§ 33. Валентність хімічних елементів

• До змісту відповідей

ДІЗНАЄТЕСЯ, ЗРОЗУМІЄТЕ, ВИКОРИСТАЄТЕ

Яку властивість атома називають валентністю?

Валентністю називають властивість атомів хімічного елемента з’єднуватися з певною кількістю таких самих або інших атомів.

Як визначають валентність хімічного елемента?

Валентність хімічного елемента визначають за кількістю спільних електронних пар, які його атом утворює з іншими атомами, або за кількістю неспарених електронів у його атомі (в основному або збудженому стані).

Як складають хімічну формулу сполуки двох елементів за їхніми валентностями?

Для складання формули бінарної сполуки:

1. Записують символи елементів і позначають їхні валентності.
2. Знаходять найменше спільне кратне (НСК) для значень валентностей.
3. Ділять НСК на валентність кожного елемента, щоб отримати відповідні індекси (кількість атомів) у формулі.

ДОСЛІДЖУЄМО ЗВ’ЯЗКИ МІЖ АТОМАМИ, МОЛЕКУЛАМИ, ЙОНАМИ

Доведіть валентність Сульфуру в оксиді $SO_2$, склавши спрощену електронну формулу молекули речовини та її графічну формулу.

У молекулі сульфур(IV) оксиду $SO_2$ атом Сульфуру утворює чотири спільні електронні пари з двома атомами Оксигену (кожен Оксиген — двовалентний).
Графічна формула молекули: $O=S=O$
Спрощена електронна формула (де кожна пара крапок позначає спільну електронну пару): $:O::S::O:$
Це підтверджує, що Сульфур у цій сполуці є чотиривалентним.

Доведіть, що Фосфор може бути три- і п’ятивалентним, зобразивши зміну будови його атома за допомогою електронних формул.

В основному стані атом Фосфору (елемент V групи) має електронну конфігурацію зовнішнього енергетичного рівня $3s^2 3p^3$. Наявність трьох неспарених електронів на $3p$-підрівні зумовлює валентність III.
Схема зовнішнього рівня (основний стан):
$3s \boxed{\uparrow\downarrow} \quad 3p \boxed{\uparrow}\boxed{\uparrow}\boxed{\uparrow}$

Під час збудження атома (поглинання енергії) один електрон із $3s$-орбіталі переходить на вільну орбіталь $3d$-підрівня. Електронна конфігурація змінюється на $3s^1 3p^3 3d^1$, утворюється п’ять неспарених електронів, тому Фосфор виявляє валентність V.
Схема зовнішнього рівня (збуджений стан):
$3s \boxed{\uparrow} \quad 3p \boxed{\uparrow}\boxed{\uparrow}\boxed{\uparrow} \quad 3d \boxed{\uparrow}\phantom{\boxed{}}\phantom{\boxed{}}\phantom{\boxed{}}\phantom{\boxed{}}$

ПОМІРКУЙТЕ

Чому значення валентності Сульфуру парні, а Фосфору і Хлору — непарні?

Можливі значення валентності залежать від будови зовнішнього енергетичного рівня та кількості електронів, які можуть стати неспареними при збудженні атома.

• Сульфур (VI група): В основному стані має 2 неспарені електрони ($3s^2 3p^4$). При переході у збуджені стани розпаровуються електрони з $3p$- та $3s$-підрівнів, збільшуючи кількість неспарених електронів до 4 і 6. Тому валентність Сульфуру — парна (II, IV, VI).
• Фосфор (V група) і Хлор (VII група): Мають непарну кількість валентних електронів (5 і 7 відповідно). При розпаровуванні електронних пар кількість неспарених електронів змінюється на 2, залишаючись непарною. Для Фосфору це III і V, для Хлору — I, III, V, VII.

Визначте валентність Хлору у сполуках $Cl_2O$ і $Cl_2O_7$.

• У сполуці $Cl_2O$: Оксиген завжди двовалентний (II). На один атом Оксигену припадає два атоми Хлору. Отже, валентність Хлору — I.
• У сполуці $Cl_2O_7$: Сім атомів Оксигену дають сумарно $7 \times 2 = 14$ одиниць валентності. Ця кількість ділиться на два атоми Хлору ($14 : 2 = 7$). Отже, валентність Хлору — VII.

Бор — тривалентний елемент. Наведіть електронну формулу, яку має його атом, сполучаючись з іншими атомами. Складіть хімічні формули сполук Бору із Флуором та Оксигеном.

В атомі Бору (елемент № 5) в основному стані ($1s^2 2s^2 2p^1$) є лише один неспарений електрон. Щоб виявити валентність III, атом переходить у збуджений стан, де один $2s$-електрон переходить на $2p$-орбіталь.
Електронна формула атома Бору у збудженому стані: $1s^2 2s^1 2p^2$
Формули сполук:

• З Флуором (валентність I): $BF_3$ (бор фторид).
• З Оксигеном (валентність II): $B_2O_3$ (бор оксид).

ВИОКРЕМЛЮЄМО ОСНОВНЕ

Проаналізувавши матеріал, викладений у параграфі, запишіть у зошиті висновки про валентність хімічних елементів, з’ясування її значення за формулою сполуки і складання формули сполуки за валентністю елементів, якими вона утворена.

1. Валентність — це здатність атома утворювати хімічні зв’язки (спільні електронні пари). Вона залежить від кількості неспарених електронів в атомі.
2. Максимальна валентність елемента зазвичай збігається з номером групи в періодичній системі (для s- та p-елементів).
3. Щоб визначити валентність за формулою $A_x B_y$, використовують правило: добуток валентності на індекс для одного елемента дорівнює такому ж добутку для іншого ($Val(A) \cdot x = Val(B) \cdot y$).
4. Щоб скласти формулу за валентністю, знаходять найменше спільне кратне валентностей елементів і ділять його на валентність кожного елемента для отримання індексів.

Сформулюйте цікаве запитання за темою параграфа і поставте його своїм однокласникам / однокласницям. Порівняйте свою і їхні відповіді та оцініть їх.

Запитання: «Чому Оксиген (елемент VI групи) виявляє сталу валентність II, а Сульфур (теж елемент VI групи) може мати валентність II, IV і VI?»
Відповідь: Атом Оксигену не має $d$-підрівня на зовнішньому (другому) енергетичному рівні, тому розпаровування електронів неможливе, і кількість неспарених електронів залишається незмінною (два). Атом Сульфуру має вільний $3d$-підрівень, куди можуть переходити електрони при збудженні, збільшуючи валентність.

ПЕРЕВІРМО СЕБЕ

344. Як визначити валентність атома в молекулі за її графічною та електронною формулами?

• За графічною формулою: валентність дорівнює кількості рисок (хімічних зв’язків), що відходять від символу хімічного елемента.
• За електронною формулою: валентність визначається кількістю спільних електронних пар, які атом утворює з іншими атомами.

345. Які значення валентності може мати хімічний елемент, якщо електронна формула його атома — $1s^2 2s^2 2p^6 3s^2 3p^2$?

Ця електронна формула відповідає Силіцію ($Si$, порядковий номер 14).

• В основному стані на зовнішньому рівні є 2 неспарені електрони ($3p^2$), тому можлива валентність II (наприклад, у $SiO$).
• У збудженому стані ($3s^1 3p^3$) атом має 4 неспарені електрони, тому характерна валентність — IV (наприклад, у $SiO_2$, $SiH_4$).

346. Допишіть значення валентності хімічних елементів у формулах сполук: $SCl_4$; $PBr_5$; $NI_3$; $CS_2$; $P_3N_5$.

$\overset{\text{IV}}{\text{S}}\overset{\text{I}}{\text{Cl}_4}; \quad \overset{\text{V}}{\text{P}}\overset{\text{I}}{\text{Br}_5}; \quad \overset{\text{III}}{\text{N}}\overset{\text{I}}{\text{I}_3}; \quad \overset{\text{IV}}{\text{C}}\overset{\text{II}}{\text{S}_2}; \quad \overset{\text{V}}{\text{P}_3}\overset{\text{III}}{\text{N}_5}$

ВИКОНАЙМО ВПРАВУ

347. Визначте валентність хімічних елементів у сполуках, що мають такі формули: а) $V_2O_5$, $SiF_4$, $PH_3$; б) $H_2Se$, $P_2O_3$, $Mn_2O_7$.

а)

• $V_2O_5$: Оксиген (II) $\rightarrow$ $2 \cdot 5 = 10 \rightarrow 10 : 2 = 5$. Ванадій — V.
• $SiF_4$: Флуор (I) $\rightarrow$ $1 \cdot 4 = 4 \rightarrow 4 : 1 = 4$. Силіцій — IV.
• $PH_3$: Гідроген (I) $\rightarrow$ $1 \cdot 3 = 3 \rightarrow 3 : 1 = 3$. Фосфор — III.

б)

• $H_2Se$: Гідроген (I) $\rightarrow$ $1 \cdot 2 = 2 \rightarrow 2 : 1 = 2$. Селен — II.
• $P_2O_3$: Оксиген (II) $\rightarrow$ $2 \cdot 3 = 6 \rightarrow 6 : 2 = 3$. Фосфор — III.
• $Mn_2O_7$: Оксиген (II) $\rightarrow$ $2 \cdot 7 = 14 \rightarrow 14 : 2 = 7$. Манган — VII.

348. Складіть формули сполук: а) Si…H…, W…O…; O…F…; б) N…O…, P…O…, C…Cl…

а)

• Силіцій (IV) і Гідроген (I): $SiH_4$ (силан).
• Вольфрам (VI) і Оксиген (II): $WO_3$.
• Оксиген (II) і Флуор (I): $OF_2$ (оксиген фторид).

б)

• Нітроген (III) і Оксиген (II): $N_2O_3$.
• Фосфор (V) і Оксиген (II): $P_2O_5$.
• Карбон (IV) і Хлор (I): $CCl_4$.

ВИКОНАЙМО ВПРАВУ

349. Визначте валентність елементів у сполуках за графічними формулами молекул.

1. $H–N=C=S$

   • Гідроген ($H$) має 1 зв’язок $\rightarrow$ валентність I.
   • Нітроген ($N$) має 3 зв’язки (1 з H, 2 з C) $\rightarrow$ валентність III.
   • Карбон ($C$) має 4 зв’язки (2 з N, 2 з S) $\rightarrow$ валентність IV.
   • Сульфур ($S$) має 2 зв’язки $\rightarrow$ валентність II.

2. Сполука $Cl_2O_7$ (графічна формула відповідає хлор(VII) оксиду, де кожен атом Хлору сполучений з чотирма атомами Оксигену, один з яких є містковим).

   • Хлор ($Cl$) $\rightarrow$ валентність VII.
   • Оксиген ($O$) $\rightarrow$ валентність II.

3. Сполука $H_2SeO_3$ (графічна формула відповідає селенітній кислоті).

   • Гідроген ($H$) $\rightarrow$ валентність I.
   • Оксиген ($O$) $\rightarrow$ валентність II.
   • Селен ($Se$) утворює 4 зв’язки (два одинарних з групами -OH і один подвійний з Оксигеном) $\rightarrow$ валентність IV.

ПОМІРКУЙМО

350. Чому в книжках та інтернеті немає відомостей про валентність Гелію, Неону, Аргону?

Гелій, Неон та Аргон належать до інертних газів (VIII група, головна підгрупа). Їхні атоми мають завершений зовнішній енергетичний рівень ($1s^2$ у Гелію, $ns^2 np^6$ у інших), який є дуже стійким. Через це вони не утворюють спільних електронних пар з іншими атомами за звичайних умов, тобто мають нульову валентність і не утворюють сполук.

ФОРМУЙМО СЛОВНИЧОК

351. Випишіть ключові слова і словосполучення з тексту параграфа для укладання двомовного словничка.

• Валентність — Valency
• Хімічна формула — Chemical formula
• Графічна формула — Graphic formula (або Structural formula)
• Стала валентність — Constant valency
• Змінна валентність — Variable valency
• Спільна електронна пара — Shared electron pair
• Неспарений електрон — Unpaired electron

ОЦІНЮЙМО СВОЇ ЗНАННЯ

352. Створіть у зошиті таблицю оцінювання ваших знань і заповніть її.