Що таке валентність і чому вода має формулу H₂O, метан — CH₄, а аміак — NH₃? Розбираємося, скільки «рук» мають різні атоми, звідки береться валентність і як вона допомагає зрозуміти хімічні формули.
Ми вже знаємо, що атом складається з ядра та електронів. Знаємо, що електрони розташовуються на енергетичних рівнях і що саме електрони відіграють головну роль у хімічних реакціях.
Але тепер виникає дуже важливе питання: чому формули речовин виглядають саме так?
Чому вода — це H₂O, а не HO? Чому аміак — NH₃? Чому метан — CH₄? Чому кальцій із хлором утворює CaCl₂?
Валентність і валентні електрони
Щоб отримати відповіді на всі ці запитання, потрібно згадати про валентність, яка показує, скільки хімічних зв’язків утворює атом у конкретній сполуці.
Згадаймо, що саме кількість електронів на зовнішньому енергетичному рівні атома визначають, як цей атом поводитиметься під час хімічних реакцій. Такі електрони називають валентними електронами.
І тут важливо не плутати два схожі поняття. Валентні електрони і валентність — не одне й те саме. Валентні електрони беруть участь в утворенні хімічних зв’язків, а валентність характеризує кількість зв’язків, які утворює атом у конкретній сполуці.
Для багатьох елементів особливо стійким є стан, коли зовнішній електронний рівень заповнений. Наприклад, у гелію він уже заповнений двома електронами, а в неону й аргону зовнішні рівні мають стійкі заповнені конфігурації. Саме тому благородні гази за звичайних умов дуже малоактивні.
А ось багато інших атомів мають незаповнений зовнішній рівень. Під час хімічних реакцій вони можуть віддавати електрони, приймати їх або утворювати з іншими атомами спільні електронні пари. Слід сказати, що раніше ми вже розглядали 4 види хімічних зав’язків: іонний, ковалентний, металічний і водневий. Утворивши той чи інший зв’язок, система переходить в більш енергетично вигідніший стан, тобто стає більш стійкою.
Коли ми говоримо, що атом «хоче» отримати електрон або йому «вигідно» його віддати, атом, звичайно, нічого не хоче і нічого не вирішує. Це лише зручний спосіб описати процеси, внаслідок яких утворюється більш стійка система.
Як це пов’язано з валентністю? Подивімося на кілька простих прикладів.
Приклади
Водень має один електрон. На першому енергетичному рівні може розміщуватися максимум два. Тому в багатьох сполуках водень утворює один хімічний зв’язок. Кажуть, що його валентність дорівнює I.
Кисень має шість електронів на зовнішньому рівні. До стійкої восьмиелектронної конфігурації йому не вистачає двох. У багатьох простих сполуках атом кисню утворює два зв’язки. Його валентність у них — II.
В атома азоту на зовнішньому рівні п’ять електронів. У молекулі аміаку NH₃ він утворює три зв’язки з атомами водню. Отже, валентність азоту тут дорівнює III.
А вуглець має чотири електрони на зовнішньому рівні й у багатьох сполуках утворює чотири хімічні зв’язки. Наприклад, у молекулі метану CH₄ атом вуглецю зв’язаний із чотирма атомами водню. Його валентність тут дорівнює IV.
Таке пояснення через заповнення зовнішнього рівня дуже добре працює для багатьох простих сполук, особливо для елементів другого періоду. Його часто називають правилом октету. Але важливо пам’ятати: це корисна модель, а не універсальний закон, який пояснює поведінку всіх атомів у всіх сполуках.
Саме здатність вуглецю утворювати чотири міцні ковалентні зв’язки, зокрема зв’язуватися з іншими атомами вуглецю, дозволяє створювати величезну кількість різноманітних структур — ланцюгів, розгалужень і кілець. На цій властивості значною мірою побудована органічна хімія.
Спробуємо пояснити валентність на більш зрозумілій асоціації.
Асоціація валентності
Уявіть, що атоми мають певну кількість «рук», якими вони здатні «триматися» за інші атоми. Водень має одну таку «руку», кисень — дві, азот у молекулі аміаку — три, а вуглець у метані — чотири.
Звичайно, справжніх рук у атомів немає. Це лише модель. До того ж у деяких елементів кількість таких умовних «рук» може змінюватися залежно від того, до складу якої сполуки вони входять.
Приклади валентностей у молекулах
Розглянемо молекулу води H₂O.
Кисень утворює два зв’язки, а кожен атом водню — один. Тому одному атому кисню відповідають два атоми водню:
H—O—H
Отримуємо H₂O.
Але тут є ще одна цікава деталь. Не слід плутати валентність із кількістю сусідніх атомів. Наприклад, у молекулі кисню O₂ кожен атом кисню має лише одного сусіда, але між двома атомами існує подвійний зв’язок:
O=O
Тому валентність кожного атома кисню тут також дорівнює II.
Так само атом вуглецю в метані утворює чотири зв’язки, а кожен водень — один, тому отримуємо CH₄. У молекулі аміаку азот утворює три зв’язки, а водень — один, тому маємо NH₃.
Але валентність допомагає працювати не лише з молекулами, де існують ковалентні зв’язки. У шкільній хімії її також використовують для визначення співвідношення елементів у формулах багатьох сполук.
Наприклад, кальцій має валентність II, а хлор — I. Отже, одному атому кальцію відповідають два атоми хлору, і отримуємо формулу:
CaCl₂
Але тут потрібно бути обережними. У твердому хлориді кальцію немає окремих молекул CaCl₂, подібних до молекул води H₂O. Це йонна речовина, що складається з йонів Ca²⁺ і Cl⁻, організованих у кристалічну структуру. Формула CaCl₂ показує насамперед їхнє найпростіше співвідношення: на один йон кальцію припадають два йони хлору.
Алюміній має валентність III, а кисень — II. Нам потрібно знайти таке співвідношення, щоб ці числа узгодилися. Найменше спільне кратне для двох і трьох — шість. Тому беремо два атоми алюмінію і три атоми кисню:
Al₂O₃
Так ми отримуємо найпростіше співвідношення елементів у формулі. Але потрібно пам’ятати: такий спосіб допомагає правильно скласти формулу, проте сам по собі ще не показує реальну просторову будову речовини.
Саме тому валентність настільки важлива у шкільній хімії. Знаючи валентності елементів, ми можемо не просто читати готові формули, а й розуміти, чому в них стоять саме такі індекси.
Елементи з різними валентностями
Але тут є важливе застереження. Не всі елементи мають одну-єдину валентність. Деякі можуть проявляти різну валентність у різних сполуках. Наприклад, залізо може бути дво- або тривалентним, мідь — одно- або двовалентною, а сірка в різних сполуках може проявляти валентність II, IV або VI.
Тому наша модель «рук» дуже корисна, але вона не пояснює всю хімію. Реальна поведінка атомів визначається їхньою електронною будовою, енергією системи та характером хімічних зв’язків.
Отже, валентність дає нам перший ключ до читання хімічних формул. Вона показує, скільки зв’язків утворює атом у конкретній сполуці, і допомагає зрозуміти, чому атоми поєднуються саме в таких співвідношеннях.
Додаткову інформацію дивись на сторінці “Шкільна хімія“.