Данный урок посвящен повторению понятия «валентность» и изучению принципов определения валентных возможностей атомов химических элементов. В ходе изучения материала вы узнаете, сколько атомов других химических элементов может присоединить к себе конкретный атом, а также почему элементы проявляют разные значения валентности.

I. Повторение

Повторите из курса 8 и 9 класса:

1. Валентность химических элементов
2. Степень окисления и валенность

II. Cтепень окисления атомов в молекулах органических веществ

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 СН_зОН -2, в формальдегиде СН₂О 0, в муравьиной кислоте НСООН +2, в СО₂  +4. Валентность измеряется только числом ковалентных химических связей, в том числе возникших и по донорно-акцепторному механизму.

Степень окисления - условный заряд атома в молекуле, который получает атом в результате полной отдачи (принятия) электронов, вычисленный из предположения, что все связи имеют ионный характер.

Для определения степени окисления (СО) атомов в молекулах органических веществ существуют разные приёмы, вот один из способов. Он означает, что более электроотрицательный атом, смещая к себе одну электронную пару, приобретает заряд -1, две электронных пары - заряд -2. Связь между одинаковыми атомами не дает вклада в степень окисления. Таким образом, связь между атомами С-С соответствует нулевой степени их окисления. В связи C-H углероду как более электроотрицательному атому соответствует заряд -1, а в связи C-O заряд углерода (менее электроотрицательного) равен +1. Степень окисления атома в молекуле подсчитывается как алгебраическая сумма зарядов, которые дают все связи данного атома.

Пример №1

В молекуле CH₃Cl три связи C-H дают суммарный заряд на атоме C, равный -3, а связь C-Cl - заряд +1. Следовательно, степень окисления атома углерода в этом соединении равна: -3+1=-2.

Пример №2

Определим степени окисления  (СО) атомов углерода в молекуле этанола:C^-3H₃ – C^-1H₂ – OH

Три связи C-H дают суммарный заряд на атоме C, равный (С⁰+3е^-→С^-3) -3.

Две связи С-Н дают заряд на атоме С, равный -2,а связь С→О заряд +1, следовательно, суммарный заряд на атоме С, равен (-2+1=-1) -1.

Пример №3

Определим СО атомов углерода  в молекуле уксусной кислоты: С^-3Н₃ – С⁺³О – ОН

Три связи C-H дают суммарный заряд на атоме C, равный (С⁰+3е^-→С^-3) -3.

Двойная  связь С=О (кислород как более электроотрицательный, забирает электроны у атома углерода) даёт заряд на атоме С, равный +2 (С⁰-2е^-→С⁺²),а связь С→О заряд +1, следовательно, суммарный заряд на атоме С, равен (+2+1=+3) +3.

Пример №4

Определим СО атомов углерода  в молекуле уксусного альдегида:С^-3Н₃ – С⁺¹О – Н

Три связи C-H дают суммарный заряд на атоме C, равный (С⁰+3е^-→С^-3) -3.

Двойная  связь С=О (кислород как более электроотрицательный, забирает электроны у атома углерода) даёт заряд на атоме С, равный +2 (С⁰-2е^-→С⁺²),а связь С-H заряд -1, следовательно, суммарный заряд на атоме С, равен (+2-1=+1) +1.

Пример №5

Определим СО атомов углерода  в молекуле глюкозы С₆Н₁₂О₆:

         Н      Н      Н     Н       Н

          ↓       ↓       ↓      ↓         ↓    

Н → С  –  С –   С  –  С  –  С  –  С => О

          ↓      ↓        ↓      ↓        ↓        ↑

         ОН  ОН   ОН   ОН   ОН     Н

С^-1  (принимает электроны у двух атомов водорода С⁰+2е^-→С^-2 и отдаёт один электрон атому кислорода С⁰-1е^-→С⁺¹)

С⁰      (принимает электрон у атома водорода С⁰+1е^-→С^-1  и отдаёт один электрон атому кислорода С⁰-1е^-→С⁺¹)

С⁺¹  (принимает электроны у атома водорода С⁰+1е^-→С^-1 и  отдаёт два электрона атому кислорода С⁰-2е^-→С⁺²)

III. Валентность

Слово «валентность» (от лат. «valentia») возникло в середине XIX в., в период завершения химико-аналитического этапа развития химии. К тому времени было открыто более 60 элементов. Истоки понятия «валентность» содержатся в работах разных ученых. Дж.Дальтон установил, что вещества состоят из атомов, соединенных в определенных пропорциях. Э. Франкланд, собственно, и ввел понятие валентности как соединительной силы. Ф.А. Кекуле отождествлял валентность с химической связью. А.М.Бутлеров обратил внимание на то, что валентность связана с реакционной способностью атомов. Д.И.Менделеев создал периодическую систему химических элементов, в которой высшая валентность атомов совпадала с номером группы элемента в системе. Он же ввел понятие «переменная валентность».

Валентность– это количество ковалентных связей, которое образует атом в соединении с ковалентной связью.

		Валентность азота равна III, т.к. азот образует три связи
		Валентность азота равна IV, т.к. азот образует четыре связи

Валентностьатома химического элемента не может быть выше полного числа орбиталей на внешнем уровне этого элемента.

Например,

Азот	7 N 1s22s22p3	У атома азота на внешнем втором  уровне 1s и 3p орбитали, всего 4 орбитали, следовательно, максимально возможная валентность равна IV
Фосфор		У атома фосфора в основном (стационарном) состоянии валентность как и у азота равна IV
		У атома фосфора, в отличие от азота есть свободные d – орбитали, поэтому для фосфора характерно возбуждённое состояние, когда 3s2 электроны распариваются и валентность принимает значение V

Валентные возможностиатомов определяются числом не спаренных электроном, а так же числом не поделённых электронных пар способных переходить на свободные орбитали атома другого элемента (участвовать в образовании ковалентной связи по донорно-акцепторному механизму).

Например, образование третьей связи при образовании иона гидроксония, неподелённая пара электронов атома кислорода (донор) переходит на свободную орбиталь иона водорода (акцептор):

Рассмотрим электронографические формулы элементов  и установим причину разной валентности.

Валентность  Н – I, Нe – 0, Be –II, B – III, P – III,V.  

Вывод
Валентные возможности атомов химических элементов определяются:

1) числом неспаренных электронов (одноэлектронных орбиталей);

2) наличием свободных орбиталей;

3) наличием неподеленных пар электронов.

IV. Вопросы для закрепления

1.    Какими тремя факторами определяются валентные возможности атомов химических элементов?

2.    Почему максимальная валентность атомов элементов второго периода не может быть больше четырех?

3.    Вспомните, чем отличаются понятия валентности и степени окисления. Что между ними общего?

4.    Укажите валентность и степень окисления атомов азота в ионе аммония NH4⁺

5.    Определите валентность и степень окисления атомов углерода в веществах с формулами С₂Н₆, С₂Н₄, С₂Н₂, этиленгликоле,  феноле.

6.    Определите валентность и степень окисления атомов в веществах с формулами N₂, NF₃, Н₂О₂, ОF₂, О_2, F₂, СО.

7.    Определите валентные возможности атомов серы и хлора в основном и возбужденном состояниях.