✅Таблиця валентності хімічних елементів

Валентність простих речовин можна визначити по таблиці Менделєєва або таблиці валентності хімічних елементів. Що таке валентність і як визначити валентність елемента – на ці питання відповідає наша стаття.

Що таке валентність

Валентність – здатність атома елемента утворювати зв’язок з іншими атомами за рахунок електронів, що знаходяться на зовнішньому енергетичному рівні.

Будь-який елемент складається з атома, в центрі якого знаходиться позитивно заряджене ядро. Заряд ядра відповідає порядковому номеру елемента в періодичній таблиці. Він завжди позитивний, оскільки кількість протонів перевищує кількість нейтронів.

Навколо ядра рухаються на різній відстані від ядра негативно заряджені електрони. Їх кількість також відповідає порядковому номеру елемента. Останній рівень займають валентні електрони.

Через велику відстань від ядра вони втрачають з ним зв’язок і легко спаровуються із зовнішніми електронами іншого атома. За рахунок утворилася ковалентного зв’язку формується нова речовина, що складається з декількох атомів.

Кількість атомів на зовнішньому рівні визначає валентність елемента і, відповідно, кількість можливих хімічних зв’язків.

Валентність елементів

Всі елементи можна розділити на три групи:

• з постійною валентністю;
• зі змінною валентністю;
• з нульовою валентністю.

Постійна валентність хімічних елементів не змінюється:

• у лужних металів, фтору (I);
• у лужноземельних металів, кисню (II);
• у алюмінію (III).

Мінлива валентність характерна іншим елементам. Атоми цих елементів містять d-підрівень, який може приймати електрони з s- і p-підрівнів.

В результаті спарені електрони розпарюються і утворюють додаткові зв’язку. Один елемент може проявляти I-VII валентності.

Так звану нульову валентність мають інертні або благородні гази. На зовнішньому енергетичному рівні можуть містити до восьми електронів. Однак ці елементи хімічно неактивні і не утворюють зв’язку з іншими атомами.

Валентність показує, скільки атомів елементів знаходиться в речовині. Індекси елементів вираховуються як кратне валентностей, по черзі поділене на значення валентності елементів. Наприклад, валентність Na – I, O – II, спільне кратне – 2 (1 ∙ 2). Поділивши 2 спочатку на I, потім на II, отримуємо формулу сполуки Na2O.

Як визначити

Запам’ятовувати валентність кожного елемента необов’язково. Досить подивитися в таблицю Менделєєва або використовувати спеціальну таблицю валентності.

У періодичній таблиці вищої валентності відповідає номер групи. Нижчу валентність можна дізнатися, віднявши від восьми номер групи.

Однак можуть бути винятки. Наприклад, кремній знаходиться в IV групі, його вища валентність – IV. Скориставшись формулою обчислення вищої валентності, можна прийти до висновку, що нижчої валентності у кремнію немає, вона завжди дорівнює IV.

Однак це не так. Нижча валентність кремнію – II. Інший приклад: вища валентність азоту – V. Але елемент цю валентність проявляє рідко, набагато частіше – II і III.

За формулою речовини можна визначити змінну валентність одного з елементів. Для цього відому (постійну) валентність одного елемента множать на відповідний йому індекс. Число, що ділять на індекс визначається елемента. Наприклад, обчислення валентності фосфору в з’єднанні P₂O₅: 2 ∙ 5/2 = 5 (V).

Що ми дізналися?

З уроку 8 класу дізналися, що таке валентність елементів. З’ясувати значення валентності можна з періодичної (відповідає номеру групи) або спеціальної таблиці валентності. Більшість елементів проявляє змінну валентність, яка обумовлюється наявністю в атомах таких елементів d-підрівні.

Постійну валентність мають метал I-II груп, кисень, фтор, алюміній. Знати валентність необхідно для складання формул складних речовин.

§ 3. Валентні стани елементів. Можливі ступені окиснення неметалічних елементів 2-го і 3-го періодів

• Валентність — це здатність атомів утворювати хімічні зв’язки з певною кількістю інших атомів.

• Постійну валентність мають:

• Більшість хімічних елементів мають змінну валентність. Наводимо її значення для деяких з них:

Pb Плюмбум (IV група) — II, IV;

P Фосфор (V група) — III, V;

S Сульфур (VI група) — II, IV, VI;

Cr Хром (VI група) — II, III, VI;

Cl Хлор (VII група) — I, III, V, VII;

Mn Манган (VII група) — II, IV, VI, VII;

Fe Ферум (VIII група) — II, III, VI.

• Валентними електронами називають електрони, які беруть участь в утворенні хімічних зв’язків.

• Ступінь окиснення — це умовний заряд атома в сполуці, обчислений на основі припущення, що вона складається з йонів.

• Ступінь окиснення може набувати позитивного, негативного та нульового значень.

• У простих речовинах валентність і ступінь окиснення хімічних елементів не збігаються. Наприклад, у молекулі кисню О₂ валентність Оксигену ІІ, а ступінь окиснення 0.

• Визначаючи ступені окиснення елементів у бінарних сполуках, послуговуються рядом електронегативності. Елементи з більшим значенням електронегативності мають від’ємні значення ступенів окиснення.

ЗБУДЖЕНИЙ СТАН АТОМА. Це поняття пов’язане зі здатністю електронів отримувати додаткові порції енергії або віддавати її частину.

Що ближче до ядра розміщений енергетичний рівень, то меншим запасом енергії наділені його електрони. Тобто електрони другого рівня характеризуються меншою енергією, ніж третього; третього — меншою, ніж четвертого і так далі. У межах свого стійкого енергетичного рівня, електрон не виділяє і не поглинає енергії.

Отримавши додатковий запас енергії, наприклад під час нагрівання, електрони переходять на вищий енергетичний підрівень, атом набуває збудженого стану. Щоб відрізняти збуджений стан атома від основного, символ елемента записують зі значком *. Розглянемо це на прикладі Карбону.

Наведені зображення доводять, що атом Карбону може мати два валентні стани. В одному з них (основному) в атома Карбону два неспарених електрони, і це визначає його мінімальну валентність ІІ та ступінь окиснення +2. У другому стані (збудженому) неспарених електронів чотири. За рахунок них Карбон утворює чотири спільні електронні пари з іншими атомами — набуває чотиривалентного стану і має ступінь окиснення +4 або -4:

Здатність електронів переходити на інші енергетичні підрівні зумовлює наявність в атомів одного хімічного елемента кількох ступенів окиснення.

ОСОБЛИВОСТІ БУДОВИ АТОМІВ НЕМЕТАЛІЧНИХ ЕЛЕМЕНТІВ, ЩО ЗУМОВЛЮЮТЬ ХІМІЧНІ ВЛАСТИВОСТІ НЕМЕТАЛІВ. З вивченого в основній школі ви знаєте, що вища валентність хімічних елементів груп А дорівнює номеру групи, проте існують винятки. Наприклад, Оксиген розташований у VI групі, проте ніколи не буває шестивалентним. Елемент цієї ж підгрупи Сульфур має сполуки, у яких він шестивалентний, наприклад сульфур(VI) оксид SO₃. Поряд з цим існує сульфур(IV) оксид SO₂ з чотиривалентним Сульфуром і гідроген сульфід H₂S, у якому валентність Сульфуру дорівнює двом.

Електронні конфігурації зовнішніх енергетичних рівнів Оксигену і Сульфуру однакові:

Графічні електронні формули атомів Оксигену й Сульфуру свідчать, що в атома Оксигену відсутні вільні енергетичні комірки, тому він не може перейти в збуджений стан і мати більше двох неспарених (валентних) електронів. Для атома Сульфуру це цілком реально, тому що в нього є вільні комірки на d-підрівні третього енергетичного рівня. Поглинувши додатково енергію, спарені s- і р-електрони атома Сульфуру займають вільні комірки на d-підрівні. У збудженому стані графічні електронні формули Сульфуру такі:

Тобто, на відміну від Оксигену, з яким Сульфур входить до однієї підгрупи, електрони зовнішнього енергетичного рівня атома Сульфуру можуть стати неспареними й атом Сульфуру розширює свої валентні можливості.

Атоми неметалічних хімічних елементів можуть переходити в збуджений стан, якщо мають на зовнішньому енергетичному рівні вільні енергетичні комірки, збільшуючи цим самим кількість неспарених електронів.

МОЖЛИВІ СТУПЕНІ ОКИСНЕННЯ НЕМЕТАЛІЧНИХ ЕЛЕМЕНТІВ 2-го І 3-го ПЕРІОДІВ. В елементів зі змінною валентністю кількість неспарених електронів в основному стані визначає мінімальну валентність атомів, у збудженому стані — проміжні й максимальну (вищу) валентності. Вища (максимальна) валентність здебільшого збігається з номером групи хімічного елемента. Розглянута інформація дає змогу визначити ступені окиснення, яких можуть набувати ті чи інші елементи.

Попрацюйте групами

Щойно ви з’ясували валентні стани Карбону, Оксигену й Сульфуру. Окрім них, у 2-му і 3-му періодах розташовані Бор, Нітроген, Флуор, Неон, Силіцій, Фосфор, Хлор, Аргон. Усі вони розташовані в головних підгрупах, а в атомах елементів головних підгруп валентні електрони розташовані на зовнішньому енергетичному рівні.

Завдання 1. З’ясуйте можливі валентні стани Флуору та Фосфору. Для цього складіть електронні та графічні електронні формули атомів цих елементів, розгляньте можливість переходу валентних електронів на більш віддалені від ядра атома енергетичні підрівні.

Завдання 2. Напишіть формули сполук : а) Флуору з Оксигеном, Флуору з Гідрогеном; б) Фосфору з Оксигеном, Фосфору з Гідрогеном, що відповідають можливим валентним станам їх атомів, зазначте ступені окиснення.

Знаємо, розуміємо

• 1. Завдяки чому атоми одного хімічного елемента можуть мати різні валентні стани?
• 2. Поясніть, що називають ступенем окиснення.
• 3. Про що свідчить той факт, що Ферум утворює сполуки зі ступенями окиснення +2, +3 і навіть може мати ступінь окиснення +6?

Застосовуємо

• 1. Серед наведених електронних формул атомів укажіть, яка належить атому, що перебуває у збудженому стані.

a) ₁₄Si 1s 2 2s 2 2p 6 3s 1 3p 3 ;

б) ₁₄Si 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 2 .

а) силіцію з киснем;

б) силіцію з воднем;

в) цинку з хлором;

г) фосфору з хлором.

Визначте ступені окиснення елементів у них.

• 3. Який з хімічних елементів — Флуор чи Фосфор — має лише один валентний стан? Поясніть чому.
• 4. Укажіть рядок, у якому записані електронні формули одного й того самого атома в основному і збудженому станах.

А 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 4 і 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 5

Б 1s 2 2s 2 2p 1 і 1s 2 2s 2 2p 2

В 1s 2 2s 2 2p 5 і 1s 2 2s 2 2p 6

Г 1s 2 2s 2 2p 2 і 1s 2 2s 1 2p 3

§ 17. Ступінь окиснення

Ступінь окиснення. Вивчивши типи хімічного зв’язку в неорганічних речовинах, ви переконалися, що атоми можуть втрачати або приєднувати електрони в одних випадках й утворювати спільні електронні пари — в інших.

Пригадайте, на що вказує електронегативність атомів елементів, як вона змінюється в періодах і групах.

Як вам відомо, електронегативність указує на те, до яких атомів у хімічній сполуці зміщуються або переміщуються електрони. З поняттям «електронегативність» пов’язана ще одна характеристика атома — ступінь окиснення.

Ступінь окиснення — це умовний заряд атома, якщо припустити, що сполука складається тільки з йонів.

Кількісно ступінь окиснення визначають числом електронів, що віддав чи приєднав атом, якщо це йонна сполука. Наприклад, у сполуці складу ZnS атом Цинку віддав два електрони. Ступінь окиснення Цинку — +2 (плюс два). Сульфур приєднав два електрони та внаслідок цього набув значення ступеня окиснення -2 (мінус два). Отже, у йонних бінарних сполуках ступінь окиснення чисельно збігається з величиною заряду йонів. Ураховуючи той факт, що більшість неорганічних речовин мають немолекулярну будову, складати формули сполук доцільно за ступенем окиснення елементів.

У ковалентних полярних сполуках спільна електронна пара зміщена до більш електронегативного елемента. Цей елемент має частковий негативний заряд. Відповідно елемент, від якого змістилася електронна пара, — частково позитивний. Наприклад, у молекулі води Н₂О до Оксигену зміщуються два s-електрони від двох атомів Гідрогену. Унаслідок цього Гідроген отримує заряд «+» (плюс). Оксиген набуває умовного заряду -2 (мінус два).

Ступені окиснення в сполуках проставляють над символами елемента, наприклад:

Треба запам’ятати, що, проставляючи ступінь окиснення, спочатку ставлять знак «+» чи «-», а потім — його числове значення.

Пригадайте, як позначаються заряди йонів у йонних сполуках.

Справді, у йонних сполуках заряди йонів проставляють після символу елемента вгорі справа, причому спочатку пишуть числове значення, потім — відповідний знак, наприклад: Са 2+ .

Цим відрізняються позначення заряду йона та ступеня окиснення.

Валентність і ступінь окиснення. Учення про будову атомів і хімічний зв’язок допомогло розкрити й зрозуміти фізичний зміст одного з основних понять хімії — валентності. Валентність розглядають як здатність атомів утворювати хімічні зв’язки.

Валентність — це число ковалентних хімічних зв’язків, якими атом з’єднаний з іншими атомами.

З цього визначення можна зробити висновок про те, що число зв’язків, які може утворити атом, дорівнює числу неспарених електронів, що використовуються для утворення спільних електронних пар. Отже, і валентність можна виражати числом неспарених електронів, які можуть утворити спільні електронні пари.

Якщо ж узяти до уваги те, що валентність вимірюється числом ковалентних зв’язків, то для речовин немолекулярної будови поняття валентності втрачає визначеність. Для них характерне тільки поняття ступеня окиснення.

Що можна сказати про ступінь окиснення в сполуках із ковалентним неполярним зв’язком? Адже в них не відбувається зміщення електронів, а електронегативність атомів, що утворюють молекули простих речовин, є однаковою. Вам уже відомо, що в таких сполуках ядра атомів рівновіддалені від спільних електронних пар, що утворюють зв’язок. Тому ступінь окиснення в простих речовинах дорівнює нулю, наприклад, для простих речовин, утворених неметалічними елементами Гідрогеном, Хлором, Оксигеном і т. д.:

Однак валентність атомів елементів не співпадає з числовим значенням ступеня окиснення, оскільки, як уже згадувалося, валентність визначається числом електронів, що утворюють хімічний зв’язок. Тому у вищевказаних сполуках водню, хлору, брому валентність елементів дорівнює 1, у кисню — 2, а в азоту — 3.

Звідси випливає висновок: у простих речовинах, до складу молекул яких входять два атоми, ступінь окиснення та валентність елементів неоднакові.

Треба зазначити, що багато елементів у сполуках проявляють змінний ступінь окиснення. Наприклад, Сульфур у сполуках H₂S, Na₂S проявляє ступінь окиснення -2, бо має більшу електронегативність, аніж Гідроген і Натрій. А в сполуках SO₂, SO₃ Сульфур проявляє позитивний ступінь окиснення, відповідно +4 і +6, бо Оксиген більш електронегативний. Найвищий позитивний ступінь окиснення елемента виявляється тоді, коли всі електрони зовнішнього енергетичного рівня утворюють хімічні зв’язки.

Ураховуючи те, що молекули — електронейтральні, сума позитивних зарядів дорівнює сумі негативних зарядів усередині однієї молекули.

Визначення ступеня окиснення елемента за хімічною формулою сполуки. За хімічною формулою бінарної сполуки визначають ступінь окиснення елемента. Щоб це зробити, необхідно пам’ятати:

• 1) у формулах бінарних сполук елемент із більшою електронегативністю стоїть на другому місці. Це означає, що електронна пара зміщена до цього елемента. У разі йонних сполук електрони перемістилися до цього елемента. Отже, його ступінь окиснення завжди матиме негативний заряд, числове значення якого залежить від кількості зміщених або переміщених електронів;
• 2) сума ступенів окиснення елементів у сполуці дорівнює нулю;
• 3) ступінь окиснення лужних металічних елементів завжди дорівнює +1, а Гідрогену — переважно теж +1 (виняток становлять сполуки металічних елементів з Гідрогеном — гідриди, у яких ступінь окиснення — -1);
• 4) ступінь окиснення Оксигену — -2 (виняток: сполуки OF₂, Н₂О₂);
• 5) ступінь окиснення елемента в простій речовині дорівнює нулю.

Зважаючи на сказане вище, спробуйте визначити ступінь окиснення елемента в бінарних сполуках за поданими формулами: HBr, CaO, Mn₂O₇, СН₄, NH₃, H₂S.

Складання формули сполуки за відомими ступенями окиснення елемента.

Пригадайте, як складають формули бінарних сполук за валентністю атомів елементів.

Формули бінарних сполук за ступенем окиснення складають аналогічно, як за валентністю елементів.

Завдання. Складіть формулу сполуки Хлору, що проявляє ступінь окиснення +7, з Оксигеном.

1. Запишемо символи хімічних елементів і проставимо числові значення їх ступенів окиснення:

2. Знайдемо найменше спільне кратне для чисел 7 і 2, воно становить 14.

3. Поділимо найменше спільне кратне на ступінь окиснення кожного елемента й знайдемо число атомів у складі сполуки, які проставляються індексами.

4. Відповідь: формула сполуки — Сl₂О₇.

ПІДСУМОВУЄМО ВИВЧЕНЕ

• Ступінь окиснення — це умовний заряд атома в сполуці, якщо припустити, що вона складається тільки з йонів.
• Ступінь окиснення визначають числом електронів, що віддав чи приєднав атом, якщо це йонна сполука, або числом зміщених електронів, якщо сполука ковалентна полярна.
• Валентність — це число ковалентних хімічних зв’язків, якими атом з’єднаний з іншими атомами.
• У простих речовинах, до складу молекул яких входять два атоми, ступінь окиснення та валентність елементів різні.
• За хімічною формулою бінарної сполуки визначають ступінь окиснення елемента, а за ступенем окиснення складають формули бінарних сполук.

ЗАВДАННЯ ДЛЯ САМОКОНТРОЛЮ

• 1. Сформулюйте визначення поняття «ступінь окиснення».
• 2. Поясніть, як визначити ступінь окиснення елементів у йонних і ковалентних сполуках.
• 3. Обчисліть ступені окиснення елементів у сполуках, поданих формулами: а) AgСl, СО₂, Cu₂S, ΝΟ₂, Аl₂О₃; б) FeCl₃, NO, Ag₂S, Cr₂О₃, Р₂О₅; в) СаBr₂, Mn₂О₃, Na₃О, Ν₂Ο₃, СО; г) ΝΗ₃, CrО₃, К₂О, Mn₂О₇, Ν₂Ο; ґ) Na₂S, N₂O₅, ZnCI₂, CCI₄, SO₃; д) AlCl₃, CuS, CI₂O₃, MnО₃, OF₂.
• 4. Складіть формули бінарних сполук за ступенями окиснення елементів, що утворені: а) Кальцієм і Хлором; б) Магнієм і Сульфуром; в) Калієм та Оксигеном; г) Літієм і Нітрогеном; ґ) Барієм і Бромом; д) Алюмінієм й Оксигеном; е) Карбоном і Гідрогеном; є) Магнієм і Нітрогеном.
• 5. Обчисліть ступінь окиснення елементів у кислотах, поданих формулами, знаючи, що ступінь окиснення Гідрогену — +1, а Оксигену — -2: Н₃РО₄, HNO₃, H₂SO₄, НClO₄, Н₂MnО₄, НРО₃.

ДОСЛІДЖУЄМО ВДОМА

Дослід 1. Нашатирний спирт є розчином амоніаку у воді. Його використовують для відновлення свідомості під час втрати її людиною. З цією метою нашатирний спирт тримають у домашній аптечці. Дослідіть фізичні властивості цієї речовини й зробіть висновок про тип хімічного зв’язку в молекулі амоніаку.

Дослід 2. Дослідіть, чому поверхні узбереж річок і морів не взаємодіють із водою. Які ще фізичні властивості притаманні силіцій(ІV) оксиду?

Дослід 3. Цей продукт, солоний на смак, — життєво необхідний для людини. Назвіть його та дослідіть фізичні властивості.

НАВЧАЛЬНИЙ ПРОЕКТ

Залежність фізичних властивостей речовин від типів кристалічних ґраток.

I. Виконайте навчальний проект у довільній формі.

II. Проведіть презентацію проекту.