Валентность

Итак, мы знакомы с электронной конфигурацией атома и ионами. Мир был бы слишком прост, если бы нам этого хватило для понимания устройства взаимодействия атомов. На деле всё оказывается сложнее, поэтому ничего не остаётся, как углубиться в химию процесса. Учёные пока не дают нам простого описания, почему те или иные атомы складываются в молекулы и единственной возможностью на сегодня является исключительно знание о существующих веществах. База существующих химических соединений хранится в базе данных IUPAC.

Устойчивая конфигурация

Общее электронное облако в соединении создаёт для атомов иллюзию устойчивой электронной конфигурации - конфигурации, в которой заполнены внешние энергетические уровни каждого из атомов. На примере молекулы воды H₂O - электронная конфигурация водорода 1s¹ и электронная конфигурация кислорода - 1s²2s²2p⁴, для кислорода устойчивые конфигурации будут 1s²2s²2p⁶ и 1s²2s², но на практике электронной конфигурации O⁴⁺ замечено не было, возможно, потому что оторвать четыре электрона достаточно тяжело. Поэтому ближайшая стабильная будет O^2-. Для водорода как отнять, так и прибавить электрон достаточно легко, поэтому обе конфигурации 1s⁰ и 1s² для него возможны, поэтому его устойчивые состояния в соединении это H⁺ и H^-.

Вопрос 1. Какую устойчивую конфигурацию проще всего принять хлору?

По какому пути пойдёт изменение электронной конфигурации водорода и кислорода в соединении H₂O? Оба атома водорода должны будут принять одинаковые состояния, т.к. если они примут противоположные - они соединятся друг с другом и приняв устойчивое положение перестанут вступать в реакцию с кем бы то ни было. Для кислорода проще принять два электрона, чем отдать четыре - просто потому, что два меньше чем четыре. Исходя из этого, кислород, вероятнее, займёт конфигурацию O^2-, а водород H⁺, в результате их соединения образуется нейтральное соединение - молекула, которая не имеет заряда H₂O.

Вопрос 2. Какая степень окисления у кислорода в соединении H₂O?

Количество связей

В соединении молекулы воды кислород разделяет электронное облако с двумя атомами водорода. В модели молекулы мы изображаем такое совместное использование с помощью линий, например H-O-H - здесь две линии связаны с кислородом, по одной у водорода. В случае 3D-модели - атом имеет форму сферы, а соединения форму трубок между ними. Количество таких связей называют валентностью.

Не всегда связь бывает одинарной, в некоторых случаях она бывает двойной или тройной - такие связи суммируют своё число к валентности. Например, азот, который имеет электронную конфигурацию 1s² 2s² 2p³, образует молекулу азота N₂, в которой один атом имеет степень окисления +3, другой -3, вместе они образуют электронейтральную молекулу и каждый из них имеет тройную связь. В данном случае, соединяются два атома, но количество связей - три, валентность будет равна трём.

Часто в тестах встречается вопрос, какая степень окисления азота в молекуле N₂. Правильный ответ - ноль. Причина - в отсутствии смещения электронного облака. В соединениях простых веществ (образованными одним атомом) электронное облако распределено равномерно, что не даёт возможности говорить, что у одного атома положительный, а у другого отрицательный заряд.

В простых веществах степень окисления атомов равна нулю: H₂, N₂, F₂, O₃ и так далее.

Определение валентности, согласно IUPAC:

The maximum number of univalent atoms (originally hydrogen or chlorine atoms) that may combine with an atom of the element under consideration, or with a fragment, or for which an atom of this element can be substituted.

Валентность - максимальное количество одновалентных атомов (изначально водород или хлор), которые могут быть присоединены к рассматриваемым атому, части молекулы [... или тому, чем атом данного элемента может быть заменён].

Итак, я разобрал общее правило определения валентности атома в составе молекулы, далее будут описаны основные правила, которые используются при определении валентности элемента.

Вопрос 3. Какая степень окисления у азота в соединении N₂?

Как определить степень окисления

В периодической таблице элементы сгруппированы, в том числе, по проявляемым степеням окисления. Ниже приведены правила, которые можно использовать при расчёте степени окисления, они освободят от необходимости помнить степени окисления всех элементов.

Правило I

В таблице Менделеева элементы первой группы (первый столбец) в соединениях проявляют степени окисления +1, элементы второй группы — +2, элементы IIIA — +3. Элементы групп старше третьей - чётные группы проявляют чётные, нечётные - нечётные, для обоих - не старше своей группы, так для IVA (14) - +2,+4; для VIA (16) - +2,+4,+6; для VA (15) - +3,+5 (здесь исключение, нет +1); для VIIA (17) - +1,+3,+5,+7;

Правило II

Элементы, которые надо запомнить: Feconi (Fe, Co, Ni) проявляют степени окисления +2 и +3. Cu и Hg - +1 и +2

Правило III

Хром и марганец могут проявлять себя как металлы и как неметаллы: Cr в случае проявления металлических свойств - +2, +3, неметаллических - +6. Марганец - +2, +3 в случае металлических свойств +4,+6,+7 в случае неметаллического проявления.