§ 3. Валентність і ступені окиснення елементів

Валентність елементів. Ви знаєте, що валентність елемента визначається кількістю спільних електронних пар (ковалентних зв’язків), які утворює його атом з іншими атомами за рахунок неспарених електронів.

В атомі Гідрогену є лише один електрон (1s 1 ), який бере участь в утворенні хімічного зв’язку. Тому цей елемент в усіх речовинах одновалентний:

Флуор — теж одновалентний елемент, а Оксиген — двовалентний. Атом Флуору має на зовнішньому енергетичному рівні один неспарений електрон, а атом Оксигену — два:

Отже, кількість неспарених електронів в атомі вказує на можливе значення валентності елемента.

Електронна будова атомів деяких елементів може змінюватися. Однією з умов для цього є наявність в атомі на останньому 1 енергетичному рівні вільних орбіталей. При отриманні атомом певної порції енергії пара зовнішніх електронів роз’єднується і один із них переміщується в нову орбіталь. Атом переходить з основного стану в так званий збуджений стан (його позначають зірочкою справа від символу елемента). При збудженні атома кількість неспарених електронів зростає, і в нього виникає можливість утворювати більшу кількість ковалентних зв’язків. Із таким явищем ви ознайомилися раніше на прикладі атома Карбону:

Наявність у збудженого атома Карбону чотирьох неспарених електронів зумовлює те, що цей елемент майже в усіх речовинах чотиривалентний.

1 Для d-елементів — на передостанньому.

Збуджені стани існують для атомів інших неметалічних елементів — Бору, Силіцію, Фосфору, Сульфуру, Хлору тощо. Якщо для атомів перших трьох елементів можливий один такий стан, то для атомів Сульфуру і Хлору — два і три стани відповідно.

• Проілюструйте збудження атома Бору відповідними електронними формулами.

При збудженні атома Силіцію один 3s-електрон переходить у вільну 3р-орбіталь, а внаслідок збудження атома Фосфору такий електрон займає 3d-орбіталь:

Силіцій, як і Карбон, майже в усіх речовинах чотиривалентний (його збуджений атом містить чотири неспарених електрони). Значення валентності Фосфору — 3 (атом елемента в основному стані має три неспарених електрони) і 5 (збуджений атом містить п’ять неспарених електронів). Приклади відповідних сполук Фосфору — фосфін РН₃, ортофосфатна кислота Н₃РО₄.

Збудження атомів Сульфуру і Хлору супроводжується роз’єднанням електронних пар у 3s- і 3р-орбіталях та переміщенням електрона з кожної пари у вільну 3d-орбіталь. Схема цих процесів для атома Сульфуру:

Приклади сполук дво-, чотири- і шестивалентного Сульфуру — сірководень H₂S, сульфур(ІV) оксид SO₂, сульфатна кислота H₂SO₄.

Збуджені стани для атомів Нітрогену, Оксигену і Флуору неможливі, оскільки всі орбіталі 2-го (зовнішнього) енергетичного рівня цих атомів заповнені одним чи двома електронами.

Інформацію про валентність неметалічних елементів 2-го і 3-го періодів узагальнено в таблиці 1.

Значення валентності неметалічних елементів 2—3-го періодів 1

Періоди

Групи

III

IV

V

VI

VII

3*

* Максимальне значення валентності 4 Нітроген виявляє в йоні амонію (§ 6).

1 У цій і наступних таблицях відомості про елементи і речовини розміщено у клітинках періодичної системи.

Ступені окиснення елементів. Ступінь окиснення — важлива характеристика елемента в речовині. Її використовують у класифікації речовин, для прогнозування можливості окисно-відновних реакцій, при складанні відповідних хімічних рівнянь.

• Який ступінь окиснення має елемент у простій речовині?

Вам відомо, що ступені окиснення елементів у бінарній йонній сполуці дорівнюють зарядам їхніх йонів. Так, у літій хлориді й алюміній сульфіді ступені окиснення елементів становлять +1, -1 та +3, -2 відповідно:

У речовинах молекулярної та атомної будови реалізуються ковалентні зв’язки між атомами. Для того щоб з’ясувати значення ступенів окиснення елементів у таких речовинах, електронні пари ковалентних полярних зв’язків переміщують до більш електронегативних атомів і визначають заряди, які після цього виникають (за потреби використовують таблицю електронегативності елементів, наведену в Додатку 1):

У сполуках, утворених трьома або більшою кількістю елементів, ступені окиснення елементів часто визначають, за правилом електронейтральності: сума ступенів окиснення всіх атомів у речовині дорівнює нулю. Приклади формул сполук із указаними ступенями окиснення елементів:

• Визначте ступені окиснення елементів у сполуках із такими формулами: Li₃N, SCl₂, НСlО₄.

Завдяки переходу атомів у збуджені стани розширюються валентні можливості елементів і водночас збільшується кількість можливих ступенів окиснення елементів у сполуках (табл. 2).

Значення ступенів окиснення елементів указують у назвах речовин (римськими цифрами без знаків «плюс» або «мінус»):

Характерні значення ступенів окиснення елементів 2—3-го періодів у сполуках

Періоди

Групи

І

II

III

IV

V

VI

VII

-3, +3, +5*

* Ступінь окиснення Нітрогену +5 визначають за хімічними формулами відповідних сполук, а не за зміщенням спільних електронних пар атомів.

Поняття «валентність» і «ступінь окиснення». Важливо розрізняти поняття «валентність» і «ступінь окиснення». Валентність визначається кількістю ковалентних зв’язків, які утворює атом, а ступінь окиснення є умовним зарядом на атомі, що виникає, якщо повністю змістити електронні пари ковалентних полярних зв’язків до більш електронегативного атома (атомів).

Значення валентності й ступеня окиснення елемента (без урахування знака «плюс» чи «мінус») у сполуці часто збігаються. Наприклад, значення валентності й ступінь окиснення Карбону в оксиді СО₂ становлять 4 і +4, Сульфуру в сполуці H₂S — 2 і -2. Відомі випадки, коли числові значення цих характеристик елемента в речовині різняться. Це стосується простих речовин, деяких сполук. Так, у хлорі Сl₂ елемент Хлор є одновалентним (його атом утворює простий ковалентний зв’язок з іншим атомом: Cl—Сl), а ступінь окиснення елемента дорівнює нулю. У гідроген пероксиді Н₂О₂ Гідроген одновалентний, Оксиген двовалентний (графічна формула молекули Н—О—О—Н), а ступені окиснення Гідрогену і Оксигену становлять +1 і -1 відповідно.

Аналіз відомостей, наведених у таблицях 1 і 2, свідчить, що при переході від одного періоду до іншого значення валентності й ступенів окиснення елементів головної підгрупи певної групи в більшості випадків повторюються. Ця тенденція поширюється і на хімічні елементи побічних підгруп.

ВИСНОВКИ

Кількість неспарених електронів в атомі вказує на можливе значення валентності елемента. При збудженні атома кількість таких електронів збільшується за рахунок роз’єднання електронних пар. Цей процес відбувається при поглинанні атомом енергії та за наявності на останньому енергетичному рівні вільної орбіталі, в яку переходить електрон з електронної пари.

Завдяки збудженню атомів розширюються валентні можливості елементів та інтервал значень їх ступенів окиснення.

Значення валентності й ступенів окиснення елементів зі зростанням зарядів ядер атомів періодично повторюються.

а) атоми яких перебувають лише в основному стані;

б) для атомів яких збуджений стан є характерним.

Запишіть скорочені електронні формули атома Хлору в кожному стані й зобразіть графічні варіанти цих формул.

• 25. Укажіть формули молекул, які утворює атом Хлору в збудженому стані: Сl₂О, SCl₄, НСlO₃, Cl₂, Сl₂О₇, ClF₃.
• 26. Чому в таблицях 1 і 2 відсутні елементи VIII групи Неон і Аргон?
• 27. Які значення валентності та ступені окиснення має Карбон у метані, етані, етені та етині?
• 28. Укажіть правильне закінчення речення «У простій речовині нульове значення. »:

а) мають валентність і ступінь окиснення елемента;

б) має лише валентність елемента;

в) має лише ступінь окиснення елемента.

• 29. Визначте ступені окиснення Фосфору в сполуках із формулами Са₃Р₂, РВr₅, НРO₃.
• 30. Берилій і Магній — елементи, ступінь окиснення яких у сполуках постійний і однаковий (який саме?). Обґрунтуйте таку їхню властивість.

§ 2. Збуджений стан атома. Валентні стани елементів. Можливі ступені окиснення неметалічних елементів другого і третього періодів

Збуджений стан атома. У 9 й 10 класах ви дізналися про основний і збуджений стани атома Карбону та його валентні можливості (мал. 2.1).

Рис. 2.1. Будова атома Карбону в основному і збудженому станах

Пригадайте: електронні конфігурації атомів з найменшою енергією називають основними. Унаслідок отримання енергії ззовні можливий перехід електронів на вищий підрівень, де є вільні орбіталі. Тобто атом переходить у збуджений стан.

Такий перехід відбувається внаслідок опромінення або нагрівання речовини. Стан, який потребує для підвищення енергії електрона найменших затрат енергії, називають першим збудженим станом. Збуджений стан атома позначають зірочкою – Е*. Наприклад, перший збуджений стан атома Сульфуру зумовлений переходом одного з 3р_х-електронів на 3d-підрівень:

Другий збуджений стан атома Сульфуру зумовлений переходом на 3d-підрівень одного з 3s-електронів:

Зверніть увагу: збуджений стан атома – нестійкий. Тому через деякий час електрон, утративши енергію, переходить на енергетичний підрівень з меншою енергією, унаслідок переходу відбувається випромінення фотона – порції (кванта) світла.

Валентні стани елементів та їхні ступені окиснення пов’язані між собою та зумовлені особливостями будови зовнішнього енергетичного рівня атомів. Виконавши завдання, наведені далі, ви зможете дійти щодо цього певних висновків.

1. Сульфур виявляє змінну валентність – II, IV, VI. Проаналізуйте графічні варіанти електронних формул атома Сульфуру в основному й збуджених станах, наведені вище. Скільки неспарених електронів в атомі Сульфуру в кожному із станів? Яким значенням валентності Сульфуру вони, на вашу думку, відповідають? 2. Зобразіть графічний варіант електронної формули атома Оксигену. Чи можливий його перехід у збуджений стан? Чому?

Цікаво і пізнавально

Валентність – багатозначний термін. Наприклад, у мовознавстві – це здатність слова визначати кількість і якість залежних від нього словоформ, зумовлена його семантичними та граматичними властивостями, у психології – позитивна або негативна цінність, значущість об’єкта, події або дії для суб’єкта, їхня мотиваційна (спонукальна) сила.

Порівняймо можливі ступені окиснення розташованих в одній групі неметалічних елементів другого й третього періодів на основі електронної будови їхніх атомів.

1. Зобразіть графічні варіанти електронних формул Флуору та Хлору в основному стані й проаналізуйте їх. Атоми якого із цих двох хімічних елементів можуть перейти в збуджений стан? Чому? 2. Скількох електронів не вистачає атому кожного із цих елементів для набуття стійкої 8-електронної структури – октету? 3. Якого ступеня окиснення набудуть Флуор та Хлор, якщо зовнішні енергетичні рівні їхніх атомів стануть завершеними? 4. Скільки неспарених електронів в атомі Флуору й атомі Хлору в основному стані? 5. Зобразіть графічні варіанти електронних формул атома Хлору в збудженому стані та проаналізуйте їх. 6. Скільки неспарених електронів в атомі Хлору в першому збудженому стані? У другому? У третьому? Скільки електронів може віддати атом Хлору в кожному із цих станів? Якого ступеня окиснення набуде Хлор унаслідок цього? 7. Складіть хімічні формули фторидів Хлору для основного та першого й другого збуджених станів атома Хлору. 8. Визначте ступені окиснення Хлору в речовинах, формули яких СаСl₂, Сl₂О, NaClO, КСlО₃, NaClO₂, КСlО₄, Сl₂.

Знання про будову електронних оболонок атомів хімічних елементів, основний і збуджений стан атомів допоможуть вам зрозуміти, чому багато хімічних елементів виявляють змінну валентність, та глибше усвідомити фізичний зміст явища періодичності, про яке йтиметься в наступному параграфі.

ПРО ГОЛОВНЕ

• В основному стані енергія електронів в атомі мінімальна.

• Унаслідок отримання енергії ззовні атом може перейти в збуджений стан.

• Збуджений стан атома – нестійкий.

• Валентні стани хімічних елементів та їхні ступені окиснення пов’язані між собою та зумовлені особливостями будови зовнішнього енергетичного рівня атомів.

Перевірте себе

• 1. Перетворіть розповідні речення рубрики ПРО ГОЛОВНЕ на питальні. Чи можете ви відповісти на ці запитання без допомоги підручника?

Застосуйте свої знання й уміння

• 2. Зобразіть графічні варіанти електронних формул атомів елементів другого та третього періодів. Оцініть можливість переходу їхніх атомів у збуджений стан та їхні валентні можливості. Порівняйте кількість збуджених станів у тих з них, що можуть у нього перейти.
• 3. Порівняйте валентні можливості: а) Нітрогену й Фосфору; б) Карбону й Силіцію.
• 4. Спрогнозуйте можливі ступені окиснення неметалічних елементів 2 і 3 періодів, порівняйте їх у межах: а) періодів; б) груп.

Творча майстерня

• 5. Розробіть алгоритм складання графічного варіанта електронної формули атома хімічного елемента.