Чому можлива змінна валентість, чому залізо може мати валентність II і III, а мідь — I і II? 🧪 Розберемося, як електронна будова атома визначає змінну валентність, чому існують FeO, Fe₂O₃ та Fe₃O₄ і яку роль у цьому відіграють s- та d-електрони.
Коли ми вперше знайомимося з валентністю, усе здається досить просто. Гідроген має валентність I, Оксиген — II, тому два атоми Гідрогену сполучаються з одним атомом Оксигену й утворюється H₂O.
Але потім ми зустрічаємо залізо — і просте правило раптом перестає бути таким простим.
Існує FeO, де залізо проявляє валентність II. Але існує й Fe₂O₃, де залізо має валентність III.
Як це можливо? Чому один і той самий елемент може проявляти різну валентність?
Щоб це зрозуміти, потрібно згадати, звідки валентність узагалі береться.
Валентність пов’язана зі здатністю атома утворювати певну кількість хімічних зв’язків. А хімічні зв’язки утворюються за участю електронів.
Саме тому причина змінної валентності ховається не в таблиці валентностей, яку потрібно просто завчити, а в електронній будові атомів.
Почнемо з простого прикладу.
Валентність гідрогену і оксигену
Атом Гідрогену має один електрон. У більшості звичних нам сполук він утворює один зв’язок. Тому його валентність — I.
Оксиген має шість електронів на зовнішньому енергетичному рівні. У багатьох простих сполуках він утворює два зв’язки й проявляє валентність II.
Саме тому у воді маємо:
H–O–H
Оксиген утворив два зв’язки — його валентність II.
Але не в усіх елементів електронна будова настільки проста.
Перехідні метали
Особливо цікаво поводяться перехідні метали — залізо, мідь, хром, марганець та інші. У них енергетична картина складніша: поруч за енергією можуть розташовуватися електрони s- і d-підрівнів.
Через це залежно від того, з якими атомами взаємодіє метал і яка сполука утворюється, можливими виявляються різні електронні стани.
Саме тому для багатьох перехідних металів характерні кілька валентностей.
Наприклад, для заліза добре відомі сполуки:
FeO — оксид заліза(II)
і
Fe₂O₃ — оксид заліза(III).
У першому випадку залізо має валентність II, у другому — III.
Причому існує ще й Fe₃O₄ — магнетит. Його будова цікавіша: у ньому присутнє залізо у двох різних ступенях окиснення — +2 і +3.
А поки подивімося на інший приклад — мідь.
Вона також може утворювати сполуки, в яких проявляє різну валентність. Наприклад, існують два різні оксиди:
Cu₂O — оксид міді(I)
і
CuO — оксид міді(II).
Це не дві назви однієї речовини. Це різні сполуки з різним складом і різними властивостями.
Подібна ситуація спостерігається і для багатьох інших елементів. Хром, марганець, кобальт та інші перехідні метали можуть утворювати сполуки, в яких проявляються різні валентності та різні ступені окиснення.
Чому атом не може проявляти будь-яку валентність
Тому що можливості атома не безмежні.
Щоб змінити електронний стан атома, потрібна енергія. Якщо говорити про утворення позитивних йонів, видалення електрона потребує певної енергії йонізації. Причому наступні електрони зазвичай видаляти дедалі важче. Якщо намагатися забирати електрони далі й далі, зрештою доведеться втручатися в дедалі міцніше зв’язані електронні оболонки. Енергетична ціна такого процесу різко зростає.
Але важливо й інше: у реальній сполуці має значення не лише те, скільки енергії потрібно для зміни електронного стану окремого атома. Важливий загальний енергетичний баланс усієї системи — які зв’язки утворюються, з якими атомами взаємодіє елемент і наскільки стабільною виявляється вся сполука.
Тому атом не може довільно «обрати» будь-яку валентність від I до X.
Його можливості визначаються електронною будовою та енергетикою конкретного хімічного оточення.
А тепер потрібно зробити ще одне важливе уточнення.
Валентність і ступінь окиснення
Ми вже згадували для заліза стани +2 і +3. Але тут легко змішати два близькі поняття — валентність і ступінь окиснення.
Це не зовсім одне й те саме.
Валентність характеризує кількість хімічних зв’язків, які утворює атом, і традиційно записується римськими цифрами без знака: I, II, III, IV.
Ступінь окиснення — це формальний заряд, який ми приписуємо атому за певними правилами розподілу електронів у зв’язках. Він може бути додатним, від’ємним або нульовим: +2, +3, –2, 0.
У простих шкільних прикладах їхні числові значення часто збігаються. Наприклад, у FeO залізо має валентність II і ступінь окиснення +2, а у Fe₂O₃ — валентність III і ступінь окиснення +3.
Саме тому на початку вивчення хімії ці поняття легко сплутати.
Але це не одне й те саме. Пізніше, коли ми детально говоритимемо про ступені окиснення та окисно-відновні реакції, ця різниця стане дуже важливою.
Додаткову інформацію дивись на сторінці “Шкільна хімія“.