Валентность и степень окисления

Валентность - способность атомов данного элемента присоединять определенное число атомов других элементов.

Атом водородa никогда не присоединяет больше одного атома другого элемента. Поэтому валентность водорода приняли за единицу измерения валентности элементов.

Например, в соединениях: HCl - хлор одновалентен, H₂O - кислород двухвалентен, NH₃ – азот трехвалентен, CH₄ - углерод четырехвалентен. В этих соединениях валентность элементов мы определяем по формулам водородных соединений - это валентность по водороду.

Кислород всегда имеет валентность два. Если мы знаем формулы соединений элементов с кислородом, то можно определить валентность по кислороду. Например, в следующих соединениях элементы имеют такие валентности (обозначены римскими цифрами):

Задание: Определить валентности элементов.

I II III IV V VI VII

Na₂O, CaO, Аl₂O₃, СО₂, P₂O₅, СrО₃, Мn₂О₇.

Если мы знаем валентности элементов, то можем легко составить формулу вещества, которое состоит из двух элементов. Например, если вещество состоит из магния (валентность два) и хлора (валентность один), то формула, вещества MgCl₂.

В молекуле сложного вещества A _x B _y, которое состоит из элемента A с валентностью п и элемента В с валентностью m, произведение валентности на число атомов одного элемента равно произведению валентности на число атомов другого элемента: пх = ту. Например, в молекуле Al₂O₃ произведение валентности алюминия на число атомов равно произведению валентности кислорода на число его атомов (3 ´ 2 = 2 ´ 3).

Валентность - важная качественная характеристика элемента.

Графическое изображение формул. Формулы молекул можно изображать графически. В графических изображениях формул каждую валентность обозначают при помощи черты. Например, графическое изображение формулы

Н₂О (молекулы воды) H - O - H,

формулы CO₂ (оксида углерода, (IV)) O = С = O,

формулы Al₂O₃ (оксида алюминия) О = А1 – O – Al = О.

Электронная теория строения атома объяснила физический смысл валентности и структурных формул.

Валентность элемента определяется числом общих электронных пар, которые связывают атом данного элемента с другими атомами.

Валентность не может быть отрицательной и не может равняться нулю. Понятие «валентность» можно применять только к соединениям с ковалентной связью.

Для характеристики состояния атома в соединении используют понятие «степень окисления».

Степень окисления - это условный заряд атома в молекуле, который возник бы на атоме, если бы общие электронные пары полностью сместились к более электроотрицательному атому (т.е. атомы превратились бы в ионы).

Степень окисления не всегда численно равна валентности. Для определения степени окисления каждого элемента в соединении нужно помнить следующее:

1. Степень окисления атома в молекуле может быть равна нулю или выражена отрицательным или положительным числом.

2. Молекула всегда электронейтральна: сумма положительных и отрицательных формальных зарядов, которые характеризуют степень окисления атомов, образующих молекулу, равна нулю.

3. Степень окисления водорода во всех соединениях, за исключением гидридов металлов (NaH, KH, CaH₂ и др.), равна + 1. В гидридах металлов его степень окисления равна – 1.

4. Степень окисления кислорода в большинстве соединений равна - 2. Исключения составляют:

а) пероксиды типа H₂О₂, Na₂O₂, BaO₂, в которых степень окисления кислорода равна – 1; а его валентность равна двум (H — О — О ¾ H,
Na — O — O — Na).

б) надпероксиды типа KO₂, RbO₂, CsO₂, в которых степень окисления
-1 имеет сложный надпероксидный ион [О₂]^-1 и, следовательно, формально степень окисления атома кислорода равна – ½;

в) озониды типа KO₃, RbO₃, CsO₃, в которых степень окисления -1 имеет сложный озонид-ион [О₃]^-1 и, следовательно, формально степень окисления атома кислорода равна – 1/3;

г) смешанные пероксид-надпероксидные соединения типа М₂О₃ (М₂О₂×2МО₂), где М – K, Rb, Cs, в которых атомы кислорода формально характеризуются степенями окисления -1 и – ½;

д) оксид F₂O и пероксид F₂O₂ фтора, в которых степень окисления атомов кислорода соответственно равна +2 и +1.

5. Степень окисления атомов в простых веществах равна нулю:

0 0 0 0 0

С1₂, Н₂, N₂, P₄, S₈.

6. Степень окисления атомов металлов в соединениях всегда положительна. При этом многие из них имеют постоянную степень окисления. Например, атомы щелочных металлов (Li, Na, К, Rb, Cs, Fr) во всех соединениях имеют степени окисления + 1, а атомы щелочноземельных металлов (Ca, Sr, Ba, Ra) - степени окисления +2.

7. Степени окисления многих элементов переменные.

Например, степень окисления серы в сероводороде H₂S равна — 2, в оксиде серы (IV) SO₂ + 4, в оксиде серы (VI) SO₃ + 6.

8. Высшая степень окисления элемента обычно равна номеру группы, в которой находится элемент в периодической системе элементов.

Например, магний Mg находится во второй группе и его высшая степень окисления равна + 2. Марганец Mn находится в седьмой группе и его высшая степень окисления равна + 7.

9. Зная степени окисления одних элементов, можно определить степени окисления других элементов в данном соединении. Для этого нужно помнить, что алгебраическая сумма степеней окисления всех элементов в соединении (с учетом числа атомов) всегда равна нулю.

Например, определим степень окисления азота в азотной кислоте HNO₃ и в азотистой кислоте HNО₂. В азотной кислоте степень окисления водорода +1, кислорода -2, степень окисления азота х:

+1 + x + (-2 ´ 3) = 0,

x = +5

В азотистой кислоте степень окисления азота:

+1 + x + (-2 ´ 2) = 0,

x = +3.