элементов" демонстрируют элементы побочных подгрупп Периодической системы (металлы), а также неметаллы:

• Азот - 3, 4, 5
• Углерод - 2, 4
• Сера - 2, 4, 6

Такие элементы способны проявлять разную валентность в зависимости от образующегося соединения.

Как определить валентность химических элементов

Существует несколько способов определения валентности химических элементов:

1. По положению элемента в Периодической системе Д.И. Менделеева. Для металлов главных подгрупп валентность численно равна номеру группы. Для элементов побочных подгрупп максимальная валентность также равна номеру группы.
2. По формуле химического соединения. Если известна валентность одного элемента, то по индексам можно рассчитать валентность второго элемента в соединении.
3. Исходя из строения внешнего электронного слоя атома. Максимальная валентность элемента численно равна количеству неспаренных электронов в атоме.

Таким образом, зная положение элемента в Периодической системе и особенности строения его атома, можно теоретически предсказать "валентность химических элементов" в образуемых соединениях.

Практическое применение валентности

Знание валентности элементов необходимо для:

1. Составления химических формул по известным элементам.
2. Прогнозирования химических свойств веществ по валентности элементов.
3. Объяснения закономерностей изменения свойств элементов в Периодической системе.

Рассмотрим пример составления формулы химического соединения по известным валентностям элементов. Допустим, требуется определить формулу соединения серы и кислорода. Процедура будет следующей:

1. Записываем символы элементов: S и O.
2. Валентность S = 6, O = 2.
3. Находим наименьшее общее кратное для 6 и 2. Это число 6.
4. Делим его на значения валентностей: 6/6 = 1 (индекс серы); 6/2 = 3 (индекс кислорода).

Получаем формулу оксида серы(VI) - SO₃. Данный метод позволяет находить формулы различных неорганических соединений, зная только валентности входящих в их состав элементов.

Расчет валентности по формуле соединения

Как определить валентность химических элементов, если известна формула образуемого ими вещества? Для этого можно воспользоваться следующим алгоритмом:

1. Записать формулу вещества и определить элементы, которые в него входят.
2. Записать известную валентность одного из элементов в этом соединении.
3. Умножить записанную валентность на индекс этого элемента в формуле.
4. Полученное число разделить на индекс второго элемента.
5. Частное покажет валентность второго элемента в данном соединении.

Рассмотрим пример для оксида хрома Сро 3. Известно, что О - двухвалентный. Тогда:

В(О) = 2
Индекс О = 3 2 ∙ 3 = 6 - валентные возможности использованные атомами О 6 / 1 (индекс Cr) = 6 Валентность Cr = 6

Валентность и строение атома

Согласно современным представлениям "химии", валентность определяется строением электронных оболочек атома. Атом стремится приобрести электронную конфигурацию ближайшего инертного газа, отдавая, принимая или обмениваясь электронами с другими атомами. Так образуется ковалентная химическая связь.

Максимально возможная валентность элемента равна числу неспаренных электронов на внешнем энергетическом уровне его атома. Это следует из правила октета: атом стремится иметь 8 валентных электронов на внешней оболочке (исключением является водород, у которого их может быть только 2).

Валентность и Периодическая система

В химии валентность химических элементов неразрывно связана с их положением в Периодической системе Д.И. Менделеева. Элементы в главных подгруппах проявляют валентность, равную номеру группы. Это объясняется постоянным числом валентных электронов.

В побочных подгруппах число валентных электронов может меняться, поэтому элементы в них могут иметь переменную валентность от 1 до 7 (максимальная валентность равна 8 минус номер группы).

Таким образом, положение в периодической таблице задает пределы валентности, которую может проявлять элемент в соединениях.

Валентность неметаллов

У неметаллов обычно наблюдаются две валентности:

1. Высшая в кислородных соединениях
2. Низшая – в соединениях с водородом и металлами

Например, для азота:

• Высшая валентность = 5 (в N₂O₅)
• Низшая валентность = 3 (в NH₃)

При образовании соединений двух неметаллов высшую валентность проявляет элемент, стоящий в Периодической системе левее, а низшую – элемент, расположенный правее.

Изменение валентности в ряду химических элементов

В рядах химических элементов Периодической системы наблюдаются закономерности изменения степеней окисления и валентности.

Например, в ряду хлор - сера - селен - теллур валентность сначала возрастает от 1 до 6, а затем убывает обратно до 2. Это объясняется особенностями заполнения электронных орбиталей атомов элементов данного ряда.

Подобные закономерности прослеживаются и для d-элементов - элементов побочных подгрупп. Например, для ряда хром - марганец - железо максимальные степени окисления изменяются от +6 до +7, а затем до +3.

Амфотерные свойства некоторых элементов

Особенностью атомов некоторых химических элементов является способность проявлять как кислотные, так и оснóвные свойства. Такие элементы называются амфотерными.

К ним относятся бериллий, алюминий, цинк, висмут, сурьма и др. В зависимости от среды они могут отдавать и присоединять электроны, то есть вступать в реакции как с кислотами, так и с основаниями.

Амфотерность обусловлена особенностями электронного строения атомов этих элементов и их положением в Периодической системе.

Влияние условий на валентность

Как уже отмечалось, один и тот же элемент может проявлять различную валентность в зависимости от условий.

Так, железо в соединениях с кислородом и хлором имеет степень окисления +3 (Fe2O3, FeCl3), а в соединениях с бромом и йодом - +2 (FeBr2, FeI2).

Это связано с особенностями взаимодействия атома железа с более и менее электроотрицательными элементами (кислород и галогены).

Редокс-свойства и валентные состояния

Переход элемента из одного валентного состояния в другое играет важную роль в окислительно-восстановительных реакциях.

Например, в реакции иона двухвалентного железа Fe2+ с перманганат-ионом MnO 4− ион железа окисляется до трехвалентного состояния Fe3+, а ион MnO 4− при этом восстанавливается до Mn2+:

5Fe2+ + MnO 4− + 8H+ → 5Fe3+ + Mn2+ + 4H2O