Чтобы ваши знания по химии не были случайным набором разрозненных сведений о нескольких эффектных опытах, чтобы вы могли и сами наметить цепочку реакций, которые приведут вас к получению нужного вам продукта, вам необходимо знать некоторые закономерности химических явлений. Почему это происходит так, а не иначе. С некоторыми из них мы уже познакомились. Сегодня разберем еще один вопрос, не особо сложный.
Окинем взглядом формулы некоторых веществ. Для простоты дела для начала возьмем те, которые состоят из атомов двух видов.
В чем причина такого разнообразия? Почему в одних веществах обоих типов атомов поровну, а в других они в каком-то другом соотношении?
Всё дело в таком параметре химических элементов, как валентность. Говоря по-простому - в количестве химических связей, образуемых атомами. Разобраться нам поможет такая аналогия: представьте себе, что атом - это некий шарик с определенным количеством гнезд электрических разъемов. А молекула - их соединение короткими проводками со штекерами на обоих концах, которое делается по следующим правилам:
- не должно быть ни одного проводка, подсоединенного только одним концом
- не должно оставаться свободным ни одного гнезда
- нельзя один провод вставлять обеими концами в один и тот же атом
И тогда станет понятно, что общая сумма валентностей атомов каждого вида из двух должна быть одинаковой. Да вы наверняка и сами видели где-то подобные модели молекул.
На этом рисунке показана модель метана - основной части природного газа, что горит у вас на кухне. Ее формула - СН4. Валентность углерода равна 4, а валентность водорода равна 1. Вот такое и получилось.
Причины этого не сложны и понятны тем, кто читал эту нашу статью о строении атома и его влиянии на химические свойства. Так, галогенам не хватает ОДНОГО электрона для наиболее устойчивой конфигурации электронной оболочки. Вот они и стараются изо всех сил притянуть его от окружающих веществ. Их валентность равна 1. У щелочных металлов - один электрон "лишний", их валентность - тоже 1. Вот потому-то в обычной поваренной соли NaCl атомов галогена хлора и щелочного металла натрия поровну. У металлов, называемых щелочноземельными (кальция, бария) на внешней оболочке 2 электрона, которые они тоже не против куда-нибудь сплавить. Их валентность равна 2. Поэтому хлорид кальция, применяемый, например, в медицине и пищевой промышленности, имеет формулу уже CaCl2.
Тут у некоторых читателей, осмысливших всё это, может возникнуть такая мысль:
- Если мы будем собирать такую головоломку с шариками и проводками, и она у нас не будет получаться, то мы ведь сможем соединить какие-нибудь два одинаковых атома дважды. Но в настоящее химии такого ведь не бывает?
- Отчего же? Бывает. Вот вам, например, молекула газа этилена С2Н4. В ней два атома углерода соединены двойной химической связью.
Кстати, при определенных условиях, например при высоком давлении, одна из этих химических связей разрывается и оставшиеся свободными ее концы соединяются с другими такими же молекулами. Из множества молекул получается одна - этакий поезд. И станет такое вещество не газом этиленом, а всем известным полиэтиленом. Такая реакция соединения множества однотипных молекул в одну большую называется реакцией полимеризации.
Существуют и молекулы с тройной химической связью. Например, используемый для газосварки газ ацетилен С2Н2.
Конечно же, понятие о валентности помогает определить структуру молекул не только из двух разновидностей атомов, но и из любого другого их числа.
Вот вам структурная формула кислорода О2, его валентность равна двум.
А вот молекула серной кислоты H2SO4. Валентность серы в данном случае равна 6, так что и здесь все законно.
Однако дело несколько усложняется тем, что очень многие атомы могут проявлять в разных соединениях разную валентность. Продолжая нашу аналогию скажем, что у некоторых атомов часть гнезд имеет откидывающиеся крышки. Их можно закрывать и при сборке молекул эти гнезда не использовать. Особенно часто такое встречается у элементов, находящихся в середине периодов (горизонтальных строк) таблицы Менделеева. Ведь, взаимодействуя с разными веществами, они могут как принимать, так и отдавать электроны. Такие обыденные вещества как азот, сера, железо, хром могут проявлять самые разные показатели валентности. И вот вам пример:
Представьте себе, что вы разжились некоторым количеством соляной кислоты и решили сами получить хлорное железо для травления печатных плат. Раз эта кислота называется еще и хлороводородной, то, заставив ее взаимодействовать с железом, мы должны получить обычную реакцию замещения - железо вытеснит из молекулы кислоты водород в свободном виде и получится хлорид железа. Вы посмотрели на ряд активностей металлов и увидели, что железо активнее водорода, так что реакция действительно должна пойти. И вот вы насыпаете в банку железных опилок или немного мелких гвоздей и заливаете их кислотой...
Вроде бы все получается, как надо: железо "растворяется", на его поверхности выделяются пузырьки водорода. Но вместо желанного бурого раствора в банке плавают зеленоватые хлопья какой-то плохо растворяющейся гадости. А все дело в том, что в данной реакции железо проявляет валентность равную 2, а нужное нам вещество FeCl3 - это соль трёхвалентного железа. К тому же и реакция идет вяло - образующиеся пузырьки водорода отделяют железо от кислоты. Что же делать?
Лучше всего для этой цели действовать соляной кислотой не на чистое железо, а на ржавчину Fe(OH)3. В ней железо уже находится в трех валентной форме, и с водородом нет проблем.
Однако поймите, что это не разные атомы железа. Просто они проявляют разную валентность в зависимости от условий реакции. Кстати, и с первым опытом всё не так безнадежно. Если вы не вылили раствор и в нем имеется избыток кислоты, то просто оставьте его в открытой банке на балконе на пару недель. Под действием света и кислорода воздуха железо окислится до трехвалентной формы и постепенно в банке начнет образовываться нужный вам продукт.
И еще одно. Заметили ли вы, что все соединения двухвалентного железа, с которыми мы имели дело - хлорид железа (II) FeCl2 или железный купорос FeSO4 имеют сходную зеленоватую окраску? Соединения трёхвалентного железа все как-то ударяются в бурый цвет, например ржавчина Fe(OH)3 или хлорное железо FeCl3. Соединения меди, такие как получавшийся нами гидроксид меди Cu(OH)2 или медный купорос CuSO4 - ярко-голубые. Многие минералы по своей природе были бы бесцветными. Окраску им придают примеси соединений железа, меди, хрома. Причем получающийся цвет зависит не только от того, какой металл там содержится, но и от того, какую валентность он проявляет в данном соединении.