Валентність

Вале́нтність — це властивість атомів одного хімічного елемента з'єднуватися з певним числом атомів інших хімічних елементів. Термін походить від лат. valentia — сила, тож в ході його еволюції йому надавалося й таке визначення: властивість атома приєднувати чи заміщувати певне число атомів чи атомних груп з утворенням хімічного зв'язку. Так, у сполуках HCl, H2O, NH3 і CH4 хлор є одновалентним, оксиген — двовалентним, нітроген — тривалентним, карбон — чотиривалентним, бо вони сполучені відповідно з одним, двома, трьома і чотирма атомами гідрогену.

Фото валентних хмарок чотиривалентного атома C6 в графіті: 1,2 хмарки створюють сильні сігма-зв'язки з сусідніми атомами карбону (зелений колір); 3,4 хмарки створюють слабкі пі-зв’язки з атомами верхнього та нижнього шару графіту (блакитний колір).

Валентність, а, точніше, близька за змістом величина ступеня окиснення за необхідності вказується в назві сполук за допомогою римських чисел в дужках[1], приміром, купрум(I) хлорид, купрум(II) хлорид.

Зовнішній вигляд хімічних зв'язків

Усі чотири хімічні зв’язки атома карбону добре видно на фото вгорі, де наведено пряме пікоскопічне зображення атома C6 [2] отримане шляхом денситометрії електронної хмарки [3] (роздільна здатність 10 пікометрів). Внутрішня оболонка складається з двох електронів – біле коло. Відповідно до періодичного закону зовнішню (валентну) оболонку складають чотири валентних хмарки: 1,2 орбіталі створюють сильні сігма-зв'язки з сусідніми атомами карбону (зелений колір); 3,4 орбіталі створюють слабі пі-зв’язки з атомами верхнього та нижнього шару графіту (блакитний колір).

Природа валентності

Що стосується природи валентності, тобто природи тих сил, які обумовлюють собою хімічний зв'язок атомів у молекулах, то вона довгий час залишалася незрозумілою. Лише коли стала відома будова атомів, з'явилися теорії, які пояснювали причину різної валентності хімічних елементів і природу хімічного зв'язку. Найважливішими з цих теорій є теорія про електровалентний, або іонний, хімічний зв'язок і теорія про ковалентний, або атомний, хімічний зв'язок. Валентність повністю визначається будовою зовнішньої (валентної) електронної оболонки атома.

Розвиток поняття валентності у спробах краще зрозуміти склад і будову речовин привів до його розщеплення на кілька окремих концепцій: іонна валентність, ковалентність, ступінь окиснення, координаційне число. Те чи інше поняття з цього переліку застосовують залежно від способу взаємодії атомів. Класична теорія валентності стикається зі складнощами вже для нітрогену: як у катіоні амонію NH+4, так і в більшості неорганічних оксигеновмісних сполук ковалентність нітрогену становить 4 (і принципово не може сягнути 5), тоді як класичне визначення його валентності в оксиді N2O5 чи відповідній йому нітратній кислоті дає 5.

Валентність хімічних елементів

Деяким хімічним елементам притаманна стала валентність, а деяким — змінна. Наприклад, Гідроген, Натрій і Калій у своїх сполуках бувають тільки одновалентні, Кальцій, Барій, Магній, Цинк і Оксиген — тільки двовалентні, а Бор і Алюміній — тільки тривалентні. Більшість хімічних елементів мають змінну валентність. Так, Купрум може бути одновалентним (CuCl) і двовалентним (CuCl2), Ферум — двовалентним (FeCl2) і тривалентним (FeCl3), Карбон — двовалентним (CO) і чотиривалентним (CO2), Сульфур — чотиривалентним (SO2) та шестивалентним (SO3) тощо.

Найвища валентність елемента часто збігається з його номером групи в короткоперіодному варіанті періодичної системи елементів. Найвища валентність за Оксигеном і Гідрогеном збігається для металів (менш електронегативних за обидва ці елементи), але може відрізнятися для неметалів (більшість яких за електронегативністю проміжна між Гідрогеном та Оксигеном). В останньому випадку сума найвищих валентностей за Гідрогеном та Оксигеном дає 8 (порівняйте з правилом октета), наприклад, H2S та SO3: 2 + 6 = 8.

Для того, щоб визначити значення валентності елементів у сполуках, складніших за бінарні, необхідно знати їх структурну формулу, тобто будову. Приміром, «постійна валентність 2» для Be та Zn означає властивий їм у сполуках постійний ступінь окиснення +2, але їхнє координаційне число в комплексних сполуках становить 4 (Be(OH)2–4, Zn(NH3)2+4 тощо), і саме воно в таких сполуках має відповідати валентності, яка вже не буде постійною. Так само для «змінної валентності»: ступінь окиснення, відповідний зазначеним нижче валентностям, у елемента є, а власне валентності (як координаційного числа в кристалі або кількості усуспільнених електронних пар в молекулі чи іоні) може не існувати.

Елементи з постійною валентністю
  • H, F, Li, Na, K, Rb, Cs, Fr — 1
  • Be, Mg, Ca, Ba, Zn, Ra, Cd, Sr, О — 2
  • Al, B — 3

Популярні елементи зі змінною валентністю
  • Cu, Hg — 1 і 2
  • Fe, Co, Ni — 2 і 3
  • C, Si, Ge, Sn, Pb — 2 і 4
  • P — 3, 5
  • S — 2, 4 і 6
  • Mn — 2, 3, 4, 6 і 7
  • N — 1, 2, 3, 4 і (суто формально) 5
  • Cl, Br, I — 1, 3, 5 і 7
  • Cr — 2, 3, 6

Див. також

Джерела
  • Pauling L., Hayward R. College Chemistry: An Introductory Textbook of General Chemistry. — 2nd ed. — W. H. Freeman and Company, 1956. — 685 с. (англ.)
  • Валентность // Химическая энциклопедия : в 5 т. / гл. ред. И. Л. Кнунянц. — М. : Сов. энцикл., 1988. — Т. 1 : Абляционные материалы — Дарзана реакция. — Стб. 664. — Библиогр. в конце ст. — ISBN 5-85270-008-8.(рос.)
  • Турова Н.Я. Неорганическая химия в таблицах. — М.: Высший химический колледж РАН, 1999. — 140 с. (рос.)

Примітки
  1. IUPAC Red Book: Nomenclature of Inorganic Chemistry, 2005. (англ.)
  2. Кучеров А.П., Лавровский С.Е. Пикоскопия - прямая визуализация молекул // Информаційнї технології та спеціальна безпека. — 2018. — № 4. — С. 12—41. (рос.)
  3. Kucherov O., Rud A., Gubanov V., Biliy M. Spatial 3d Direct Visualization of Atoms, Molecules and Chemical Bonds // American Journal of Applied Chemistry. — 2020. — Т. 8, № 4. — С. 94—99. DOI: 10.11648/j.ajac.20200804.11 (англ.)
This article is issued from Wikipedia. The text is licensed under Creative Commons - Attribution - Sharealike. Additional terms may apply for the media files.