3.2.5. Валентность

Для стехиометрических расчетов, а также для составления химических формул и уравнений необходимо знание количественных соотношений атомов различных элементов, в которых они соединяются или взаимодействуют. Такая информация передаётся стехиометрической валентностью. Напоминаем, что стехиометрическая валентность элемента показывает, со сколькими атомами одновалентного элемента соединяется атом данного элемента. Примером одновалентного элемента является водород, поэтому стехиометрическая валентность указывает на то, со сколькими атомами водорода соединяется атом рассматриваемого элемента. Так, в HCl хлор одновалентен, в H₂O кислород двухвалентен, в NH₃ азот трехвалентен и т.д.

Водородные соединения известны не для всех элементов, но почти все элементы образуют соединения с кислородом, который всегда стехиометрически двухвалентен. Поэтому валентность элементов можно определять по составу их кислородных соединений. Например, калий одновалентен (K₂O), барий двухвалентен (BaO), алюминий трехвалентен (Al₂O₃).

Многие элементы проявляют несколько стехиометрических валентностей, т.е. они могут образовывать с другим элементом несколько соединений разного стехиометрического состава. Например, азот в соединениях с кислородом может быть одновалентным (N₂O), двухвалентным (NO), трехвалентным (N₂O₃), четырехвалентным (NO₂) и пятивалентным (N₂O₅).

Понятие о стехиометрической валентности было введено в химию задолго до того, как стало известно строение атомов (Франкланд, 1853). При изучении строения атомов было установлено, что максимальная стехиометрическая валентность элементов равна числу электронов в их атомах на внешнем энергетическом уровне.

Для всех элементов главных подгрупп число внешних электронов у их атомов равно номеру группы. Внешние электроны одновременно являются валентными электронами, поэтому высшая стехиометрическая валентность элементов главных подгрупп равна номеру группы. Исключением из этого правила является кислород, который всегда двухвалентен, хотя находится в шестой группе, и фтор, который находится в седьмой группе, но всегда одновалентен. В таблице 3.5 приведены значения максимальной стехиометрической валентности элементов трех первых периодов.

Таблица 5. Максимальная стехиометрическая валентность

элементов первого, второго и третьего периодов

Элемент	Валентность	Элемент	Валентность	Элемент	Валентность
H	1	Li	1	Na	1
		Be	2	Mg	2
		B	3	Al	3
		C	4	Si	4
		N	5	P	5
		O	2	S	6
		F	1	Cl	7

Максимальная стехиометрическая валентность химических элементов главных подгрупп является периодическим свойством (рис. 3.4): в периодах она увеличивается, а в группах постоянна и равна номеру группы (кроме кислорода и фтора). Для элементов побочных подгрупп эта характеристика также является периодическим свойством, но зависимость их стехиометрической валентности от положения в Периодической системе является более сложной.

Рис 3.4. Зависимость стехиометрической валентности от атомного номера элемента.

Пример 3.3. Руководствуясь положением элементов в периодической системе, напишите формулы соединения алюминия с водородом, кислородом, углеродом и фтором.

Решение. Алюминий трёхвалентный, кислород двухвалентен, углерод четырёхвалентен, фтор одновалентен. В формулах бинарных (двух элементных) соединений произведение числа атомов и валентности одного элемента равно такому же произведению для другого элемента. Этому правилу соответствуют формулы AlН₃ (гидрид алюминия), Al₂O₃ (оксид алюминия), Al₄C₃ (карбид алюминия), AlF₃ (фторид алюминия).