Валентности
Когда люди представляли себе строение материи, они думали про шарики и представляли их соединение друг с другом какими-то пружинками, образующими молекулы. К концу XVIII века люди научились достаточно точно определять количество атомов различных химических элементов, входящих в состав молекул и из этого делали выводы о том, сколько связей какой атом может образовывать. Например, что атомы водорода всегда образуют одну связь, а кислорода - две. Всего лишь через век был предложен термин валентность.
Валентность - число химических связей, образуемых атомом химического элемента с соседними атомами в данной молекуле, обозначаемое римскими цифрами.
За единицу валентности взяли одну связь атома водорода, в то время как у атома кислорода - две связи. На основе летучих водородных соединений и оксидов элементов установили валентности многих других элементов: например в сероводороде (H₂S) валентность серы равна II, а в её высшем оксиде (SO₃) VI. Проблемы такого подхода связаны с тем, что некоторые элементы могут проявлять разные валентности: валентности углерода в его оксидах CO и CO₂ соответственно равны II и IV, или не образовывать соединения с водородом.
Вот список элементов, у которых валентности постоянные и часто используются в рамках школьной химии:
- литий (Li), натрий (Na), калий (K), рубидий (Rb) и цезий (Cs) - валентность I
- бериллий (Be), магний (Mg), кальций (Ca), стронций (Sr), барий (Ba) и цинк (Zn) - валентность II
- алюминий (Al) - валентность III
Для понимания причин возникновения тех или иных валентностей обратимся к пройденной теме строения атома. Атомы, похожие на шарики, при приближении друг к другу могут начать взаимодействовать: притягиваться или отталкиваться. Это взаимодействие связано с внешней электронной оболочкой, описываемой их валентными электронами. Можно заметить, что некоторые элементы, которые называют благородными или инертными газами, ни к кому значительно не притягиваются, как бы их не двигали относительно друг друга. При этом каждый благородный газ заканчивает свой период, значит у него максимально возможное количество валентных электронов на уровне. Из этого можно сделать логический вывод, что атомы могут перестать образовывать новые связи, если у них заполнится их валентный уровень. Причём для этого они могут как найти где-то недостающие электроны для заполнения валентного уровня (например 2 электрона для атома серы соответствуют валентности II) или же отдать все валентные электроны, обнажая уже заполненный внутренний уровень (например сера готова отдать все 6 валентных электрона, обнажая заполненный второй уровень и проявляя валентность VI). В обоих случаях элемент становится похож по количеству валентных электронов на какой-то благородный газ.
Оказалось, что элементы, которые мы называем металлами, всегда отдают свои валентные электроны, а неметаллы чаще всего забирают недостающие электроны или иногда отдают свои валентные электроны. Этим двух крайним по действиям валентностям дали названия высшей и низшей валентностей, соответственно.
Высшая валентность определяется количеством электронов, которые атом элемента может максимально отдать соседям, проявляя металлические свойства, и почти всегда равна номеру группы этого элемента
Cера находится в VI группе, у неё 6 валентных электронов, которые может отдать, поэтому у атомов серы высшая валентность равна VI.
Низшая валентность определяется количество электронов, которые атом элемента может максимально забрать у соседей, проявляя неметаллические свойства, и равна разности восьми и номера группы (8 - № группы).
Cера находится в VI группе, у неё 6 валентных электронов и не хватает ещё 2 электронов для заполнения валентного уровня, поэтому у атомов серы низшая валентность равна II.
Кроме этого возможны различные промежуточные по значениям и поведению валентности.
В молекулярных формулах почти всегда на первом месте ставят символ элемента, который отдаёт соседу свои электроны, а "отжиматель" электронов - на втором месте. Зная валентности двух элементов, мы через их наименьшее общее кратное (НОК, привет из 5-ого класса математики) может определить необходимое количество химических связей для каждого элемента.
Всё было бы ничего, да только большинство соединений являются не бинарными (то есть состоят из атомов более двух химических элементов), и даже зная валентности каждого элемента, становится проблематично установить количество их атомов в данной молекуле. И для решения этой проблемы мы будем чаще использовать Степени окисления.
Что изучают на уроках химии: полный план