Учебник по Химии.

Оглавление учебника

Валентность и степень окисления.

Валентность атома относится к основным понятиям химии. Она характеризует способность атомов элементов к образованию химических связей. валентность определяется, как число химических связей, которыми данный атом соединен с другими. Число же связей, которые может образовывать атом, равно числу его неспаренных электронов. И валентность атома элемента в простейших случаях определяется числом неспаренных электронов в нем, идущих на образование общих электронных пар. При этом не учитывается полярность образовавшихся связей, а потому валентность не имеет знака. Валентность, определяемая, как число связей, не может быть ни отрицательной, ни нулевой. Валентность азота в молекуле азотной кислоты равна 4. В настоящее время структурную формулу азотной кислоты изображают так:



Оба атома кислорода, связанные только с азотом, равноценны; они находятся на одинаковом расстоянии от атома азота и несут каждый по половинному заряду электрона, т.е. четвертая связь азота разделена поровну между двумя атомами кислорода. При этом атомы в молекуле имеют устойчивые электронные конфигурации внешних уровней: у кислорода и азота— восьмиэлектронные, а у водорода — двухэлектронные. Электронную структуру азотной кислоты последовательно можно вывести так:

1. Атом водорода связывается с атомом кислорода ковалентной связью:



2. За счет неспаренного электрона атом кислорода образует ковалентную связь с атомом азота:



3. Два неспаренных электрона атома азота образуют ковалентную связь со вторым атомом кислорода:



4. Третий атом кислорода, возбуждаясь, образует свободную 2р-орбиталь путем спаривания неспаренных электронов (при возбуждении такое спаривание возможно). Взаимодействие неподеленной пары азота со свободной орбиталью третьего атома кислорода приходит к образованию молекулы азотной кислоты:



В азотной кислоте атом азота может отдать один электрон с подуровня 2s одному из атомов кислорода и тогда будет иметь четыре неспаренных электрона, т.е. станет четырехвалентным в виде Н+ (первая формула).Азот не может быть пятивалентным. Высшим пределом является такое значение валентности, которое равно числу возможных орбиталей (квантовых ячеек) на внешнем уровне атома. У атомов элементов второго периода, куда входит и азот, на внешнем уровне имеется четыре орбитали: одна s- и три p-орбитали. А значит, максимальное число ковалентных связей (в том числе и образованных по донорно-акцепторному механизму) 4. С увеличением же номера периода возрастает число образуемых связей, т.е. возрастает валентность элементов. Однако степень окисления азота в азотной кислоте равна +5.Сопоставим оба понятия. Степень окисления - условное, формально понятие. Степень окисления - это условный заряд атома в соединении, вычисленный исходя из предположения, что оно состоит только из ионов. Это понятие можно определить и иначе: степень окисления —это тот электрический заряд, который возник бы на атоме, если бы электронные пары, которыми он связан с другими атомами в соединении, перешли к более электроотрицательным атомам, а электронные пары, принадлежащие одинаковым атомам, были бы между ними поделены.Степень окисления выражает значение электрического заряда (в единицах заряда электрона) и основывается на предположении о принадлежности электронов каждой связи в молекуле или ионе более электроотрицательным атомам. Степень окисления может иметь отрицательное, положительное и нулевое значение, которое обычно выражают арабскими цифрами со знаком + или — и ставят над символом элемента. Например Na⁺¹₂, О ^-2, Cl⁰₂.Отрицательное значение степени окисления имеют атомы, которые приняли электроны от других атомов, т.е. в их сторону смещено связующее электронное облако. Отрицательную степень окисления (-1) имеет атом фтора во всех его соединениях. Положительное значение степени окисления имеют атомы, отдающие свои электроны другим атомам, т.е. связующее электронное облако оттянуто от них. К таковым относятся металлы в соединениях. Степень окисления щелочных металлов равна +1, в щелочноземельных +2.Нулевое значение степени окисления имеют атомы в молекулах простых веществ, например водорода, хлора, азота, так как в этом случае электронное облако в равной мере принадлежит обоим атомам. Если вещество находится в атомном состоянии, то степень окисления его атомов также равна нулю. Степень окисления может представлять собой и дробное число. Например, степень окисления железа в магнитном железняке Fe3O4 равна + 8/3. Например, эффективный заряд хлора в хлороводороде равен -0,18, а в хлориде натрия -0,87, однако степень окисления хлора равна -1 (учитывается только число принятых или отданных электронов). К тому же далеко не все вещества состоят из ионов .Во многих случаях степень окисления атома элемента не совпадает с числом образуемых им связей, т.е. не равна валентности данного элемента. Особенно наглядно это видно на примере органических соединений. Известно, что в органических соединениях валентность углерода равна 4 (образует четыре связи), однако степень окисления углерода, как легко подсчитать, в метане СН4 равна -4, метаноле СНзОН -2, в формальдегиде СН20 0, в муравьиной кислоте НСООН +2, в СО 2 +4. Валентность измеряется только числом ковалентных химических связей, в том числе возникших и по донорно-акцепторному механизму. Нельзя говорить о валентности атомов в соединениях в которых отсутствуют ковалентные связи, надо говорить о степени окисления. В неорганической химии во многих случаях валентность атома теряет определенность: ее числовое значение зависит от знания химического строения соединения. По формулам большинства неорганических соединений можно судить лишь о степени окисления элементов, а не о их валентности. Поэтому в неорганической химии предпочтительнее применять понятие степени окисления, а в органической—валентности. Это оправдано тем, что большинство органических соединений имеет немолекулярное строение, а большинство органических — молекулярное. И нельзя эти два понятия отождествлять, даже если они численно совпадают.