Валентность. Химическая связь

 

 

Валентность.

 

Внешняя электронная оболочка атома, которая соответственно и определяет его химические свойства, может содержать не более восьми электронов. Исключение составляют только атомы водорода и гелия, на единственной орбитали которых может находиться не более двух электронов. С помощью внешних электронов, которые называют валентными,   осуществляется химическая связь между атомами, и образуются химические соединения. Электронную оболочку, содержащую валентные электроны, называют валентной оболочкой. Слово валентность   (от лат. valentia – сила) означает способность атома образовывать определённое число химических связей с другими атомами. Валентность атома определяется числом имеющихся у него валентных электронов.

У атомов элементов каждого нового периода Периодической системы Д. И. Менделеева возникает новая валентная оболочка, которой не было у атомов элементов предыдущего периода. Элементы IIIА группы – щелочные металлы – содержат на этой оболочке всего один электрон. Их атомы легко отдают этот единственный электрон, поэтому все щелочные металлы одновалентны и химически очень активны. По мере увеличения порядкового номера элемента в периоде происходит постепенное заполнение валентной оболочки. Так, элементы IIА группы содержат на внешнем уровне два электрона, IIIА группы – три электрона и т. д. Галогены находятся в VIIA группе, следовательно, их атомы содержат семь валентных электронов. Благородные газы, стоящие в конце периода в VIIIA группе (например, неон, аргон, криптон, ксенон), содержат по восемь валентных электронов. Их внешняя оболочка заполнена, поэтому они почти не обладают химической активностью. После заполнения валентной оболочки (в конце периода) у следующего элемента возникнет новая оболочка.

 

Химическая связь.

 

Процесс обмена электронами между атомами и является причиной возникновения химической связи. Один из видов химической связи – ионная связь.   Это связь, возникающая между ионами в результате действия электростатических сил притяжения (рис. 126). Типичным примером вещества с ионной связью является хлорид натрия. Однако это не единственный вид химической связи. Рассмотрим молекулу, состоящую из одинаковых атомов, например молекулу водорода, имеющую формулу Н2. Каким образом два атома водорода соединяются между собой? Мы знаем, что на единственной 1 s -орбитали атома водорода могут находиться два электрона. Однако атом водорода имеет всего один электрон, и для заполнения оболочки ему нужен ещё один. В таком же положении находится и второй атом водорода.

 

Рис. 126. Образование ионной связи

 

Поэтому они как бы «договариваются» пользоваться имеющимися в их распоряжении двумя электронами сообща. Теперь в их распоряжении имеется общая орбиталь, заполненная, как ей и полагается, двумя электронами. Такая молекула обладает очень высокой устойчивостью.

Химическую связь, при которой атомы обобществляют свои валентные электроны, называют ковалентной   (рис. 127, 128). В зависимости от количества общих электронных пар ковалентная связь может быть одинарной, двойной, а иногда и тройной. Многие химические вещества построены из молекул, состоящих из атомов двух элементов, одним из которых является атом кислорода. Такие вещества называются оксидами. К оксидам относятся такие хорошо известные вам вещества, как углекислый газ СО2, вода Н2О и многие другие. При образовании оксидов кислород, у которого для заполнения валентной оболочки не хватает двух электронов, охотно образует две общие электронные пары с атомами других элементов, образуя с ними двойную ковалентную связь. А вот тройные связи встречаются в химических соединениях гораздо реже и образуются преимущественно между атомами углерод – углерод, углерод – азот и азот – азот.

Многие элементы во всех соединениях проявляют одинаковую валентность. Так, водород и щелочные металлы всегда одновалентны, а кислород всегда двухвалентен. Существуют, однако, элементы с переменной валентностью. Одним из рекордсменов среди таких элементов является хлор, который находится в VIIА группе периодической системы. Хлор способен проявлять валентности от I до VII, и образует многочисленные и самые разнообразные соединения.

 

Рис. 127. Ковалентная связь возникает в результате образования общих электронных пар

 

Рис. 128. При взаимодействии двух атомов одного и того же элемента– неметалла образуется неполярная ковалентная связь. При взаимодействии атомов разных элементов-неметаллов образуется полярная связь. При этом электронная пара смещается к элементу с большей электроотрицательностью

 

Соединяясь, например, с кислородом, он способен образовывать различные оксиды: Cl2O, ClO2, Cl2O7. Известны и другие элементы, валентность которых в различных реакциях может быть различной. Так, сера может обладать валентностями II, IV и VI, железо может быть двух– и трёхвалентным, углерод – двух– и четырёхвалентным и т. д.

Связь, которую образуют свободные электроны в кристаллической решётке металлов, называют металлической.   В узлах кристаллической решётки металлов расположены их положительно заряженные ионы. А поскольку, как вы знаете, электроны валентной оболочки металлов не очень прочно удерживаются ядром, они отрываются и беспорядочно, подобно молекулам газа, движутся между ними. Притягивая положительные ионы, эти электроны не дают кристаллу разрушится под действием взаимного отталкивания этих ионов. Вместе с тем электроны не могут покинуть кристалл, поскольку притягиваются положительно заряженными ионами, находящимися в узлах решётки. Из-за того что во всех металлах находится большое количество свободно движущихся электронов, они, как известно, служат хорошими проводниками электрического тока.

 

Рис. 129. Молекула воды представляет собой диполь

 

Существует ещё один вид химической связи, играющий важную роль в биологических процессах. Эту связь называют водородной. Причиной возникновения таких связей является полярность   некоторых молекул. Поясним данное явление на примере молекулы воды (рис. 129). Как вам известно, в этой молекуле атом кислорода удерживает возле себя два атома водорода с помощью ковалентной связи. Но поскольку ядро атома кислорода содержит восемь положительно заряженных протонов, а каждый атом водорода – только один, то под действием электрического притяжения общие электронные пары смещены от атома водорода в сторону кислорода. Из-за этого та часть молекулы, где находится атом кислорода, приобретает небольшой отрицательный заряд, а участки, соответствующие атомам водорода, – положительный. Такая молекула, различающаяся электрическими зарядами на разных своих участках, называется полярной молекулой   или диполем.   Представим себе теперь, что две молекулы воды оказываются рядом. Тогда отрицательный участок одной молекулы будет притягиваться к положительному участку другой, и между ними возникнет водородная связь. Аналогичная связь может возникать не только в воде, но и во многих других, в том числе и органических, соединениях. Водородные связи являются довольно слабыми, но в том случае, когда их много, они могут достаточно прочно скреплять молекулы различных веществ, что имеет большое значение для многих биологических процессов.

 

Проверьте свои знания

 

1. Что такое валентность?

2. Какие электроны называются валентными?

3. Как называют химическую связь, при которой атомы «обобществляют» электроны?

4. Каким образом осуществляется связь в металлических кристаллах?

 

Задания

 

Используя рисунок 129, поясните явление полярности и образование водородных связей на примере молекулы воды.

 

Химические реакции

 

Процессы, при которых происходит разрыв связей между атомами и (или) образование новых связей, называют химическими реакциями.   В отличие от ядерных, во время химических реакций ядра атомов элементов, а значит, и сами элементы остаются неизменными, меняется только их принадлежность к различным молекулам.

 

Схемы и уравнения реакций.

 

Химические реакции обычно описывают с помощью уравнений. Химическим уравнением называют условную запись химической реакции посредством химических знаков и формул.

 

Рис. 130. Уравнение реакции и его изображение с помощью моделей

 

В левой части уравнения реакции записывают формулы веществ, которые вступают в реакцию (реагентов), а в правой – формулы конечных продуктов реакции (рис. 130).

Рассмотрим реакцию образования воды из кислорода и водорода. Химическая формула газообразного кислорода О2, а водорода – Н2. Составим схему реакции: Н2 + О2→ Н2О. Для того чтобы она превратилась в уравнение, надо расставить коэффициенты: 2Н2 + O2 = 2H2O.

Коэффициенты в уравнении реакции показывают, в каком количественном соотношении находятся реагирующие вещества и продукты. Из полученного нами уравнения следует, что число вступающих в данную реакцию молекул водорода в два раза больше числа молекул кислорода. Смесь водорода и кислорода в соотношении 2: 1 называют гремучим газом, так как достаточно небольшого воздействия, например в виде искры, для того чтобы произошёл взрыв и образовалась вода.

Теперь разберём более сложный случай. Одним из важнейших процессов, обеспечивающих существование жизни на Земле, является осуществляемый растениями фотосинтез. В результате фотосинтеза из воды и углекислого газа образуются глюкоза и кислород. Рассмотрим схему и составим уравнение этой реакции. Формула глюкозы С6Н12О6. Следовательно, схема процесса выглядит так:

Н2О + СО2 → С6Н12О6 + О2.

Расставив коэффициенты, получаем уравнение реакции:

6H2O + 6CO2 = C6H12O6 + 6O2.

По химическим уравнениям производят различные количественные расчёты в производственной и лабораторной практике. Например, попробуем определить, сколько граммов воды и углекислого газа потребуется для синтеза 1 г глюкозы. Для этого вспомним понятие моля. Моль – это такое количество вещества, масса которого, выраженная в граммах, численно равна его атомной или молекулярной массе. Молекулярная масса глюкозы равна сумме атомных масс входящих в её молекулу элементов, т. е. 6 12 + 12 • 1 + 6 • 16 = 180. Следовательно, масса одного моля глюкозы составляет 180 г. То же самое относится к воде, масса одного моля которой равна 18 г, и к углекислому газу, масса моля которого составляет 44 г. Значит, для получения 180 г глюкозы потребуется 108 г воды и 264 г углекислого газа. Итого 372 г. Но всем известно, что материя не исчезает. Куда же делись остальные 192 г? Очевидно, что это масса выделившегося кислорода. Проверим. В реакции образовалось 6 моль О2, каждый из которых имеет массу 32 г. Итого ровно 192 г. Как видите, закон сохранения массы и в этом случае оказался справедлив. Если вы хотите теперь узнать, сколько воды и углекислого газа потребуется для образования 1 г глюкозы и сколько при этом выделится кислорода, разделите все полученные числа на 180.

 

Типы химических реакций.

 

Существует огромное многообразие химических реакций. Простейшие из них можно условно разделить на четыре группы: реакции соединения, разложения, замещения и обмена.

В реакциях соединения   из нескольких исходных веществ образуется одно сложное вещество. Примером такого вида реакций может служить процесс образования зелёного налёта малахита (CuOH)2CO3 на поверхности бронзовых изделий (рис. 131):

2Cu + O2 + H2O + CO2 = (CuOH)2CO3.

Реакции разложения   приводят к распаду молекул одного исходного сложного вещества на несколько продуктов. Такие реакции чаще протекают при нагревании. Некоторые вещества разлагаются под действием света. Так, соединения серебра на свету чернеют вследствие выделения серебра. На этом процессе основана чёрно-белая фотография.

Реакции замещения   – это реакции между простым и сложным веществами, в результате которых образуются два новых вещества (простое и сложное).

Реакции обмена   – это реакции взаимодействия между двумя сложными веществами, при котором они обмениваются атомами или группами атомов.

 

Рис. 131. Примером реакции соединения является процесс образования зелёного налёта малахита на поверхности бронзовых изделий

 

Проверьте свои знания

 

1. Какую информацию можно получить на основе уравнения химической реакции?

2. Какие вещества образуются в результате фотосинтеза?

3. Почему в химии применяют физическую величину «количество вещества»? В каких единицах она измеряется?

 

Задания

 

1. Подберите эпиграф к данному параграфу.

2. При реакции газообразного водорода H2 с газообразным хлором Cl2 образуется хлороводород HCl. Найдите в периодической системе атомную массу хлора и определите, какое количество водорода и хлора надо использовать для того, чтобы получить 10 г хлороводорода.