4. Валентность

Валентностью элемента называется свойство его атомов соединяться с определенным числом других атомов.

Количественным выражением валентности являются три показателя: стехиометрическая валентность, электронная валентность и координационное число. В этой главе рассмотривается первый показатель – стехиометрическая валентность.

Стехиометрическая валентность показывает, сколько атомов другого элемента присоединяет атом данного элемента. За единицу валентности принята валентность водорода, так как водород всегда одновалентен. Следовательно, валентность элемента – это число атомов водорода, присоединяемых или замещаемых одним атомом этого элемента. Например, в соединениях HCl, H₂O, NH₃ и CH₄ хлор одновалентен, кислород двухвалентен, азот трехвалентен и углерод четырехвалентен.

Но с водородом образуют соединения не все элементы, а с кислородом – почти все. Стехиометрическая валентность кислорода, как правило, равна двум. Следовательно, валентность элемента равна удвоенному числу атомов кислорода, присоединяемых к атому этого элемента. Например, в соединениях Na₂O, FeO, Cr₂O₃, SnO₂, V₂O₅, SeO₃ и Mn₂O₇ натрий одновалентен, железо двухвалентно, хром трехвалентен, олово четырехвалентно, ванадий пятивалентен, селен шестивалентен и марганец семивалентен.

Стехиометрическую валентность принято выражать римскими числами. Например, в соединениях N₂O, BaO, Al₂O₃, CO₂, P₂O₅, SO₃, Cl₂O₇ и XeO₄ валентность элементов равна I (N), II (Ba), III (Al), IV (C), V (P), VI (S), VII (Cl) и VIII (Xe).

Химические элементы подразделяются на элементы постоянной валентности и элементы переменой валентности. К элементам постоянной валентности относятся:

– водород, фтор и щелочные металлы (валентность I);

– все элементы второй группы, кроме ртути (валентность II);

– все элементы третей группы, кроме таллия (валентность III).

Остальные элементы – переменной валентности, например, сера (II, IV, VI), азот (I, II, III, IV, V), марганец (II, III, IV, V, VI, VII). Максимальное значение валентности таких элементов обычно равно номеру группы в Периодической системе, в которой они расположены. В Периодической системе имеется восемь групп, поэтому валентности выше восьми не бывает.

Максимальная валентность не равна номеру группы у фтора (группа VII, валентность I), кислорода (группа VI, валентность II), меди (группа I, валентность II) и золота (группа I, валентность III). Гелий, неон и аргон не образуют химических соединений, т.е. они имеют нулевую валентность, хотя расположены в восьмой группе Периодической системы.

5. Формулы соединений

Формулы соединений составляются согласно валентности элементов; составление формул облегчается тем, что в названиях соединений валентность элемента переменной валентности указывается, например: оксид марганца (VII), оксид ванадия (V), гидроксид железа (III) и т.д.

В бинарных соединениях (бинарными называются соединения, содержащие атомы двух различных элементов) произведение числа атомов на валентность одного элемента должно быть равно произведению числа атомов на валентность другого элемента: оксид азота (I) N₂O, оксид железа (III) Fe₂O₃, оксид марганца (VII) Mn₂O₇, оксид ванадия (V) V₂O₅, сульфид олова (IV) SnS₂, сульфид мышьяка (V) As₂S₅ и т.д.

В последнее время понятие валентность стало распространяться на устойчивые группировки атомов – ионы. Например, анионы , , , , одновалентны, анионы , , , – двухвалентны, , – трехвалентны. Из этих примеров видно, что стехиометрическая валентность аниона равна его заряду. Точно также и валентность сложных катионов равна их заряду: , , , . Благодаря этому становится понятными формулы оснований и солей: гидроксид железа (III) Fe(OH)₃, сульфат железа (II) FeSO₄, сульфат железа (III) Fe₂(SO₄)₃, нитрат железа (III) Fe(NO₃)₃, сульфат аммония (NH₄)₂SO₄, нитрат диоксоурана (VI) UO₂(NO₃)₂.

Наиболее сложно составлять формулы кислот, так как при отсутствии опыта кажется непонятным, чему равна валентность элемента, образующего кислоту. На самом деле всё не так сложно, как кажется вначале. Следует иметь в виду, что водород в кислотах, как и в других соединениях, одновалентен, кислород двухвалентен, а валентность центрального атома (кислотообразующего элемента) может быть максимальной и немаксимальной. Если в названии кислоты имеются суффиксы -н, -ов или -ев (серная, хромовая, кремневая), то это означает, что валентность кислотообразующего элемента – максимальная, а если суффикс -ист, -оват или -оватист, (сернистая, азотистая, хлорноватая, хлорноватистая) – то не максимальная.

В систематических международных названиях кислот валентность кислотообразующего элемента указывается: HIO₄ – тетраоксоиодат (VII) водорода, H₅IO₆ – гексаоксоиодат (VII) водорода, H₂S₂O₇ – гептаоксодисульфат (VI) водорода и т.д. Тривиальные (не систематические) названия кислот, которые обычно используются, а также названия их солей приводятся в упомянутом выше справочнике.

Формулы соединений подразделяются на простейшие и истинные. Простейшая (эмпирическая) формула отражает количественный состав соединения. Истинная (молекулярная) формула показывает реальный состав молекулы. Например, простейшие формулы пероксида водорода HO, оксида фосфора(V) P₂O₅, персульфата калия KSO₄, а истинные – H₂O₂, P₄O₁₀, K₂S₂O₈. Для большинства неорганических соединений простейшие формулы совпадают с истинными, чего нельзя сказать об органических соединениях, где расхождение между простейшей и истинной формулой вещества встречается часто. Например, простейшей формуле CH соответствуют истинные формулы ацетилена C₂H₂ и бензола C₆H₆.