Как составить графическую формулу по валентности

2.5. Валентность
элементов. Графические формулы веществ

Рассмотрим
химические формулы соединений некоторых элементов с водородом:

Как
видно из этих примеров, атомы элементов хлора,
кислорода, азота, углерода присоединяют не любое, а только определенное
число атомов водорода (1,2,3,4 атома
соответственно).

Между
атомами в химических соединениях существуют химические связи. Напишем формулы, в которых каждая химическая
связь обозначается черточкой:

Такие
формулы называются графическими.

Графические
формулы веществ
– это формулы, которые показывают порядок соединения атомов в молекулах и число
связей, которые образует каждый атом.

Число химических
связей, которые образует один атом данного элемента в данной молекуле,
называется валентностью элемента.

Валентность
обозначается римскими цифрами: I, II, III, IV,
V, VI, VII, VIII.

Во
всех рассматриваемых молекулах каждый атом водорода образует одну связь;
следовательно, валентность водорода равна единице.

Некоторые
элементы имеют постоянную валентность.

Элементы с
постоянной валентностью – это элементы, которые во всех соединениях проявляют одинаковую валентность.

Большинство
элементов имеют переменную валентность.

Элементы с
переменной валентностью – это элементы, которые в разных соединениях могут
иметь различные значения валентности.

Наиболее характерные значения валентности некоторых
элементов

Для
определения валентности таких элементов в каком-либо данном соединении можно
использовать правило валентности.

Используя
правило валентности, можно составлять
формулы бинарных соединений, т.е. определять индексы в этих формулах.

Алгоритм составления
формулы соединения оксида фосфора

Обратите
внимание, что в большинстве бинарных соединений атомы одного элемента непосредственно
друг с другом не соединяются.

Напишем
графические формулы некоторых соединений:

УПРАЖНЕНИЯ

Металл	Валентность	Серная кислота H2SO4	Соляная кислота HCl
Кислотный остаток		SO4(II)	Cl (I)
Ba	II
Na	I

Решение:

Металл	Валентность	Серная кислота H2SO4	Соляная кислота HCl
Кислотный остаток		SO4(II)	Cl (I)
Ba	II	BaSO4	BaCl2
Na	I	Na2SO4	NaCl

_______________________________________________________________

Решение:  Валентность
водорода нам известна — она постоянна и равна I. Умножаем валентность Н на
число атомов водорода в молекуле аммиака: 1 • 3 = 3. Следовательно, для азота
произведение 1 (число атомов N) на X (валентность азота) также должно быть
равно 3. Очевидно, что Х = 3. Ответ: N(III), H(I).

_______________________________________________________________

Решение: У кислорода валентность постоянна (II), в молекуле
данного оксида пять атомов кислорода и два атома хлора. Пусть валентность хлора
= Х. Составляем уравнение: 5 • 2 = 2 • Х. Очевидно, что Х = 5. Ответ: Cl(V),
O(II).

_______________________________________________________________

Решение: Пусть формула соединения — S_xF_y.
Валентность серы дана (VI), валентность фтора постоянна (I). Вновь составляем
уравнение: 6 • x = 1 • y. Несложно понять, что наименьшие возможные значения
переменных — это 1 и 6. Ответ: SF₆.

_______________________________________________________________

ЗАДАНИЯ  ДЛЯ  САМОСТОЯТЕЛЬНОГО РЕШЕНИЯ

а) марганца (II) и кислорода;  б) марганца (IV) и кислорода;   в) марганца (VI) и кислорода;  г) бария и кислорода.

Напишите графические формулы этих веществ.

1.     Максимальная валентность атома фосфора:
а) +5	б) V
в) +4	г) IV
2.     Отметьте  формулы соединений, в которых валентность углерода равна IV:
а) все ответы верны	б) СО2
в) СН4	г) Н2СО3
3.     Валентность, равную номеру группы, могут проявлять:
а) углерод	б) азот
в) кислород	г) цинк
4.     Чему равна валентность фосфора в соединении Р2О5:
а) V	б) II
в) III	г) VI
5.     Чему равна валентность фосфора в соединении РН3:
а) III	б) VI
в) I	г) V
6.     Выберите элементы с постоянной валентностью, равной  I:
а) Na, P	б) Na, K
в) K, O	г) H, Zn
7.     Выберите элементы с постоянной валентностью, равной  II:
а) Na, P	б) H, Zn
в)Ca,  Mg	г) Ca, K
8.     Выберите элементы с постоянной валентностью, равной  III:
а) Al, B	б) Ca, K
в) K, O	г) Al, H
9.     Элементы с переменной валентностью – это:
а) элементы, которые во всех соединениях проявляют одинаковую валентность	б) элементы, которые в разных соединениях могут иметь различные значения валентности
в) элементы, которые в одинаковых соединениях могут иметь различные значения валентности	г) нет верного ответа
10.                        Элементы с постоянной валентностью – это:
а) элементы, которые в одинаковых соединениях могут иметь различные значения валентности	б) нет верного ответа
в) элементы, которые во всех соединениях проявляют одинаковую валентность	г) элементы, которые в разных соединениях могут иметь различные значения валентности

Ответы:

1	б
2	а
3	а
4	а
5	а
6	б
7	в
8	а
9	б
10	в

При
графическом изображении формул веществ указывается последовательность расположения
атомов в молекуле с помощью, так называемых валентных штрихов (термин
«валентный штрих» предложил в 1858 г. А. Купер для обозначения химических сил
сцепления атомов), иначе называемых валентной чертой (каждая валентная черта,
или валентный штрих, эквивалентны одной паре электронов в ковалентных
соединениях или одному электрону, участвующему в образовании ионной связи).
Часто неправильно принимают графическое изображение формул за структурные
формулы, приемлемые только для соединений с ковалентной связью и показывающие
взаимное расположение атомов в молекуле.

Так, формула Nа—СL не является структурной, так как NаСI — ионное соединение, в его
кристаллической решетке отсутствуют молекулы (молекулы NаСL существуют только в газовой фазе).
В узлах кристаллической решетки NаСI
находятся ионы, причем каждый Nа⁺
окружен шестью хлорид-ионами. Это графическое изображение формулы вещества,
показывающее, что ионы натрия не связаны между собой, а с хлорид-ионами. Не
соединяются между собой и хлорид-ионы, они соединены с ионами натрия.

Покажем
это на примерах. Мысленно предварительно «разбиваем» лист бумаги на несколько
столбцов и выполняем действия согласно алгоритмам по графическому изображению
формул оксидов, оснований, кислот, солей в следующем порядке.

Графическое
изображение формул оксидов (например, Аl₂O₃)

                                                                
                       III II

1. Определяем
валентность атомов элементов в Аl₂O₃

2.
Записываем химические знаки атомов металлов на первое место (первый столбец).
Если атомов металлов больше одного, то записываем и в один столбец и обозначаем
валентность (число связей между атомами) валентными штрихами

З.
Второе место (столбец), тоже в один столбец, занимают химические знаки атомов
кислорода, причем к каждому атому кислорода должно подходить по два валентных
штриха, так как кислород двухвалентен

                                                                        
                             lll   ll  l

Графическое изображение формул оснований (например Fе(ОН)₃)

1.
Определяем валентность атомов элементов Fе(ОН)₃

2.
На первом месте (первый столбец) пишем химические знаки атомов металла,
обозначаем их валентность Fе

З.
Второе место (столбец) занимают химические знаки атомов кислорода, которые
присоединяются одной связью к атому металла, вторая связь пока «свободна»

  

4.
Третье место (столбец) занимают химические знаки атомов водорода,
присоединяющихся на  «свободную»
валентность атомов кислорода

Графическое
изображение формул кислот (например, Н₂SO₄)

                                                  
                                    l  Vl  ll

1. Определяем
валентность атомов элементов Н₂SO₄.

2.
На первом месте (первый столбец) пишем химические знаки атомов водорода в один
столбец с обозначением валентности

Н—

Н—

З.
Второе место (столбец) занимают атомы кислорода, присоединяясь одной валентной
связью к атому водорода, при этом вторая валентность каждого атома кислорода
пока «свободна»

Н—
О —

Н—
О —

4.
Третье место (столбец) занимают химические знаки атомов кислотообразователя с
обозначением валентности

5.
На «свободные» валентности атома кислотообразователя присоединяются атомы
кислорода согласно правилу валентности

Графическое
изображение формул солей

Средние
соли
(например, Fe₂SO₄)₃) В средних солях все
атомы водорода кислоты замещены на атомы металла, поэтому при графическом
изображении их формул первое место (первый столбец) занимают химические знаки
атомов металла с обозначением валентности, а далее — как в кислотах, то есть
второе место (столбец) занимают химические знаки атомов кислорода, третье место
(столбец) — химические знаки атомов кислотообразователя, их три и они присоединяются
к шести атомам кислорода. На «свободные» валентности кислотообразователя присоединяются
атомы кислорода согласно правилу валентности

Кислые
соли (например, Ва(Н₂PO₄)₂) Кислые соли можно рассматривать
как продукты частичного замещения атомов водорода в кислоте атомами металла,
поэтому при составлении графических формул кислых солей на первое место (первый
столбец) записывают химические знаки атомов металла и водорода с обозначением
валентности

Н—

Н—

Ва
=

Н—

Н—

Второе
место (столбец) занимают химические знаки атомов кислорода

Третье
место (столбец) — химические знаки атомов кислотообразователя,  на «свободные» 
валентности кислотообразователя присоединяются атомы кислорода согласно
правилу валентности

Основные
соли
(например, А1ОНSO₄) Основные соли определяем, чем как
продукт частичного замещения группы ОН основания на кислотный остаток. При
составлении графических формул основных солей первое место (столбец) занимают
химические знаки атомов металлов с обозначением валентности, второе (столбец) —
химические знаки атомов металлов кислорода, третье — химические знаки атомов
водорода и кислотообразователя с обозначением соответствующей валентности. На
«свободные»  валентности атома
кислотообразователя присоединяются атомы кислорода согласно правилу валентности

Как написать электронно-графическую формулу

Чтобы научиться составлять электронно-графические формулы, важно понять теорию строения атомного ядра. Ядро атома составляют протоны и нейтроны. Вокруг ядра атома на электронных орбиталях находятся электроны.

Вам понадобится

• — ручка;
• — бумага для записей;
• — периодическая система элементов (таблица Менделеева).

Инструкция

Электроны в атоме занимают свободные орбитали в последовательности, называемой шкалой энергии:1s / 2s, 2p / 3s, 3p / 4s, 3d, 4p / 5s, 4d, 5p / 6s, 4d, 5d, 6p / 7s, 5f, 6d, 7p. На одной орбитали могут располагаться два электрона с противоположными спинами – направлениями вращения.

Структуру электронных оболочек выражают с помощью графических электронных формул. Для записи формулы используйте матрицу. В одной ячейке могут располагаться один или два электрона с противоположными спинами. Электроны изображаются стрелками. Матрица наглядно показывает, что на s-орбитали могут располагаться два электрона, на p-орбитали – 6, на d – 10, на f -14.

Рассмотрите принцип составления электронно-графической формулы на примере марганца. Найдите марганец в таблице Менделеева. Его порядковый номер 25, значит в атоме 25 электронов, это элемент четвертого периода.

Запишите порядковый номер и символ элемента рядом с матрицей. В соответствии со шкалой энергии заполоните последовательно 1s, 2s, 2p, 3s, 3p, 4s уровни, вписав по два электрона в ячейку. Получится 2+2+6+2+6+2=20 электронов. Эти уровни заполнены полностью.

У вас осталось еще пять электронов и незаполненный 3d-уровень. Расположите электроны в ячейках d-подуровня, начиная слева. Электроны с одинаковыми спинами расположите в ячейках сначала по одному. Если все ячейки заполнены, начиная слева, добавьте по второму электрону с противоположным спином. У марганца пять d-электронов, расположенных по одному в каждой ячейке.

Электронно-графические формулы наглядно показывают количество неспаренных электронов, которые определяют валентность.

Обратите внимание

Помните, что химия – наука исключений. У атомов побочных подгрупп Периодической системы встречается «проскок» электрона. Например, у хрома с порядковым номером 24 один из электронов с 4s-уровня переходит в ячейку d-уровня. Похожий эффект есть у молибдена, ниобия и др. Кроме того, есть понятие возбужденного состояния атома, когда спаренные электроны распариваются и переходят на соседние орбитали. Поэтому при составлении электронно-графических формул элементов пятого и последующих периодов побочной подгруппы сверяйтесь со справочником.

Источники:

• как составить электронную формулу химического элемента

Войти на сайт

или

Забыли пароль?
Еще не зарегистрированы?

Валентные возможности атомов химических элементов

Понятие валентность происходит от латинского слова «valentia» и было известно еще в середине XIX века. Первое «пространное» упоминание валентности было
еще в работах Дж. Дальтона, который утверждал, что все вещества состоят из атомов, соединенных между собой в определенных пропорциях. Затем, Франкланд ввел
само понятие валентности, которое нашло дальнейшее развитие в трудах Кекуле, который говорил о взаимосвязи валентности и химической связи, А.М. Бутлерова,
который в своей теории строения органических соединений связывал валентность с реакционной способностью того или иного химического соединения и Д.И.
Менделеева (в Периодической системе химических элементов высшая валентность элемента определяется номером группы).

Основное состояние атома (состояние с минимальной энергией) характеризуется электронной конфигурацией атома, которая соответствует положению элемента в
Периодической системе. Возбужденное состояние – это новое энергетическое состояние атома, с новым распределением электронов в пределах валентного уровня.

Графические электронные формулы

Электронные конфигурации электронов в атоме можно изобразить не только в виде электронных формул, но и с помощью электронно-графических формул
(энергетических, квантовых ячеек). Каждая ячейка обозначает орбиталь, стрелка – электрон, направление стрелки (вверх или вниз) показывает спин электрона,
свободная клетка – свободная орбиталь, которую может занимать электрон при возбуждении. Если в ячейке 2 электрона, такие электроны называются спаренными,
если электрон 1 – неспаренный. Например:

₆C 1s²2s²2p²

Орбитали заполняют следующим образом: сначала по одному электрону с одинаковыми спинами, а затем по второму электрону с противоположными спинами. Поскольку
на 2p подуровне три орбитали с одинаковой энергией, то каждый из двух электронов занял по одной орбитали. Одна орбиталь осталась свободной.

Определение валентности элемента по электронно-графическим формулам

Валентность элемента можно определить по электронно-графическим формулам электронных конфигураций электронов в атоме. Рассмотрим два атома – азота и
фосфора.

₇N 1s²2s²2p³

Т.к. валентность элемента определяется числом неспаренных электронов, следовательно, валентность азота равна III. Поскольку у атома азота нет свободных
орбиталей, для этого элемента невозможно возбужденное состояние. Однако III, не максимальная валентность азота, максимальная валентность азота V и
определяется номером группы. Поэтому, следует запомнить, что с помощью электронно-графических формул не всегда можно определить высшую валентность, а также
все валентности, характерные для этого элемента.

₁₅P 1s²2s²2p⁶3s²3p³

В основном состоянии атом фосфора имеет 3 неспаренных электрона, следовательно, валентность фосфора равна III. Однако, в атоме фосфора имеются свободные
d-орбитали, поэтому электроны, находящиеся на 2s – подуровне способны распариваться и занимать вакантные орбитали d-подуровня, т.е. переходить в
возбужденное состояние.

Теперь атом фосфора имеет 5 неспаренных электронов, следовательно для фосфора характерна и валентность, равная V.

Элементы, имеющие несколько значений валентности

Элементы IVA – VIIA групп могут иметь несколько значений валентности, причем, как правило, валентность изменяется ступенчато на 2 единицы. Такое явление
обусловлено тем, что в образовании химической связи электроны участвуют попарно.

В отличие от элементов главных подгрупп, элементы В-подгрупп, в большинстве соединений не проявляют высшую валентность, равную номеру группы, например,
медь и золото. В целом, переходные элементы проявляют большое разнообразие химических свойств, которое объясняется большим набором валентностей.

Рассмотрим электронно-графические формулы элементов и установим, в связи с чем элементы имеют разные валентности (рис.1).

Задания:
определите валентные возможности атомов As и Cl в основном и возбужденном состояниях.

Ответы:

₃₃As 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶3d¹⁰4s²4p³

Основное состояние. Валентность равна III.

Возбужденное состояние. Валентность равна V.

₁₇Cl 1s²2s²2p⁶3s²3p⁵

Основное состояние. Валентность равна I.

Возбужденное состояние 1. Валентность равна III.

Возбужденное состояние 2. Валентность равна IV.

Возбужденное состояние 3. Валентность равна VII.