1.5. Валентність. Ступінь окиснення

Поняття «валентність» було введене в хімію всередині XIX ст. Його класичне визначення: валентність – це здатність атома певного елемента приєднувати певне число атомів інших елементів. Тоді розрізняли валентність за гідрогеном і заоксигеном. Д.Менделєєв відкрив зв’язок між валентністю елемен­та та його положенням у періодичній системі, ввів уявлення про змінну валентність.

Електронна теорія будови атома пояснила фізичний зміст валентності та структурних формул.

Визначення. Валентність елемента визначається чис­лом спільних електронних пар, які зв’язують атом одного елемента з іншими атомами. Так, валентність нітрогену  в сполуці N₂ (N ≡ N) дорівнює трьом, а в NH₄Cl – чотирьом. Валентність хлору в С1₂ дорівнює одиниці.

Межі застосовності. Валентність не буває від’ємною і не може дорівнювати нулю. Поняття «валентність» можна засто­совувати тільки для сполук з ковалентним зв’язком (складних і простих). Вона не завжди дорівнює номеру групи періодичної си­стеми, в якій знаходиться елемент. Це стосується в першу чергу елементів другого періоду: адже на зовнішньому енергетичному рівні їх атомів не може знаходитися більше чотирьох пар елект­ронів, тому, наприклад, максимальна валентність нітрогену (елемен­та V групи) дорівнює чотирьом. Поняття "валентність" не можна застосовувати щодо сполук з йонним і металічним зв’язком.

Для характеристики стану атома в сполуці використовують формальне поняття «ступінь окиснення».

Визначення. Ступінь окиснення – це умовний заряд атома в речовині, який виник би на атомі за умови, що спільні електронні пари повністю змістилися б до більш електронегативного ато­ма (тобто атоми перетворилися б на йони). Ступінь окиснення позначається арабською цифрою (із знаком + або – перед нею)+ 3 або – 2 над символом елемента, наприклад Аl+3S-2. Для визначення ступеня окиснення елемента в сполуці слід знати такі правила:

· Ступінь окиснення одноатомного йона дорівнює його за­ряду. Наприклад, ухлориді натрію ступінь окиснення натрію становить + 1, хлору – 1. У сполуці NаН ступінь окиснення натрію дорівнює + 1, а гідрогену – 1.

· Ступінь окиснення гідрогену в усіх сполуках, за винятком гідритів металів (NаН, СаН₂ та ін.), становить + 1. У гідритах металів його ступінь окиснення дорівнює – 1.

· Ступінь окиснення фтору в усіх його сполуках становить – 1.

· Лужні метали (Lі, Nа, К, Rb, Сs, Fr) в усіх сполуках мають ступінь окиснення + 1, а елементи головної підгрупи другої групи (Ве, Мg, Са, Sr, Ва, Rа) + 2.

—                      Ступінь окиснення оксигену в більшості сполук дорівнює – 2. Уфториді оксигену ОF₂ оксиген має ступінь окиснення + 2. У пероксиді гідрогену Н₂О₂ ступінь окиснення оксигену дорівнює – 1, а валентність (Н — О — О — Н) = 2.

· Ступінь окиснення атомів у простих речовинах дорівнює нулю:

Сl₂, Вr₂, H₂, Р₄ .

· Якщо відомий ступінь окиснення одних елементів, мож­на визначити ступінь окиснення інших елементів у сполуці.

Для цього слід пам’ятати, що алгебраїчна сума ступенів окиснення всіх атомів у сполуці завжди дорівнює нулю.

Визначимо ступінь окиснення нітрогену в таких кислотах: нітратній HNO₃ і нітритній HNO₂. У цих сполуках ступінь окиснення  гідрогену дорівнює +1, оксигену  –2, а ступінь окиснення нітрогену – х визначимо з рівнянь:

у НNO₃: + 1 + х + (– 2) 3 = 0, х = + 5;

у HNO₂: + 1 + х + (– 2) 2 = 0, х = + 3.

· Ступінь окиснення може набувати не лише цілих, але й дробових значень. Наприклад, ступінь окиснення оксигенув КО₂ дорівнює – 1/2, а в КО₃ – 1/3.

· Багато елементів мають змінний ступінь окиснення. На­приклад, у сульфуру в сірководні Н₂S він дорівнює – 2, у диоксиді SO₂ + 4, у триоксиді SO₃ + 6.

· Вищий позитивний ступінь окиснення елемента в його сполуках дорівнює номеру групи періодичної системи, в якій зна­ходиться цей елемент. Наприклад, магній, що міститься удругій групі, має ступінь окиснення +2, марганець (сьома група) — +7.

· У сполуках неметалів з гідрогеном їх ступені окиснення змінюються від – 4 (у елементів IV групи) до –1 (у елементів VII групи), що визначається числом електронів, які атом неме­талу відтягує від атомів гідрогену. Наприклад, ступінь окиснення карбону у метані СH дорівнює – 4, нітрогену в амоніакуNH₃ – 3, оксигену у воді Н₂О – 2, флуору у фтороводні HF – 1.

Межі застосовності. Найвищий ступінь окиснення (а не ва­лентність) елемента дорівнює номеру групи, в якій знаходиться елемент (винятки – метали підгрупи купруму, деякі елементи VIII групи, оксиген, флуор). Тому це поняття використовують при кла­сифікації хімічних сполук і складанні окисно-відновних рівнянь. Водночас слід пам’ятати, що "ступінь окиснення" – формальне по­няття. Виміряні експериментально заряди атомів у сполуках не то­тожні ступеням окиснення.

Питання для самоконтролю:

1.     Яка суть основних типів хімічних зв’язків? Наведіть конкретні приклади, поясніть залежність властивостей речовин від їх будови.

2.      Які види ковалентного зв’язку вам відомі? На конкретних прикладах вивчіть механізм їх утворення.

3.     Схарактеризуйте властивості водневого зв’язку, його вплив на властивості речовин.

4.     Поясніть суть поняття «валентність» з погляду сучасних уявлень про будову атома і утворення хімічного зв’язку.

5.     Чому числове значення валентності  не завжди збігається з кількістю електронів на зовнішньому енергетичному рівні?