Что такое валентность

Таблица, формула, примеры

Валентность — одно из ключевых понятий в химии, которое определяет способность атома образовывать химические связи. Вместе с экспертами РБК Life разобрался, зачем нужна валентность, как ее определить и использовать на практике.

Точность фактов в этом материале проверила Валентина Чупина, учитель химии школы «МИР».

Что такое валентность

Валентность (от лат. valentia — «сила, способность») — это способность атома химического элемента соединяться с определенным числом других атомов [1]. Это фундаментальное понятие помогает правильно записывать химические формулы, составлять структурные формулы соединений, прогнозировать свойства веществ.

Первый значительный прорыв в понимании валентности и химической связи совершил в 1916 году американский химик Гилберт Ньютон Льюис. Он связал химическую связь в органических соединениях с парой электронов, совместно удерживаемых двумя атомами и обеспечивающих их соединение. В том же году немецкий физик Вальтер Коссель исследовал природу химической связи между электрически заряженными атомами (ионами). После разработки детальной электронной теории периодической системы элементов знания о валентности были переосмыслены в терминах электронных структур и межатомных взаимодействий. Это привело к появлению новых понятий — ионной валентности, ковалентности, степени окисления, координационного числа, металлической валентности — соответствующих различным типам взаимодействия атомов [2].

Постоянная и переменная валентности

Все химические элементы можно разделить на три группы: с постоянной, переменной и нулевой валентностью.

Постоянная валентность химических элементов не изменяется:

• у щелочных металлов и фтора — I;
• у щелочноземельных металлов и кислорода — II;
• у алюминия — III.

Переменная валентность характерна для остальных элементов. Атомы этих элементов содержат d-подуровень, который может принимать электроны с s- и p-подуровней.

Нулевой валентностью обладают так называемые инертные, или благородные, газы. На внешнем энергетическом уровне у них может быть до восьми электронов. Однако эти элементы химически инертны и не образуют связей с другими атомами [3].

Чем отличаются валентность и степень окисления

Для объяснения причин, по которым атомы образуют те или иные соединения, в химии используют два ключевых понятия: валентность и степень окисления. Главное различие между ними заключается в том, что валентность — это способность атомов образовывать определенное количество химических связей, а степень окисления показывает, сколько электронов атом приобрел или потерял в составе конкретного соединения [4].

В отличие от валентности, которую считают нейтральной характеристикой, степень окисления может принимать положительные, отрицательные или нулевые значения. Положительная степень окисления указывает на количество электронов, которые атом теоретически отдал при образовании соединения. Отрицательное значение, напротив, показывает число электронов, которые атом формально принял. Нулевая степень окисления характерна для атомов в составе простых веществ [5].

Как определить валентность

По таблице Менделеева (длиннопериодная форма)

Количество валентных электронов элемента можно определить по номеру группы в периодической таблице (вертикальному столбцу), в которой он расположен. За исключением элементов из групп 3–12 (переходных металлов), последняя цифра номера группы указывает число валентных электронов в нейтральном атоме находящегося в группе элемента [6].

1. Найдите элемент в таблице Менделеева.
2. Определите, в какой группе (вертикальном столбце) и периоде (горизонтальном ряду) он находится.
3. Посмотрите на номер группы. Для главных подгрупп (группы 1–2 и 13–18) цифра единиц номера группы указывает на число валентных электронов. Например, у хлора (группа 17) — семь валентных электронов. У натрия (группа 1) — один валентный электрон.
4. По числу валентных электронов определите высшую валентность. Высшая валентность — это максимальное число ковалентных связей, которое атом элемента может образовывать с другими атомами. Высшая валентность хлора (Cl) будет равна семи (VII), натрия (Na) — одному (I). Исключением из этого правила являются элементы второго периода: азот — он расположен в 15-й группе, но высшая валентность его атома равна IV; кислород — в 16-й группе, высшая валентность — II; фтор, соответственно, 17-я группа, высшая валентность — I [3].

Существуют элементы, у которых валентность меняется в зависимости от соединения. В таких случаях валентность определяют по химическим формулам или с помощью справочников. Например, железо (Fe) может быть двух- и трехвалентным (FeCl₂ и FeCl₃).

По формулам химических элементов

1. Запишите химическую формулу соединения. Убедитесь, что формула корректная и отражает состав вещества (например, H₂O, CO₂, FeCl₃).
2. Обозначьте валентность известного элемента. Обычно это водород (I) или кислород (II), так как они почти всегда сохраняют одну и ту же валентность. Также можно использовать валентность щелочных и щелочноземельных металлов (I и II соответственно).
3. Найдите наименьшее общее кратное (НОК) между известной валентностью и индексом (количеством атомов) этого элемента в формуле. Это шаг позволяет уравнять общее число валентностей между элементами.
4. Разделите найденное НОК на количество атомов второго элемента. Полученное число и будет валентностью второго (неизвестного) элемента. Формула: искомая валентность = НОК / число атомов второго элемента.
5. Проверьте результат. Умножьте количество атомов каждого элемента на его предполагаемую валентность. Если произведения равны — все рассчитано верно [7].

Например, вам нужно определить валентность железа в соединении Fe₂O₃. Известно, что валентность кислорода равна двум (II). У кислорода три атома, тогда 3 × 2 = 6 — общее число валентных связей от кислорода. У железа два атома, тогда 6 / 2 = 3. Валентность железа равна трем (III). Делаем проверку: 2 атома Fe × 3 = 6, 3 атома О × 2 = 6. Значения совпадают, следовательно, расчет верный.

По правилу октета

Правило октета утверждает, что атомы химических элементов стремятся иметь восемь электронов на внешнем энергетическом уровне (в валентной оболочке), так как это делает их наиболее устойчивыми. Чтобы достичь этой конфигурации, атом отдает, принимает или делится электронами [8].

1. Определите количество электронов на внешнем уровне атома. Для этого можно воспользоваться номером группы элемента (для s- и p-элементов) или электронной конфигурацией.
2. Вычислите, сколько электронов не хватает до восьми (если их меньше восьми). Это количество и есть предполагаемая валентность для неметаллов. По этому правилу для неметаллов определяют низшую валентность — минимально возможное число связей, которые он может образовывать с другими элементами.

Например, хлор (Cl) имеет семь электронов на внешнем уровне, до октета не хватает одного электрона, значит, низшая валентность хлора равна единице.

Таблица валентности химических соединений

Таблица валентности распространенных химических элементов помогает быстро определить, сколько связей может образовать атом в соединении. Она особенно полезна при составлении химических формул и уравнений, облегчая понимание структуры веществ.

РБК Life📷Таблица валентности наиболее распространенных химических соединений

Как составить формулу соединения по валентности

Формула соединения помогает понять, как атомы связаны между собой и какие химические свойства будет иметь вещество. Она помогает найти молекулярную массу и использовать ее в расчетах (например, в уравнениях химических реакций).

1. Запишите символы двух элементов. Сначала — менее электроотрицательный (обычно металл, водород), затем — более электроотрицательный (обычно неметалл). Подпишите известные валентности элементов. Обычно берут наиболее распространенные (они есть в таблице валентностей).
2. Найдите наименьшее общее кратное (НОК) валентностей.
3. Разделите НОК на валентность каждого элемента — это и будет количество атомов каждого.
4. Запишите химическую формулу, поставив индексы.
5. Проверьте правильность формулы: произведения валентности на индекс каждого элемента должны быть равны [9].

Например, мы имеем два элемента — H (водород) и O (кислород).

1. Определяем валентность: H — валентность I, О — валентность II.
2. НОК (1 и 2) = 2.
3. H: 2 / 1 = 2, O: 2 / 2 = 1.
4. Записываем формулу: H₂O.
5. Проверяем. H: 1 × 2 = 2, O: 2 × 1 = 2. Все верно!

Комментарии экспертов

Читайте также:

Прокурор назвал экс-совладельца FESCO организатором преступной группы
Рютте назвал условие возобновления диалога с Россией
Бывший президент FESCO стал обвиняемым по делу о хищении 885 млн руб.