Понятие о валентности элементов наметилось еще в 50-х годах прошлого столетия. Особое значение этого понятия определяется тем, что оно легло в основу теории строения химических соединений.

При первоначальном изучении химии в- 7-м классе валентность была определена как свойство атомов элемента присоединять определенное число атомов других элементов. В школе вы кратко познакомились также с тем, что связи между атомами возникают путем спаривания электронов (ковалентная связь) или передачи электронов от одних атомов к другим (ионная связь) и что валентность каждого атома в веществах определяется числом электронов, затраченных им на «спаривание» электронами присоединенных к нему атомов.

Здесь мы рассмотрим подробнее валентность элементов в свете современных теорий строения атомов. Согласно одной из них — спиновой теории валентности —1 валентность атомов определяется числом не спаренных электронов, за счет которых осуществляется химическая связь между атомами. Таким образом, числом свободных, не спаренных электронов атома, участвующих в образовании химических связей, характеризует его валентность. Так как число свободных, не спаренных электронов у атома всегда ограничено, то валентность выражается небольшими целыми числами.

На основе такого представления понятия валентности попытаемся разобраться в таких вопросах, как, например: чем объясняется периодичность валентностей элементов в химических соединениях; почему некоторые элементы (С, S, С и др.) имеют переменную, а другие (Н, Na, О и др.) только одну постоянную валентность; почему сера проявляет в известных вам соединениях только четную валентность —image86 и т. д.

Рассмотрим вновь электронные конфигурации атомов первых 11 элементов периодической системы

Справа выписано число не спаренных внешних электронов и формулы соответствующих водородных соединений. Валентность, согласно изложенному, должна равняться этому числу не спаренных электронов. Мы видим, что в полном соответствии с опытными данными водород, литий, фтор и натрий — одновалентны, кислород — двухвалентен, азот — трехвалентен. Атомы инертных газов гелия и неона не образуют молекул, так как все их электроны спарены, поэтому их валентность равна нулю. Противоречие мы наблюдаем лишь для атомов Be, В, С, для которых возможны и другие валентности (указанные в скобках). Но это противоречие только кажущееся и объясняется тем, что мы привыкли считать, что свободные атомы, образуя химическую связь, обязательно сохраняют строение своих электронных оболочек. Но не существует никаких причин, по которым это должно быть только так: атом, образуя связь, уже не является свободным, и его электронная конфигурация может (и должна — в большей или меньшей степени) измениться. Поэтому необходимо принимать во внимание те изменения энергии, которые могут возникнуть при образовании химической связи.

Рассмотрим электронную конфигурацию атома углерода. В свободном состоянии он имеет два не спаренных электрона и два спаренных электрона в состоянии 2s. В определенных условиях (при затратах каких-то количеств энергии извне) эту пару электроновimage87можно разъединить («распарить») путем «перевода» одного электрона из состояния 2s в состояние 2р и сделать эти электроны также валентными.

image88

image89

В таком состоянии атом углерода может образовывать соединения, где он будет четырехвалентным.

Процесс распаривания электронов требует определенной затраты энергииimage90,'и, казалось бы, он «невыгоден». Но для учета энергетических соотношений нужно рассмотреть весь баланс образования связей. Дело в том, что при переходе одного из электронов 2s в состояние (ячейку) 2р получается состояние атома, в котором он проявляет четырехвалентное состояние. Такой атом способен образовать уже не две, а четыре связи. При образовании химической связи обычно выделяется энергия, поэтому появление двух новых валентностей приводит к выделению дополнительной энергии, которая превосходит энергиюimage91затраченную на распаривание image92электронов.

Опыты доказали, что энергия, затраченная на распаривание электронов в пределах одного энергетического уровня, как правило, полностью компенсируется энергией, выделенной при образовании дополнительных связей.

Этим и объясняются истинные валентности В«, В и многих других элементов в образуемых ими химических соединениях:

image93

Чтобы таким же образом получить, например, четырехвалентный кислород, трехвалентный литий, двухвалентный неон, необходима очень большая затрата энергииimage94 связанная с переходомimage95(кислород),

image96(литий),image97(неон). В этом случае затрата энергии настолько велика (переход на другой энергетический уровень), что не может быть компенсирована энергией, выделяющейся при образовании химических связей. Поэтому и не существует соединений с переменной валентностью кислорода, лития или неона.

Блестящим подтверждением этого положения могут служить достижения в химии инертных газов. Долго считалось, что инертные газы не образуют химических соединений (отсюда и их название). Однако в 1962 г. химикам удалось получить несколько химических соединений «инертных» газов, напримерimage98 В последние годы получен еще ряд соединений ксенона и криптона с кислородом и фтором. Образование таких соединений невозможно объяснить с точки зрения полной химической инертности последнего заполненного энергетического уровня.

Проявление инертными газами определенной валентности можно объяснить, только допустив, что спаренные электроны полностью заполненных подуровней могут распариваться в пределах уровня.

Рассмотрим, например, электронную конфигурацию атома криптона

image99

Мы видим, что у атомов криптона полностью спарены электроны 4s- и 4р-подуровней, но остаются незаполненными ячейки 4й-уровня, имеющие большую энергию. Принципиально криптон может проявлять в определенных условиях различную валентность (за счет своего 4-уровня; обратите внимание — только четную), так как возможно распаривание 4р- или 4s-napbi и образование не спаренных электронов, что подтверждается и опытом. Точно так же можно ожидать, что могут быть получены соединения Аг, Хе, и Rn (распишите их электронные конфигурации самостоятельно), но не Не и Ne.

Таким образом, на различных примерах мы убедились, что валентность атомов определяется числом не спаренных электронов в атоме, принимающих участие в образовании химических связей (в основном или возбужденном состоянии).