Химия

Валентные возможности и степени окисления атомов химических элементов

12.2.2023

1512

На этой странице вы узнаете

Действительно ли Менделееву приснилась его таблица?
Что было предшественником валентности?
Лайфхак для определения валентности: как легко узнать валентность элементов в бинарных соединениях?

Вещества реагируют друг с другом, превращаются из одного в другое — буквально волшебство! В этой статье мы будем разбираться, что кроется за этими превращениями и что определяет возможности элементов.

Периодическая система химических элементов Д. И. Менделеева — графическое отображение периодического закона

В 1869 г. Д.И. Менделеев сформулировал один из фундаментальных законов химической науки — периодический закон.

Формулировка периодического закона: «Свойства простых тел, также формы и свойства соединений элементов находятся в периодической зависимости от величины атомных весов элементов.»

Периодический закон — величайшее достижение. После его открытия химия перестала быть просто описательной наукой о различных веществах, появилась почва для более глубокого исследования.

Позднее было установлено, что свойства элементов зависят от их электронной конфигурации. Это значит, что свойства простых веществ и соединений различных элементов находятся в периодической зависимости от порядкового номера (от величины заряда ядра их атомов).

Подробнее об электронной конфигурации можно прочитать в статье «Строение атома и электронные конфигурации».

Самым удобным и распространенным способом графического представления этого закона является таблица. Элементы, расположенные в порядке увеличения их атомного веса, имеют сходные свойства, при этом они повторяются периодически, а не следуют непосредственно друг за другом. Периодический закон объединяет свойства всех известных в настоящий момент химических элементов.

Действительно ли Менделееву приснилась его таблица?

Легенда о том, что периодическая таблица Менделееву однажды приснилась, и после пробуждения он в спешке записал ее на листке — всего лишь выдумка. Причем такая байка звучит даже несколько оскорбительно, она обесценивает труд ученого.

Около двадцати лет Д.И. Менделеев размышлял над закономерностью в свойствах и строении химических элементов, пытался сформулировать законы периодичности, систематизировать полученные ранее знания о валентности, степени окисления и т.д.

Сам Менделеев с иронией говорил: «Я над ней, может быть, двадцать лет думал, а вы говорите: сидел и вдруг… готово».

Порядковый номер элемента, номер периода и группы, их физический смысл

Давайте рассмотрим Периодическую систему более внимательно:

Мы видим, что каждый элемент располагается строго на своем месте в зависимости от своей электронной конфигурации, которая определяет его свойства.

Номер периода показывает число энергетических уровней, на которых вращаются электроны.
Количество электронов в атоме совпадает с порядковым номером элемента.
Наконец, номер группы указывает на высшую валентность.

Валентность — это способность атомов химических элементов образовывать определенное число химических связей с атомами других химических элементов.

Что было предшественником валентности?

Впервые предпосылки для формулировки такого понятия, как валентность появились еще в 1779 году, когда ученые из разных стран начали выдвигать предположения о наличии связей между составными частями вещества. В 1857 году Фридрих Кекуле сделал важное открытие: он определил, что атом углерода может образовывать 4 связи. Позднее другие ученые проводили свои исследования и расширяли сведения о валентности.

Первоначально валентность мерили таким химическим элементом, как водород. Валентность других элементов определялась количеством атомов водорода, которое может присоединить к себе элемент.

Химические связи могут образовываться за счет неспаренных электронов на внешнем энергетическом уровне (ВЭУ), за счет неподеленных электронных пар и свободных орбиталей на ВЭУ. Также есть два основных способа формирования связей: обменный и донорно-акцепторный. В статье «Химическая связь» можно подробнее прочитать о том, как именно образуется химическая связь.

Связь между металлом и неметаллом не принято обозначать «черточкой», так как «черточка» — это ковалентная связь, а связь между металлом и неметаллом — ионная.

Можно представить, как два неметалла, распознав друг в друге родственную душу, протягивают руку, а их рукопожатие мы и видим как «черточку».

Большинство химических элементов проявляют переменную валентность:

Высшая валентность равна номеру группы.
Низшая валентность вычисляется как «8-№ группы».
Промежуточная валентность находится между высшей и низшей.

Как определить валентность элемента? Нужно внимательно изучить расположение его электронов на орбиталях.

Высшая валентность соответствует числу неспаренных электронов на s- и p-орбиталях ВЭУ. Для элементов побочных групп это будут s- и d-орбитали.

В обычном (основном или стационарном) состоянии электроны занимают одно положение, которое закреплено в периодической системе. Но при переходе в возбужденное состояние электроны перераспределяются, меняют свое положение относительно энергетических уровней, из-за чего меняется и валентность атома. Отсюда и появляется вариативность, то есть способность принимать различные значения валентностей атомов.

Рассмотрим пример:

Атом фосфора в стационарном состоянии имеет электронную конфигурацию 1s²2s²2p⁶3s²3p³.

Все его 15 электронов расположены на трех энергетических уровнях. На внешнем энергетическом уровне у нас 5 электронов, из которых 3 неспаренных. Именно эти три электрона могут образовывать связи — валентность фосфора равна трем.

Но у фосфора есть еще и d-орбиталь, которая не заполнена электронами. При переходе в возбужденное состояние спаренные электроны s-подуровня перестают быть спаренными, и один электрон отправляется на d-подуровень.

Теперь мы видим, что на ВЭУ пять неспаренных электронов, и валентность фосфора уже равна пяти.

Но не все элементы способны переходить в возбужденное состояние, у некоторых нет вакантной (свободной) орбитали. Вот список элементов с постоянной валентностью:

Разберем подробнее, каким образом кислород в соединениях образует 3 связи и почему его валентность может быть равна III. Для этого рассмотрим образование молекулы угарного газа (СО).
1) За счет неспаренных электронов атомов углерода и кислорода образовано две связи (обменный механизм).
2) За счет вакантной орбитали атома углерода и спаренных электронов атома кислорода образована третья связь (донорно-акцепторный механизм).
Таким образом, в молекуле СО тройная связь, причем две связи образованы по обменному механизму, а третья — по донорно-акцепторному.

Для закрепления полученной информации давайте попрактикуемся.

Решим пример задания №3 ЕГЭ по химии, так как при его решении может пригодиться информация о валентности или степени окисления атома.

Задание. Из числа указанных в ряду элементов выберите два элемента, которые в соединениях проявляют постоянную валентность, равную I. Запишите в поле ответа номера выбранных элементов.

Ряд химических элементов: 1) Na 2) Be 3) Al 4) Ba 5) Li

Решение.

Все данные элементы имеют постоянную валентность.
Валентность I имеют металлы IA группы, в задании это натрий (Na) и литий (Li).
Валентность II имеют металлы IIA группы, к ним будут относиться бериллий (Be) и барий (Ba).
Валентность III имеет алюминий (Al).

По условию задачи нам нужно выбрать, какие элементы имеют валентность, равную I, поэтому в ответ запишем 1 (Na) и 5 (Li).

Ответ: 15

Не всегда высшая валентность равна номеру группы — например, у азота максимальная валентность равна IV.

Возникает вопрос: а почему так? Ответ опять кроется в электронном строении атома. У азота есть только основное состояние атома, в котором три неспаренных электрона и неподеленная электронная пара. Возможности «рассорить» эту пару у азота попросту нет, ведь свободных электронных уровней он не имеет.

Поэтому возможны следующие варианты:

один неспаренный электрон образует одну химическую связь = валентность I;
два неспаренных электрона образуют две химических связи = валентность II;
три неспаренных электрона образуют три химических связи = валентность III;

три неспаренных электрона образовали три химических связи + одна неподеленная электронная пара образовала еще одну связь = валентность IV.

Также важно запомнить, что у азота в гидразине N₂Н₂ валентность равна III.

Лайфхак для определения валентности: как легко узнать валентность элементов в бинарном соединении?

Если химическое вещество состоит только из двух элементов, то валентность каждого из них можно узнать, руководствуясь этим правилом: в химической формуле вещества суммарные числа единиц валентности атомов каждого элемента должны быть одинаковыми.

Например, в молекуле оксида алюминия Al₂O₃ сумма единиц валентности алюминия равна 3*2=6 и у кислорода 3*2=6.

Изучив основные принципы образования химических связей, мы можем теперь узнать, как определить условный заряд атомов химических элементов в сложных соединениях.

Определение степени окисления элементов в сложных веществах

Перед тем как научиться определять степень окисления в веществах, давайте вспомним, что же это такое.

Степень окисления (СО) — это условный заряд атома элемента, вычисленный на основе предположения, что все связи в данном соединении являются ионными (показывает, сколько электронов атом «притянул» или, наоборот, «отдал» при образовании химической связи).

Степень окисления, как и валентность, может быть:

высшая = номеру группы;
Исключения:
— элементы побочных подгрупп I и VIII групп;
— кислород (максимальная +2);
— фтор (максимальная 0).
промежуточная;
низшая
для металлов = 0, а для неМе = 8 — номер группы.

Но каким образом определяется, какую степень окисления атом принимает в веществе? Давайте разберемся во всем по порядку, а начнем с основных правил.

Общие правила определения степени окисления:

Атомы металлов способны проявлять только положительные степени окисления, атомы неметаллов — как положительные, так и отрицательные.
В простом веществе СО атомов равна нулю.
Если соединение состоит из двух элементов, то нахождение степени окисления полностью совпадает с нахождением валентности элементов в бинарном соединении.
Если соединение состоит не из двух, а из трех и более элементов, определение степени окисления будет похоже на механизм определения валентности в бинарных соединениях, но есть и свои особенности.

О последнем пункте давайте поговорим подробнее.

Для определения степеней окисления важно запомнить постоянные степени окисления отдельных элементов:

Металлы IA группы в соединениях всегда проявляют степень окисления +1, металлы IIA группы и цинк — степень окисления +2 (исключение — ртуть Hg), алюминий — степень окисления +3.
В большинстве своих соединений кислород проявляет СО -2. К исключениям относится степень окисления в пероксидах (там -1), фторида кислорода (там +2), а также надпероксидов (супероксидов) (там -1/2).
Фтор всегда проявляет степень окисления -1.
Водород практически всегда проявляет степень окисления +1 (кроме гидридов металлов, там -1).

Остальные элементы имеют непостоянные (переменные) степени окисления. Для экзамена стоит запомнить перечень наиболее типичных степеней окисления:

Также важно помнить, что в виде простых веществ (содержащих в составе только один элемент) практически все элементы имеют степень окисления 0.

А теперь перейдем непосредственно к алгоритму определения степеней окисления в сложном веществе:

Расставляем постоянные степени окисления.
Принимаем искомую (неизвестную) степень окисления за «икс».
Учитывая, что сумма СО всех элементов в сложном веществе равна нулю, составляем и решаем уравнение.

А сейчас мы на примере потренируемся расставлять степени окисления в сложных соединениях.

Необходимо расставить СО в сложном веществе: K₂CrO₄.
Постоянные степени окисления у калия (+1) и кислорода (-2), степень окисления хрома принимаем за «икс». Не забываем учитывать количество атомов того или иного вещества (нижний индекс). Сумма степеней окисления равна 0, тогда получим:

2 * (+1) + х + 4 * (-2) = 0
2 + х — 8 = 0
х — 6 = 0
х = 6

Таким образом, мы выяснили, что в данном соединении степень окисления хрома равна +6.

Если нам дано не сложное вещество, а ион, то приравниваем сумму степеней окисления не к 0, а к заряду иона. Перейдем к примеру.
Нам дан хромат-ион CrO₄^2-, принимаем за Х степень окисления хрома, для кислорода СО постоянна и равна -2. Заряд иона 2-, но мы для удобства будем его записывать -2, это число будет стоять после знака равно.

х + 4 * (-2) = -2
х — 8 = -2
х = 8 — 2
х = 6

В данном ионе степень окисления хрома также равна +6.

Также есть второй способ. Если мы можем составить для иона вещество, то делаем это, а дальше возвращаемся к проверенной схеме. Подробнее о том, как формируются соединения, можно прочитать в статье «Химическая связь».

Например, если нам дан хромат-ион CrO₄^2-, составим для него соединение — хромат калия (K₂CrO₄.), а дальше переходим к решению, записанному выше.

Для лучшего понимания механизма нахождения степени окисления решим пример задания №4 ОГЭ по химии.

Задание. Установите соответствие между формулой соединения и степенью окисления марганца в этом соединении: к каждой позиции, обозначенной буквой, подберите соответствующую позицию, обозначенную цифрой.

Решение.
А) Дан оксид марганца(IV), в оксиде степень окисления кислорода всегда равна -2, принимаем за Х степень окисления марганца и, зная, что сумма СО всех элементов в сложном веществе равна 0, записываем уравнение.
Х + 2 * (-2) = 0
Х — 4 = 0
Х = 4

Таким образом, степень окисления марганца +4, вариант ответа 2.

Б) Нам дана соль, разберемся, какие элементы в нее входят. Калий относится к металлам IА группы, его степень окисления всегда +1, дан кислород, его степень окисления будет равна -2. Снова принимаем за Х степень окисления марганца и записываем уравнение.
2 * (+1) + Х + 4 * (-2) = 0
2 + Х — 8 = 0
Х — 6 = 0
Х = 6

Степень окисления марганца +6, записываем в ответ 3.

В) Дан хлорид марганца(II), хлор, как более электроотрицательный элемент, забирает у марганца электроны и принимает минимальную степень окисления, которая равна -1. Принимаем степень окисления марганца за Х, записываем уравнение.
Х + 2 * (-1) = 0
Х — 2 = 0
Х = 2

В хлориде марганца(II) степень окисления марганца будет равна +2, вариант ответа 1.

Ответ: 231

Вот мы и научились определять валентные возможности и степени окисления атомов. Часто валентность совпадает с номером группы, а в остальных случаях ее легко можно определить по электронному строению. Для определения степени окисления в сложном веществе есть свой механизм, который позволяет с легкостью определить неизвестную СО в любом соединении.

А для более глубокого понимания взаимосвязи степени окисления, валентности и периодического закона, рекомендуем прочитать статью «Периодический закон и периодическая система химических элементов Д.И. Менделеева».

Термины

Бинарные соединения — соединения, которые состоят из двух элементов: металла и неметалла или двух неметаллов.

Электронная конфигурация — это формула, отражающая распределение электронов по электронным оболочкам атома (энергетическим уровням).

Фактчек

Свойства химических элементов находятся в периодической зависимости от заряда ядра атомов химических элементов.
Таблица Менделеева состоит из: столбцов, то есть групп, и строк, то есть периодов.
Высшая валентность для большинства элементов равна номеру группы.
Номер периода показывает число энергетических уровней, на которых вращаются электроны.
Степень окисления отражает «отдачу» или «принятие» электрона атомом, она может быть высшей, промежуточной и низшей.
Некоторые элементы имеют постоянную степень окисления, а для элементов, имеющих промежуточные степени окисления, определить ее в веществе можно путем составления уравнения.

Проверь себя

Задание 1.
От чего зависят свойства химических элементов?

от заряда ядра атомов
от количества электронных слоев
от формы атомных орбиталей

Задание 2.
Чему равна высшая валентность атома углерода?

Задание 3.
Чему равно число энергетических уровней у атома лития?

Задание 4.
Чему равна низшая степень окисления хлора?

+1
+7
-7
-1

Задание 5.
Чему равна степень окисления марганца в KMnO₄?

-2
+4
+6
+7

Ответы: 1. — 1; 2. — 3; 3. — 2; 4. — 4; 5. — 4.

Валентные возможности атомов химических элементов Химия

Понравилась статья? Оцени: