Валентность. Степень окисления химических элементов

Валентность химических элементов

Валентность элемента — число химических связей, которые образует один атом данного элемента в данной молекуле.

Валентные возможности атома определяются числом:

• неспаренных электронов
• неподеленных электронных пар
• вакантных валентных орбиталей

Определение степени окисления конкретного химического элемента

Степень окисления простых веществ всегда равна нулю.

Степени окисления, проявляемые s- и р-металлами

У всех s-элементов есть только одна степень окисления, совпадающая с общим числом валентных электронов, т.е.все s-элементы 1 группы имеют степень окисления +1, а элементы второй группы +2. У р-элементов из-за различий в энергии s- и p-орбиталей последнего слоя дифференцируются две степени окисления. Одна степень окисления определяется числом электронов на внешних р-орбиталях, а другая – общим количеством валентных электронов. Только у р-элементов 13 группы устойчивой является одна степень окисления +3, кроме Tl с более устойчивой степенью окисления+1.У р-элементов 14 группы есть две степени окисления +2 и +4. У Bi есть две степени окисления +3 и +5. Особая «чувствительность» s-электронов к ядру, приводящая к тому, что при большом заряде ядра s- электроны сильнее им удерживаются, объясняет, почему у р-элементов 6 периода становится устойчивой степень окисления, связанная с потерей только р-электронов. У р-элементов шестого периода устойчивыстепени окисления: +1 у Tl, +2 – у Pb и +3–у Bi. В таблице приведены степени окисления, проявляемые металлами s- и р-блоков.Степени окисления, проявляемые металлами s- и р-блоков

</li>

Степени окисления d-металлов

Металлы d-блока из-за большого числа валентных электронов проявляют многообразие степеней окисления. Только d-элементы 3 и 12 групп имеют по одной степени окисления. У элементов 13 группы она равна общему числу электронов, т.е. +3. У элементов 12 группы d-орбитали полностью заполнены электронами и в образовании химических связей участвуют только два электрона с внешней s-орбитали, поэтому элементы 12 группы имеют одну степень окисления +2. Максимальную степень окисления, обусловленную общим количеством электронов, проявляют только d-элементы 3 ¸ 7 групп. А также и Os и Ru, проявляющие степень окисления +8. При движении к концу переходных рядов с ростом числа электронов на d-орбиталях и повышением эффективного заряда ядра самая большая степень окисления становится меньше общего числа валентных электронов. Существуют большие различия между d-элементами четвертого и элементами 5 и 6 периодов. Из-за различий в энергии s-электронов 4 слоя и d-электронов 3 слоя все элементы 4 периода, кроме Sc, проявляют степень окисления +2, связанную с потерей двух электронов с внешней ns-орбитали. У многих элементов степень окисления +2 является устойчивой и ее устойчивость увеличивается к концу ряда. У d-элементов 4 периода наиболее устойчивыми являются низкие степени окисления +2, +3, +4.При большом заряде ядра s-электроны сильнее удерживаются, различие в энергиях ns- и (n-1)d-орбиталей уменьшается, и это приводит к тому, что у d-элементов 5 и 6 периодов высшие степени окисления в 3 ¸ 7 группах становятся самыми устойчивыми. Вообще, у d-элементов 5 и 6 периодов устойчивы высокие степени окисления больше 4. Исключение составляют d-элементы 3,11 и 12 групп. В приведенных ниже таблицах указаны характерные степени окисления d-металлов, красным цветом выделены наиболее устойчивые. В таблицу не включены степени окисления, проявляемые металлами в редких и неустойчивых соединениях. При описании химии любого элемента обязательно указывают характерные для него степени окисления.</li></li>

Метод блоков

Берем органическую молекулу, например, такого вещества, как 2-гидроксипропаналь

и изолируем друг от друга все фрагменты молекулы, содержащие по одному атому углерода следующим образом:

Суммарный заряд каждого такого блока принимаем равным нулю, как у отдельной молекулы. В органических соединениях водород всегда имеет степень окисления, равную +1, а кислород — -2. Обозначим степень окисления атома углерода в первом блоке переменной х. Таким образом, мы можем найти степень окисления первого атома углерода, решив уравнение:

x + 3∙(+1) = 0, где x – степень окисления атома углерода, +1 – степень окисления атома водорода, а 0 – заряд выбранного блока.

Решаем далее:

x + 3 = 0, отсюда x = -3.

Таким образом, степень окисления атома углерода в первом блоке равна -3.

Во второй блок, помимо одного атома углерода и двух атомов водорода, входит также и атом кислорода, который, как мы уже сказали, имеет в органических соединениях практически всегда степень окисления, равную -2. Как и в первом случае, обозначим степень окисления атома углерода второго блока через х, тогда получим следующее уравнение:

x+2∙(+1)+(-2) = 0, решая которое находим, что х = 0. Т.е. степень окисления второго атома углерода в молекуле равна нулю.

Третий блок состоит из одного атома углерода, одного атома водорода и одного атома кислорода. Аналогично составим уравнение:

x +1∙(-2)+ 1 = 0, отсюда х, то есть степень окисления атома углерода в третьем блоке равна +1.

Второй метод расстановки степеней окисления в органических веществах я называю «метод стрелок».