Валентность и степень окисления.

Валентностью элемента называется свойство (или способность) его атомов присоединять к себе (или замещать в молекулах сложных веществ) определенное число атомов другого элемента.

В соединениях с ионной связью валентность равна числу электронов, отданных или присоединенных атомом при превращении его в ион.

Валентность в ковалентных соединениях равна числу электронных пар, участвующих в образовании связи. Следовательно, валентность элемента определяется числом электронов, участвующих в образовании химических связей. Часто валентность элементов сравнивают с валентностью водорода, принятой за единицу. Например, в бромоводороде бром одновалентен; в аммиаке азот трехвалентен; в метане углерод четырехвалентен. Нередко валентность элементов определяют и из их кислородных соединений. Например, в диоксиде кремния кремний четырехвалентен, в триоксиде хрома хром шестивалентен, в тетраоксиде рутения рутений восьмивалентен.

Валентность по водороду меняется от 1 до 4 , а по кислороду от 1 до 8 . Между валентностью В, атомным весом А и эквивалентом Э существует зависимость, выражаемая соотношением:

Валентность некоторых элементов — величина постоянная. Так, например, натрий во всех соединениях одновалентен, цинк — двухвалентен, лантан — трехвалентен и т. д. Для целого ряда элементов валентность изменяется в зависимости от условий протекания процесса. Например, олово может быть двух- и четырехвалентным, медь одно-, двух- и трехвалентной, сера двух-, четырех- и шестивалентной.

Нередко валентность для наглядности обозначают соответствующим числом черточек между символами элементов и пользуются структурными формулами. Число черточек равно числу единиц валентности. Атомы в молекуле связываются между собой так, что на определенное число единиц валентности одного элемента приходится такое же число единиц валентности другого элемента.

Приведем примеры структурных формул;

Эти формулы с точки зрения ковалентной связи можно представить и так:

Валентная черточка, принятая в обыкновенных структурных формулах, соответствует одной электронной паре ковалентной связи. Химическая связь между двумя атомами в молекуле, осуществляемая одной парой электронов, называется одинарной (или простой).

Структурные формулы окиси бария, двуокиси серы и этилена имеют вид:

Здесь связь , и является двойной (бинарной).

В цианистоводородной кислоте имеется одна тройная связь и одна одинарная, а в ацетилене — одна тройная и две одинарные:

Структурную формулу азотной кислоты изображают так:

Вследствие перехода электрона от атома азота к атому кислорода у атома азота появляются четыре неспаренных электрона, способных образовать четыре химических связи.

В молекуле азотной кислоты атомы кислорода, связанные только с азотом, равноценны, поэтому и возможность перехода электронов к каждому из них одинакова. Отсюда более точно строение выражает следующая структурная формула:

Из этой формулы видно, что четвертая связь разделена поровну между атомами кислорода.

Детальное изучение структуры молекулы показывает, что она имеет следующее строение:

Электронное строение аналогично :

В соединениях, содержащих водород и кислород, атомы водорода, способные в реакциях замещаться на металл, как правило, связаны с центральным атомом не непосредственно, а. через кислород. Вокруг центрального атома, обладающего высшей валентностью, пишут столько черточек, каково число, выражающее валентность, после чего через кислород присоединяют атомы водорода, а затем к свободным черточкам, если таковые окажутся, присоединяют атомы кислорода.

Приведем структурные формулы следующих кислот

Электронное строение некоторых из этих кислот выразится формулами:

В таких кислотах, как, например, в фосфористой , фосфорноватистой и некоторых других, часть атомов водорода связана непосредственно с центральным атомом:

Эти атомы водорода в химических реакциях не замещаются атомами металлов. Этот пример показывает, какое большое значение имеют структурные формулы.

Приведем примеры структурных формул нормальных и кислых солей:

Структурные формулы двойных солей:

Структурные формулы щелочей и оснований имеют вид:

Структурные формулы основных солей, если они образованы при неполной нейтрализации гидроксидов (с валентностью от 2 и выше), можно составить, исходя из структурных формул исходных веществ

Структурные формулы основных солей:

Структурные формулы соединений дают более полное представление о рассматриваемых веществах, чем обычные, так как они показывают не только, из каких атомов состоит та или иная молекула, но и как эти атомы связаны между собой.

Структуру веществ стало возможным изучить на основе теории химического строения веществ А. М. Бутлерова (1861).

Основываясь на этой теории и периодическом законе Д. И. Менделеева, можно сказать, что химические свойства молекул, проявляющиеся при химических реакциях, определяются природой элементарных составных частей (атомов), количеством их и химическим строением, а также свойствами среды (природа растворителя, агрегатное состояние и др.) и внешними условиями.

Разумеется, молекулы разного состава и строения обладают различными химическими свойствами. Например, водород энергично взаимодействует с газообразным кислородом, тбгда как хлороводород окисляется газообразным кислородом лишь при нагревании. Следует учитывать также и то, что на химические свойства молекул оказывает влияние порядок и последовательность соединения атомов между собой. Известны, например, два соединения, молекулы которых имеют химическую формулу , но различную последовательность связей атомов: и .

Первое вещество (этиловый спирт) легко реагирует с натрием

в то время как второе (диметиловый эфир) совсем не взаимодействует с ним. Объясняется это различным влиянием атомов, непосредственно соединенных с водородом: свойства атома водорода в этиловом спирте (в связи О — Н) иные, чем в диметиловом эфире (в связи С — Н).

Примером взаимного влияния несоединенных друг с другом атомов могут служить молекулы фосгена и дихлорметана. В молекуле фосгена под влиянием кислорода (О) атомы хлора замещаются значительно легче, чем в дихлорметане .

Объясняется это также тем, что связи в молекуле фосгена имеют иную прочность и характер, чем в молекуле дихлорметана.

Периодический закон Д. И. Менделеева и теория химического строения А. М. Бутлерова дали возможность систематизировать существующие химические соединения и предвидеть многие свойства молекул, исходя из свойств образующих их атомов.