Валентність. Молекулярні формули

Введемо ще один важливий термін, потрібний нам для подальшої роботи: валентність. Валентність атома – це його здатність утворювати певне число хімічних зв’язків з іншими атомами. Наприклад, число рисок, що відходять від символу елемента в структурних формулах, одно валентності цього елемента. Подивіться на наведені нижче структурні формули деяких речовин – з них видно, що водень і хлор одновалентних, кисень двухвалентен, вуглець чотиривалентний, а азот трьохвалентний. Точками тут позначені неподіленого пари електронів, але в структурних формулах їх показують не завжди (у зв’язуванні вони безпосередньо не беруть участь, хоча є важливими з точки зору правила октету). У структурних формулах кожна риска – це саме поділена пара електронів. Тому можна дати таке визначення валентності:

Валентність визначається як число електронних пар, якими даний атом пов’язаний з іншими атомами.

Оскільки в хімічній зв’язку беруть участь тільки електрони зовнішніх оболонок, такі електрони називають валентними. Одинична (проста) зв’язок виникає, коли атоми ділять між собою одну пару валентних електронів.

Структурні формули наочно показують склад речовини, послідовність зв’язування атомів один з одним і валентність елементів. Але якщо така докладна інформація не потрібна, склад речовини можна записувати у вигляді скорочених хімічних формул:

H2 (водень) Cl2 (хлор) CO2 (вуглекислий газ) H2O (вода) N2H4 (гідразин) N2 (азот)

У даному випадку всі речовини складаються з молекул, тому такі формули називають не просто скороченими, а молекулярними. Цифра, що стоїть внизу праворуч від символу елемента, називається індексом. Індекс показує, скільки атомів даного елемента міститься в молекулі. Індекс 1 ніколи не пишуть.

Молекулярна формула показує, скільки атомів кожного елемента входить до складу молекули речовини.

Однак є багато речовин, в яких атоми не утворюють окремих молекул, а пов’язані один з одним в ” нескінченні ” каркаси (докладніше ви познайомитеся з ними в § 3.8). У цьому випадку можна виділити лише окремий повторюваний фрагмент з атомів в такому речовині. Наприклад, металева мідь складається з атомів (а не з молекул) міді, тому найменший повторюваний фрагмент цієї речовини – атом Cu. Формула міді така ж: Cu. Сполуки NaCl і CaF2 в твердому вигляді складаються з іонів, причому важко розрізнити, які атоми ” персонально ” пов’язані один з одним. Але окремі повторювані фрагменти (їх називають “структурні одиниці “) складаються з атомів цих елементів саме в таких співвідношеннях, як ми тільки що записали. Кварц являє собою “нескінченний ” каркас з атомів кремнію і кисню, але найменший повторюваний фрагмент (структурна одиниця) цього каркаса містить один атом Si і два атоми O. Тому формула кварцу – SiO2. У цьому випадку скорочені формули на кшталт Cu, NaCl, CaF2, SiO2, строго кажучи, не можна називати молекулярними. Однак вони теж висловлюють елементний склад речовини і в цьому сенсі нічим принципово від молекулярних формул не відрізняються.

** Існує також найближча ” родичка ” скороченою формули – так звана емпірична формула. Вона показує лише співвідношення між кількістю атомів різного виду в з’єднанні. Наприклад, молекулярна формула гідразину N2H4 говорить про те, що молекула цієї речовини дійсно складається з 2- х атомів азоту і 4- х атомів водню. А емпірична формула гідразину NH2 говорить лише про те, що в цьому речовині атомів водню вдвічі більше, ніж атомів азоту. Індекси в емпіричних формулах можуть бути не тільки цілими, а й дробовими числами. Як видно з уже наведених тут формул, молекулярна або скорочена формула речовини часто або збігається з емпіричної формулою, або кратна їй.

Формули речовин в простих випадках можна складати за валентністю входять до них елементів. І навпаки, знаючи валентності елементів, можна правильно скласти з них хімічну формулу.

** Але як визначають валентності елементів ? Для цього можна користуватися нашими знаннями про будову зовнішніх електронних оболонок атомів, як ми це вже робили при визначенні валентностей водню, хлору, натрію, фтору, кисню та азоту в їх конкретних хімічних сполуках.

Деякі елементи проявляють в будь-яких з’єднаннях одну і ту ж валентність. Такі, наприклад, водень, натрій, калій, срібло, фтор (валентність I); або магній, кальцій (валентність II). Інші елементи можуть – залежно від партнерів по хімічній реакції – проявляти кілька різних валентностей. Причину цього ми легко пояснимо трохи пізніше, виходячи з будови їх атомів.

У той час, коли хіміки ще нічого не знали про будову атомів, вони успішно визначили валентності багатьох елементів за даними хімічного аналізу.

Аналіз дозволяє з’ясувати склад з’єднання, тобто чисельне співвідношення атомів різних елементів у молекулі – молекулярну формулу. Робиться це шляхом точного визначення маси кожного елемента в зразку, ретельно очищеному від домішок інших речовин. З методикою аналізу ви познайомитеся пізніше, в курсі органічної хімії. Зараз же ми скористаємося результатами вже проведеного аналізу для визначення валентності, наприклад, азоту.

Припустимо, аналіз чистого зразка газу аміаку дає для його молекули формулу NH3. Можна скористатися тим обставиною, що валентність водню завжди I (традиційно валентність позначають римськими цифрами). Оскільки водень завжди одновалентен, його атоми в цьому з’єднанні не можуть бути пов’язані між собою. Значить, вони пов’язані з азотом. Висновок: валентність азоту III.

Посилання на основну публікацію