1.3. Простые вещества и соединения

Простыми называются вещества, в состав которых входят атомы одного и того же химического элемента.

Простое вещество и химический элемент – это не тождественные понятия, хотя такое отождествление иногда ошибочно делается. Исторически сложилось так, что простые вещества называются также как и химические элементы, но это не одно и то же. Например, говорят: 1) в состав воды (H₂O) входит кислород; 2) мы дышим кислородом. В первом случае речь идет о химическом элементе кислороде, а во втором – о веществе О₂, который находится в воздухе.

Если бы понятия «химический элемент» и «простое вещество» были тождественными понятиями, то простых веществ было бы столько же, сколько химических элементов (112), но в действительности их несколько сотен. Объясняется это тем, что многие элементы образуют не одно, а несколько простых веществ. Это явление называется аллотропией. Различные простые вещества, образованные одним и тем же химическим элементом, называются аллотропическими модификациями (видоизменениями) этого вещества. Они отличаются составом молекул (О₂, О₃), кристаллическим строением (алмаз, графит) или и тем и другим (белый фосфор – молекулы Р₄, красный – полимерное вещество).

Сложными называются вещества, в состав которых входят атомы различных химических элементов. Сложные вещества называются химическими соединениями. Они подразделяются на органические (их изучает органическая химия) и неорганические.

Неорганические соединения разнообразны по составу и свойствам. В химической практике чаще всего приходится иметь дело с четырьмя классами неорганических соединений: оксидами, основаниями, кислотами и солями. Эти классы неорганических соединений называются важнейшими или основными. Каждый класс важнейших соединений, в свою очередь, подразделяется на группы веществ, близких по свойствам. Классификации, свойствам и номенклатуре неорганических соединений посвящена следующая глава этого пособия.

1.4. 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 рассматривается 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, следовательно, валентности выше восьми не бывает.

Примечание. 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.