§3.3 Валентность. Молекулярные формулы.

Введем еще один важный термин, нужный нам для дальнейшей работы: валентность. Валентность атома – это его способность образовывать определенное число химических связей с другими атомами. Например, число черточек, отходящих от символа элемента в структурных формулах, равно валентности этого элемента. Посмотрите на приведенные ниже структурные формулы некоторых веществ – из них видно, что водород и хлор одновалентны, кислород двухвалентен, углерод четырехвалентен, а азот трехвалентен.

Точками здесь обозначены неподеленные пары электронов, но в структурных формулах их показывают не всегда (в связывании они непосредственно не участвуют, хотя важны с точки зрения правила октета). В структурных формулах каждая черточка – это именно поделенная пара электронов. Поэтому можно дать такое определение валентности:

Валентность определяется как число электронных пар, которыми данный атом связан с другими атомами.

Поскольку в химической связи участвуют только электроны внешних оболочек, такие электроны называют валентными. Единичная (простая) связь возникает, когда атомы делят между собой одну пару валентных электронов.

Структурные формулы наглядно показывают состав вещества, последовательность связывания атомов друг с другом и валентность элементов. Но если такая подробная информация не нужна, состав вещества можно записывать в виде сокращенных химических формул:

H2 (водород)       Cl2 (хлор)       CO2 (углекислый газ)       H2O (вода)       N2H4 (гидразин)       N2 (азот)

В данном случае все вещества состоят из молекул, поэтому такие формулы называют не просто сокращенными, а молекулярными. Цифра, стоящая внизу справа от символа элемента, называется индексом. Индекс показывает, сколько атомов данного элемента содержится в молекуле. Индекс 1 никогда не пишут.

Молекулярная формула показывает, сколько атомов каждого элемента входит в состав молекулы вещества.

Однако есть много веществ, в которых атомы не образуют отдельных молекул, а связаны друг с другом в "бесконечные" каркасы (подробнее вы познакомитесь с ними в §3.8). В этом случае можно выделить лишь отдельный повторяющийся фрагмент из атомов в таком веществе. Например, металлическая медь состоит из атомов (а не из молекул) меди, поэтому наименьший повторяющийся фрагмент этого вещества – атом Cu. Формула меди такая же: Cu. Соединения NaCl и CaF2 в твердом виде состоят из ионов, причем трудно различить, какие атомы "персонально" связаны друг с другом. Но отдельные повторяющиеся фрагменты (их называют "структурные единицы") состоят из атомов этих элементов именно в таких соотношениях, как мы только что записали. Кварц представляет собой "бесконечный" каркас из атомов кремния и кислорода, но наименьший повторяющийся фрагмент (структурная единица) этого каркаса содержит один атом Si и два атома O. Поэтому формула кварца – SiO2.

В этом случае сокращенные формулы вроде Cu, NaCl, CaF2, SiO2, строго говоря, нельзя называть молекулярными. Однако они тоже выражают элементный состав вещества и в этом смысле ничем принципиально от молекулярных формул не отличаются.

** Существует также ближайшая "родственница" сокращенной формулы - так называемая эмпирическая формула. Она показывает лишь соотношение между количеством атомов разного вида в соединении. Например, молекулярная формула гидразина N2H4 говорит о том, что молекула этого вещества действительно состоит из 2-х атомов азота и 4-х атомов водорода. А эмпирическая формула гидразина NH2 говорит лишь о том, что в этом веществе атомов водорода вдвое больше, чем атомов азота. Индексы в эмпирических формулах могут быть не только целыми, но и дробными числами. Как видно из уже приведенных здесь формул, молекулярная или сокращенная формула вещества часто либо совпадает с эмпирической формулой, либо кратна ей.

Формулы веществ в простых случаях можно составлять по валентностям входящих в них элементов. И наоборот, зная валентности элементов, можно правильно составить из них химическую формулу.

** Но как определяют валентности элементов? Для этого можно пользоваться нашими знаниями о строении внешних электронных оболочек атомов, как мы это уже делали при определении валентностей водорода, хлора, натрия, фтора, кислорода и азота в их конкретных химических соединениях.

Некоторые элементы проявляют в любых соединениях одну и ту же валентность. Таковы, например, водород, натрий, калий, серебро, фтор (валентность I); или магний, кальций (валентность II). Другие элементы могут - в зависимости от партнеров по химической реакции - проявлять несколько разных валентностей. Причину этого мы легко объясним чуть позже, исходя из строения их атомов.

В то время, когда химики еще ничего не знали о строении атомов, они успешно определили валентности многих элементов по данным химического анализа.

Анализ позволяет выяснить состав соединения, то есть численное соотношение атомов разных элементов в молекуле - молекулярную формулу. Делается это путем точного определения массы каждого элемента в образце, тщательно очищенном от примесей других веществ. С методикой анализа вы познакомитесь позже, в курсе органической химии. Сейчас же мы воспользуемся результатами уже проведенного анализа для определения валентности, например, азота.

Допустим, анализ чистого образца газа аммиака дает для его молекулы формулу NH3. Можно воспользоваться тем обстоятельством, что валентность водорода всегда I (традиционно валентность обозначают римскими цифрами). Поскольку водород всегда одновалентен, его атомы в этом соединении не могут быть связаны между собой. Значит, они связаны с азотом. Вывод: валентность азота III. Для этого соединения можно придумать единственную структурную формулу:

Еще одно наблюдение: кислород во всех соединениях двухвалентен. Поэтому, например, в соединении SO2 валентность серы IV (валентность кислорода II умножить на 2 атома кислорода = 4), а в соединении SO3 валентность серы - VI (валентность кислорода II умножить на 3 атома кислорода = 6).

В более сложных случаях можно дать лишь частичный ответ, но и он бывает полезен. Например, о соединении HClO4 мы можем лишь сказать, что остаток ClO4 - одновалентен (так как мы отняли от него одновалентный атом водорода). В соединении H2SO4 остаток SO4 - двухвалентен (отняли два одновалентных атома водорода). Поэтому для определения валентности какого-либо элемента годятся только его простые соединения с водородом и кислородом, содержащие только один атом изучаемого элемента. Требование простоты весьма существенно. Например, по составу соединения СН4 (метан) можно правильно заключить, что элемент углерод четырехвалентен. Но существует и более сложное соединение углерода С6Н6 (бензол), по которому судить о валентности углерода только из результатов анализа затруднительно.

Таблица 3-2. Валентности некоторых элементов (традиционно записываются римскими цифрами). Для элементов с переменной валентностью первая цифра – наиболее распространенная валентность. В скобках даны валентности, встречающиеся реже. Звездочками помечены элементы с постоянной валентностью.

Элемент

Валентность

* Водород (H)

I

* Натрий (Na)

I

* Калий (K)

I

* Серебро (Ag)

I

* Фтор (F)

I

Хлор (Cl)

I (III, V, VII)

Бром (Br)

I (III, V, VII)

Иод (I)

I (III, V, VII)

Ртуть (Hg)

I, II

Медь (Cu)

I, II

*Бериллий (Be)

II

* Магний (Mg)

II

* Кальций (Ca)

II

* Барий (Ba)

II

* Кислород (O)

II

Цинк (Zn)

II

Олово (Sn)

II (IV)

Свинец (Pb)

II (IV)

Железо (Fe)

II, III

Сера (S)

II, IV, VI

Марганец (Mn)

II, IV, VII

Хром (Cr)

III, VI

* Алюминий (Al)

III

Азот (N)

III (и другие)

Фосфор (P)

III, V

Углерод (C)

IV

Кремний (Si)

IV (II)

Мы уже знаем вполне достаточно, чтобы правильно определять валентности многих элементов по правилу октета и по электронному строению их атомов. Можно так и поступать в дальнейшем, не утруждая себя заучиванием валентностей важнейших элементов. Но на практике их проще выучить, чтобы не тратить каждый раз время на рисование электронных формул и структур Льюиса. В таблице 3-2 приводятся сведения о валентностях элементов, с которыми мы не раз столкнемся в нашем курсе.

Теперь разберемся в том, как составляют химические формулы по уже известным валентностям атомов. Нам нужно научиться делать это для сложных веществ, состоящих из двух элементов.

Например, надо записать формулу соединения железа (III) с кислородом (соединения элементов с кислородом называются оксидами). Запишем химические символы железа (Fe) и кислорода (O), а над символами поставим валентности этих элементов. Затем переместим вниз и крест-накрест значения валентностей, записав их справа (и внизу) около символов элементов в виде индексов:

Теперь сделаем проверку. Два атома трехвалентного железа дадут в сумме (2 х III = 6) свободных валентностей и столько же свободных валентностей (3 х II = 6) обеспечивают три атома двухвалентного кислорода. Свободных, неиспользованных валентностей у атомов не осталось. Значит, формула оксида железа (III) составлена правильно: Fe2O3.

Задачи

3.7. В школьном курсе не изучают химию элемента скандия. Тем не менее, основываясь на электронном строении атома 21Sc, сделайте следующее:
а) напишите электронную формулу скандия и определите его наиболее вероятную валентность (пользуясь правилом октета);
б) напишите формулу Льюиса для соединения скандия с хлором;
в) напишите простейшую и структурную формулы соединения скандия с хлором;
г) определите: будет ли связь Sc–Cl ковалентной (один вариант), либо (второй вариант) – полярной ковалентной или ионной.

3.8. 1) Используя валентности элементов, напишите формулы соединений: а) калия с фтором; б) магния с кислородом; в) кальция с водородом; г) алюминия с фтором; д) алюминия с кислородом.

2) Нарисуйте структурные формулы соединений и определите валентность каждого атома: а) HCl; б) BeCl2; в) AlBr3; г) PH3; д) TiCl4.

3.9. Напишите формулы соединений хрома (III) и хрома (VI) с кислородом.

3.10. Напишите формулы Льюиса для соединений: H2S, CCl4 BF3, I2, ICl. Найдите здесь соединение с ковалентной связью.

** 3.11. Напишите электронную формулу валентной оболочки элемента 34Se. Сколько поделенных и сколько неподеленных электронных пар в соединении H2Se? Нарисуйте его структурную формулу.

** 3.12. Напишите формулу Льюиса и нарисуйте структурную формулу для соединения SF6. Сколько поделенных и сколько неподеленных электронных пар в этом соединении? Примечание: фтор – сильнейший акцептор электронов, поэтому электронные пары химических связей сдвинуты от атома серы к атомам фтора. Как вы думаете, какому инертному газу “подражает” сера в этом соединении – аргону или неону?

3.13. Наш старый знакомый Юх нарисовал свой химический автопортрет, повесил его в лаборатории и сказал, что со временем обязательно синтезирует такое соединение. Оно обязательно будет обладать какими-нибудь необычными свойствами. Доктор Пилюлькин сразу нашел ошибку в портрете и сказал Юху, что такое соединение вряд ли можно синтезировать. Какую ошибку смог найти доктор Пилюлькин?

_________________