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 Ax By, 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.