Понятие валентность происходит от латинского слова «valentia» и было известно еще в середине XIX века. Первое «пространное» упоминание валентности было еще в работах Дж. Дальтона, который утверждал, что все вещества состоят из атомов, соединенных между собой в определенных пропорциях. Затем, Франкланд ввел само понятие валентности, которое нашло дальнейшее развитие в трудах Кекуле, который говорил о взаимосвязи валентности и химической связи, А.М. Бутлерова, который в своей теории строения органических соединений связывал валентность с реакционной способностью того или иного химического соединения и Д.И. Менделеева (в Периодической системе химических элементов высшая валентность элемента определяется номером группы).
ОПРЕДЕЛЕНИЕ
Валентность – это количество ковалентных связей, которое способен образовывать атом в соединении с ковалентной связью.
Валентность элемента определяется числом неспаренных электронов атоме, поскольку они принимают участие в образовании химической связи между атомами в молекулах соединений.
Основное состояние атома (состояние с минимальной энергией) характеризуется электронной конфигурацией атома, которая соответствует положению элемента в Периодической системе. Возбужденное состояние – это новое энергетическое состояние атома, с новым распределением электронов в пределах валентного уровня.
Электронные конфигурации электронов в атоме можно изобразить не только в виде электронных формул, но и с помощью электронно-графических формул (энергетических, квантовых ячеек). Каждая ячейка обозначает орбиталь, стрелка – электрон, направление стрелки (вверх или вниз) показывает спин электрона, свободная клетка – свободная орбиталь, которую может занимать электрон при возбуждении. Если в ячейке 2 электрона, такие электроны называются спаренными, если электрон 1 – неспаренный. Например:
6 C 1s 2 2s 2 2p 2
Орбитали заполняют следующим образом: сначала по одному электрону с одинаковыми спинами, а затем по второму электрону с противоположными спинами. Поскольку на 2p подуровне три орбитали с одинаковой энергией, то каждый из двух электронов занял по одной орбитали. Одна орбиталь осталась свободной.
Определение валентности элемента по электронно-графическим формулам
Валентность элемента можно определить по электронно-графическим формулам электронных конфигураций электронов в атоме. Рассмотрим два атома – азота и фосфора.
7 N 1s 2 2s 2 2p 3
Т.к. валентность элемента определяется числом неспаренных электронов, следовательно, валентность азота равна III. Поскольку у атома азота нет свободных орбиталей, для этого элемента невозможно возбужденное состояние. Однако III, не максимальная валентность азота, максимальная валентность азота V и определяется номером группы. Поэтому, следует запомнить, что с помощью электронно-графических формул не всегда можно определить высшую валентность, а также все валентности, характерные для этого элемента.
15 P 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 3
В основном состоянии атом фосфора имеет 3 неспаренных электрона, следовательно, валентность фосфора равна III. Однако, в атоме фосфора имеются свободные d-орбитали, поэтому электроны, находящиеся на 2s – подуровне способны распариваться и занимать вакантные орбитали d-подуровня, т.е. переходить в возбужденное состояние.
Теперь атом фосфора имеет 5 неспаренных электронов, следовательно для фосфора характерна и валентность, равная V.
Элементы, имеющие несколько значений валентности
Элементы IVA – VIIA групп могут иметь несколько значений валентности, причем, как правило, валентность изменяется ступенчато на 2 единицы. Такое явление обусловлено тем, что в образовании химической связи электроны участвуют попарно.
В отличие от элементов главных подгрупп, элементы В-подгрупп, в большинстве соединений не проявляют высшую валентность, равную номеру группы, например, медь и золото. В целом, переходные элементы проявляют большое разнообразие химических свойств, которое объясняется большим набором валентностей.
Рассмотрим электронно-графические формулы элементов и установим, в связи с чем элементы имеют разные валентности (рис.1).
Задания: определите валентные возможности атомов As и Cl в основном и возбужденном состояниях.
ВАЛЕНТНОСТЬ (лат. valentia – сила) способность атома присоединять или замещать определенное число других атомов или групп атомов .
В течение многих десятилетий понятие валентности относилось к основным, фундаментальным понятиям в химии. С этим понятием обязательно сталкивались все изучающие химию. Вначале оно казалось им достаточно простым и однозначным: водород одновалентен, кислород двухвалентен и т.д. В одном из пособий для абитуриентов так и сказано: «Валентность – количество химических связей, образованных атомом в соединении». Но какова тогда, в соответствии с этим определением, валентность углерода в карбиде железа Fe 3 C, в карбониле железа Fe 2 (CO) 9 , в давно известных солях K 3 Fe(CN) 6 и K 4 Fe(CN) 6 ? И даже в хлориде натрия каждый атом в кристалле NaCl связан с шестью другими атомами! Так что многие определения, даже напечатанные в учебниках, нужно применять очень осмотрительно.
В современных изданиях можно встретить разные, часто не согласующимися друг с другом определения. Например, такое: «Валентность – это способность атомов образовывать определенное число ковалентных связей». Это определение четкое, однозначное, но оно применимо только для соединений с ковалентными связями. Определяют валентность атома и общим числом электронов, участвующих в образовании химической связи; и числом электронных пар, которыми данный атом связан с другими атомами; и числом его неспаренных электронов, участвующих в образовании общих электронных пар. Вызывает затруднения и другое часто встречавшееся определение валентности как числа химических связей, которыми данный атом соединен с другими атомами, так как не всегда можно четко определить, что такое химическая связь. Ведь далеко не во всех соединениях химические связи образованы парами электронов. Простейшим примером могут служить ионные кристаллы, например, хлорид натрия; в нем каждый атом натрия образует связь (ионную) с шестью атомами хлора, и наоборот. А надо ли считать химическими связями водородные связи (например, в молекулах воды)?
Встает вопрос, чему может быть равна валентность атома азота в соответствии с разными ее определениями. Если валентность определять общим числом электронов, участвующих в образовании химических связей с другими атомами, то максимальную валентность атома азота следует считать равной пяти, так как атом азота может использовать при образовании химических связей все свои пять внешних электронов – два s-электрона и три p-электронов. Если валентность определять числом электронных пар, которыми данный атом связан с другими, то в таком случае максимальная валентность атома азота равна четырем. При этом три p-электрона образуют с другими атомами три ковалентные связи и еще одна связь образуется за счет двух 2s-электронов азота. Примером может случить реакция аммиака с кислотами с образованием катиона аммония.Наконец, если определять валентность только числом неспаренных электронов в атоме, то валентность азота не может быть больше трех, так как в атоме N не может быть больше трех неспаренных электронов (возбуждение 2s-электрона может происходить только на уровень с n = 3, что энергетически крайне невыгодно). Так, в галогенидах азот образует только три ковалентные связи, и не существует таких соединений как NF 5 , NCl 5 или NBr 5 (в отличие от вполне стабильных PF 3 , PCl 3 и PBr 3). Но если атом азота передаст один из своих 2s-электронов другому атому, то в образовавшемся катионе N + останется четыре неспаренных электрона, и валентность этого катиона будет равна четырем. Так происходит, например, в молекуле азотной кислоты. Таким образом, разные определения валентности приводят к разным результатам даже в случае простых молекул.
Какое же из этих определений «правильное» и можно ли вообще дать для валентности однозначное определение. Чтобы ответить на эти вопросы, полезно сделать экскурс в прошлое и рассмотреть, как с развитием химии изменялось понятие «валентность».
Впервые идея валентности элементов (не получившая, впрочем, в то время признания) была высказана в середине 19 в. английским химиком Э.Франкландом: он говорил об определенной «емкости насыщения» металлов и кислорода. Впоследствии под валентностью стали понимать способность атома присоединять или замещать определенное число других атомов (или групп атомов) с образованием химической связи. Один из создателей теории химического строения Фридрих Август Кекуле писал: «Валентность – фундаментальное свойство атома, свойство такое же постоянное и неизменяемое, как и самый атомный вес». Кекуле считал валентность элемента постоянной величиной. К концу 1850-х большинство химиков считали, что валентность (тогда говорили «атомность») углерода равна 4, валентности кислорода и серы равны 2, а галогенов – 1. В 1868 немецкий химик К.Г.Вихельхауз вместо «атомность» предложил использовать термин «валентность» (на латыни valentia – сила). Однако в течение длительного времени он почти не употреблялся, во всяком случае, в России (вместо него говорили, например, о «единицах сродства», «числе эквивалентов», «числе паев» и т.п.). Показательно, что в Энциклопедическом словаре Брокгауза и Ефрона (практически все статьи по химии в этой энциклопедии просматривал, правил, а часто и писал Д.И.Менделеев) статьи «валентность» вообще нет. Нет его и в классическом труде Менделеева Основы химии (он лишь изредка упоминает понятие «атомность», не останавливаясь на нем детально и не давая ему однозначного определения).
Чтобы наглядно показать трудности, с самого начала сопровождавшие понятие «валентность», уместно процитировать популярный в начале 20 в. многих странах, ввиду большого педагогического таланта автора, учебник американского химика Александра Смита, изданный им в 1917 (в русском переводе – в 1911, 1916 и 1931): «Ни одно понятие в химии не получало такого количества неясных и неточных определений, как понятие валентности». И далее в разделе Некоторые странности во взглядах на валентность автор пишет:
«Когда впервые было построено понятие валентности, тогда считали – совершенно ошибочно, – что каждый элемент имеет одну валентность. Поэтому, рассматривая такие пары соединений, как CuCl и CuCl 2 , или... FeCl 2 и FeCl 3 , исходили из допущения, что медь всегда двухвалентна, а железо трехвалентно, и на этом основании искажали формулы так, чтобы подогнать их к этому допущению. Таким образом, формулу однохлористой меди писали (да и часто пишут и посейчас) так: Cu 2 Cl 2 . В таком случае формулы двух хлористых соединений меди в графическом изображении получают вид: Cl–Cu–Cu–Cl и Cl–Cu–Cl. В обоих случаях каждый атом меди удерживает (на бумаге) две единицы, а потому является двухвалентным (на бумаге). Подобным образом... удвоение формулы FeCl 2 дало Cl 2 >Fe–Fe 2, что позволило считать... железо трехвалентным.» И далее Смит делает очень важный и актуальный во все времена вывод: «Вполне противно научному методу – изобретать или искажать факты в целях поддержки представления, которое, не будучи основано на опыте, является результатом простого предположения. Однако история науки показывает, что подобные ошибки наблюдаются часто».
Обзор представлений начала века о валентности дал в 1912 русский химик Л.А.Чугаев, получивший мировое признание за работы по химии комплексных соединений. Чугаев четко показал трудности, связанные с определением и применением понятия валентность:
«Валентность – термин, употребляемый в химии в том же смысле, как «атомность», для обозначения максимального числа атомов водорода (или иных одноатомных атомов или одноатомных радикалов), с которыми атом данного элемента может находиться в непосредственной связи (или которые он способен замещать). Слово валентность часто также употребляется в смысле единицы валентности, или единицы сродства. Так, говорят, что кислород обладает двумя, азот тремя валентностями и т.д. Слова валентность и «атомность» прежде употреблялись без всякого различия, но по мере того, как самое понятия, выражаемые ими, теряло первоначальную простоту и осложнялось, для целого ряда случаев осталось в употреблении только слово валентность… Осложнение понятия о валентности началось с признания, что валентность есть величина переменная... причем по смыслу дела она выражается всегда целым числом».
Химикам было известно, что многие металлы имеют переменную валентность, и следовало говорить, например, о двухвалентном, трехвалентном и шестивалентном хроме. Чугаев говорил, что даже в случае углерода пришлось признать возможность того, что его валентность может быть отлична от 4, причем СО – не единственное исключение: «Двухвалентный углерод, весьма вероятно, содержится в карбиламинах СН 3 –N=C, в гремучей кислоте и ее солях C=NOH, C=NOMe и пр. Мы знаем, что существует также углерод трехатомный...» Обсуждая теорию немецкого химика И.Тиле о «парциальных» или частичных валентностях, Чугаев говорил о ней, как «одной из первых попыток расширить классическое понятие о валентности и распространить его на случаи, к объяснению которых оно, как таковое, является неприложимым. Если Тиле пришел к необходимости... допустить «дробление» единиц валентности, то существует целый ряд фактов, заставляющих еще и в ином смысле вывести понятие о валентности из тех узких рамок, в которых оно было первоначально заключено. Мы видели, что изучение простейших (по большей части бинарных...) соединений, образуемых химическими элементами, для каждого из этих последних заставляет допустить определенные, всегда небольшие и, конечно, целые значения их валентности. Таких значений, вообще говоря, очень немного (элементы, проявляющие более трех различных валентностей, редки)... Опыт показывает, однако, что когда уже все вышеупомянутые единицы валентности следует признать насыщенными, способность образующихся при этом молекул к дальнейшему присоединению вовсе еще не достигает предела. Так, соли металлов присоединяют воду, аммиак, амины.., образуя разнообразные гидраты, аммиакаты... и т.п. сложные соединения, которые... мы ныне относим к числу комплексных. Существование таких соединений, не укладывающихся в рамки простейшего представления о валентности, естественно потребовало его расширения и введения дополнительных гипотез. Одна из таких гипотез, предложенная А.Вернером, заключается в том, что наряду с главными, или основными, единицами валентности существуют еще другие, побочные. Последние обыкновенно обозначаются пунктиром.»
Действительно, какую валентность, например, следовало приписать атому кобальта в его хлориде, присоединившем шесть молекул аммиака с образованием соединения CoCl 3 ·6NH 3 (или, что то же, Co(NH 3) 6 Cl 3)? В нем атом кобальта соединен одновременно с девятью атомами хлора и азота! Д.И.Менделеев писал по этому поводу о малоисследованных «силах остаточного сродства». А швейцарский химик А.Вернер, создавший теорию комплексных соединений, ввел понятия главной (первичной) валентности и побочной (вторичной) валентности (в современной химии этим понятиям отвечают степень окисления и координационное число). Обе валентности могут быть переменными, причем различить их в ряде случаев очень трудно или даже невозможно.
Далее Чугаев затрагивает теорию Р.Абегга об электровалентности, которая может быть положительной (в высших кислородных соединениях) или отрицательной (в соединениях с водородом). При этом сумма высших валентностей элементов по кислороду и водороду для групп с IV по VII равна 8. На этой теории до сих пор основано изложение во многих учебниках химии. В заключение Чугаев упоминает химические соединения, для которых понятие валентности практически неприменимо – интерметаллические соединения, состав которых «часто выражается весьма своеобразными формулами, очень мало напоминающие обычные значения валентности. Таковы, например, следующие соединения: NaCd 5 , NaZn 12 , FeZn 7 и др.»
На некоторые трудности определения валентности указывал другой известный русский химик И.А.Каблуков в своем учебнике Основные начала неорганической химии , изданном в 1929. Что же касается координационного числа, процитируем (в русском переводе) изданный в Берлине в 1933 учебник одного из создателей современной теории растворов датского химика Нильса Бьеррума:
«Обычные числа валентностей не дают никакого представления о характерных свойствах, проявляемых многими атомами в многочисленных комплексных соединениях. Чтобы объяснить способность атомов или ионов образовывать комплексные соединения, ввели для атомов и ионов новый особый ряд чисел, отличающихся от обычных чисел валентностей. В комплексных ионах серебра... непосредственно с центральным атомом металла связаны большей частью два атома или две группы атомов, например, Ag(NH 3) 2 + , Ag(CN) 2 – , Ag(S 2 O 3) 2 – ... Для описания этой связи ввели понятие координационного числа и приписывают ионам Ag + координационное число 2. Как видно из приведенных примеров, группы, связанные с центральным атомом , могут быть и нейтральными молекулами (NH 3) и ионами (CN – , S 2 O 3 –). Двухвалентный ион меди Cu ++ и трехвалентный ион золота Au +++ имеют в большинстве случаев координационное число 4. Координационное число атома, конечно, еще не указывает, какого рода связь существует между центральным атомом и связанными с ним другими атомами или группами атомов; но оно оказалось превосходным средством для систематики комплексных соединений».
Очень наглядные примеры «особых свойств» комплексных соединений приводит в своем учебнике А.Смит:
«Рассмотрим следующие „молекулярные“ соединения платины: PtCl 4 ·2NH 3 , PtCl 4 ·4NH 3 , PtCl 4 ·6NH 3 и PtCl 4 ·2KCl. Ближайшее изучение этих соединений показывает ряд замечательных особенностей. Первое соединение в растворе практически не распадается на ионы; электропроводность растворов его чрезвычайно мала; азотнокислое серебро не дает с ним осадка AgCl. Вернер принял, что атомы хлора связаны с атомом платины обычными валентностями; их Вернер назвал главными, а молекулы аммиака связаны с атомом платины дополнительными, побочными валентностями. Это соединение, по Вернеру, имеет такое строение:
Большие скобки указывают на целостность группы атомов, на комплекс, не распадающийся при растворении соединения.
Второе соединение обладает отличными от первого свойствами; это – электролит, электропроводность его растворов того же порядка, что и электропроводность растворов солей, распадающихся на три иона (K 2 SO 4 , BaCl 2 , MgCl 2); азотнокислое серебро осаждает два атома из четырех. По Вернеру это соединение следующего строения: 2– + 2Cl – . Здесь мы имеем комплексный ион атомы хлора в нем не осаждаются азотнокислым серебром, и этот комплекс образует вокруг ядра – атома Pt – внутреннюю сферу атомов в соединении, отщепляющиеся же в виде ионов атомы хлора образуют внешнюю сферу атомов, почему мы и пишем их вне больших скобок. Если мы будем считать, что Pt имеет четыре главные валентности, то в этом комплексе использованы только две, две же другие удерживают два внешних атома хлора. В первом соединении в самом комплексе использованы все четыре валентности платины, вследствие чего это соединение не электролит.
В третьем соединении все четыре атома хлора осаждаются азотнокислым серебром; большая электропроводность этой соли показывает, что она дает пять ионов; очевидно, что ее строение следующее: 4– + 4Cl – ... В комплексном ионе все молекулы аммиака связаны с Pt побочными валентностями; соответственно четырем главным валентностям платины во внешней сфере есть четыре атома хлора.
В четвертом соединении азотнокислое серебро не осаждает вовсе хлора, электропроводность его растворов указывает на распадение на три иона, обменные реакции обнаруживают ионы калия. Этому соединению мы приписываем следующее строение 2– + 2K + . В комплексном ионе четыре главные валентности Pt использованы, но так как не использованы главные валентности двух атомов хлора, то во внешней сфере могут быть удержаны два положительных одновалентных иона (2K + , 2NH 4 + и т.д.).»
Приведенные примеры разительного отличия свойств внешне похожих комплексов платины дают представление о сложностях, с которыми сталкивались химики при попытках однозначного определения валентности.
После создания электронных представлений о строении атомов и молекул стали широко пользоваться понятием «электровалентность». Поскольку атомы могут как отдавать, так и принимать электроны, электровалентность могла быть как положительной, так и отрицательной (сейчас вместо электровалентности используют понятие степень окисления). Насколько новые электронные представления о валентности согласовывались с прежними? Н.Бьеррум в уже цитированном учебнике пишет по этому поводу: «Между обычными числами валентностей и введенными новыми числами – электровалентностью и координационным числом – имеется некоторая зависимость, но они ни в коем случае не идентичны. Старое понятие валентности распалось на два новых понятия». По этому поводу Бьеррум сделал важное примечание: «Координационное число углерода в большинстве случаев равно 4, а его электровалентность или +4 или –4. Так как для атома углерода оба числа обычно совпадают, то соединения углерода непригодны для того, чтобы изучать на них различие между этими двумя понятиями».
В рамках электронной теории химической связи, развитой в работах американского физикохимика Г.Льюиса и немецкого физика В.Косселя, появились такие понятия, такие как донорно-акцепторная (координационная) связь и ковалентность. В соответствии с этой теорией, валентность атома определяли числом его электронов, участвующих в образовании общих электронных пар с другими атомами. При этом максимальную валентность элемента считали равной числу электронов во внешней электронной оболочке атома (оно совпадает с номером группы периодической таблицы, которой принадлежит данный элемент). Согласно другим представлениям, основанным на квантово-химических законах (их развивали немецкие физики В.Гайтлер и Ф.Лондон), считать надо не все внешние электроны, а только неспаренные (в основном или возбужденном состоянии атома); именно это определение приведено в ряде химических энциклопедий.
Однако известны факты, не укладывающиеся в эту простую схему. Так, в ряде соединений (например, в озоне) пара электронов может удерживать не два, а три ядра; в других молекулах химическая связь может осуществляться единственным электроном. Описать подобные связи без привлечения аппарата квантовой химии невозможно. Как, например, определить валентность атомов в таких соединениях как пентаборан В 5 Н 9 и другие бораны с «мостиковыми» связями, в которых атом водорода связан сразу с двумя атомами бора; ферроцен Fe(C 5 H 5) 2 (атом железа со степенью окисления +2 связан сразу с 10 атомами углерода); пентакарбонил железа Fе(СО) 5 (атом железа в нулевой степени окисления связан с пятью атомами углерода); пентакарбонилхромат натрия Na 2 Cr(CO) 5 (степень окисления хрома-2)? Такие «неклассические» случаи вовсе не являются чем-то исключительным. Подобных «нарушителей валентности», соединений с различными «экзотическими валентностями» по мере развития химии становилось все больше.
Чтобы обойти некоторые трудности, было дано определение, согласно которому при определении валентности атома надо учитывать суммарное число неспаренных электронов, неподеленных электронных пар и вакантных орбиталей, участвующих в образовании химических связей. Вакантные орбитали принимают непосредственное участие в образовании донорно-акцепторных связей в разнообразных комплексных соединениях.
Один из выводов заключается в том, что развитие теории и получение новых экспериментальных данных привело к тому, что попытки добиться ясного понимания природы валентности разделили это понятие на ряд новых представлений, таких как главная и побочная валентность, ионная валентность и ковалентность, координационное число и степень окисления и т.д. То есть понятие «валентность» «расщепилось» на ряд самостоятельных понятий, каждое из которых действует в определенной области». По-видимому, традиционное понятие валентности имеет четкий и однозначный смысл только для соединений, в которых все химические связи являются двухцентровыми (т.е. соединяющими только два атома) и каждая связь осуществляется парой электронов, расположенной между двумя соседними атомами, проще говоря – для ковалентных соединений типа HCl, CO 2 , C 5 H 12 и т.п.
Второй вывод не совсем обычен: термин «валентность», хотя и употребляется в современной химии, имеет весьма ограниченное применение, попытки дать ему однозначное определение «на все случаи жизни» мало продуктивны и вряд ли нужны. Недаром авторы многих учебников, особенно выходящих за рубежом, обходятся вовсе без этого понятия или же ограничиваются указанием на то, что понятие «валентность» имеет в основном историческое значение, тогда как сейчас химики пользуются в основном более распространенным, хотя и несколько искусственным понятием «степень окисления».
Илья Леенсон
Тема урока: «Валентность. Определение валентности по формулам их соединений»
Тип урока : изучение и первичное закрепление новых знаний
Организационные формы: беседа, индивидуальные задания, самостоятельная
Цели урока:
Дидактические:
Опираясь на знания учащихся, повторить понятия “химическая формула”;
Способствовать формированию у учащихся понятия “валентность” и умению определять валентность атомов элементов по формулам веществ;
Акцентировать внимание школьников на возможности интеграции курсов химии, математики.
Развивающие:
Продолжить формирование умений формулировать определения;
Разъяснять смысл изученных понятий и объяснять последовательность действий при определении валентности по формуле вещества;
Способствовать обогащению словарного запаса, развитию эмоций, творческих способностей;
Развивать умение выделять главное, существенное, сравнивать, обобщать, развивать дикцию, речь.
Воспитательные:
Воспитывать чувство товарищества, умение работать коллективно;
Повысить уровень эстетического воспитания учащихся;
Ориентировать учащихся на здоровый образ жизни.
Планируемые результаты обучения:
Предметные: знать определение понятия «валентность».
Уметь определять валентность элементов по формулам бинарных соединений. Знать валентность некоторых химических элементов.
Метапредметные: формировать умение работать по алгоритму для решения учебных и познавательных задач.
Личностные: формирование ответственного отношения к учению, готовности учащихся к самообразованию на основе мотивации к обучению.
Основные виды деятельности учащихся. Определять валентность элементов в бинарных соединениях.
Основные понятия: валентность, постоянная и переменная валентность.
Оборудование для учащихся: учебник Г.Е. Рудзитис, Ф.Г. Фельдман «Химия. 8 класс». - М.: Просвещение, 2015; на каждом столе “Алгоритм определения валентности” (приложение 2); раздаточный материал.
| Ход урока | Деятельность учителя | Деятельность учащихся |
| 1.Организационный момент | Учитель приветствует учащихся, определяет готовность к уроку, создает благоприятный микроклимат в классе | Приветствуют учителя, демонстрируют готовность к уроку |
| 2.Актуализация знаний | Фронтальная беседа с учащимися по пройденной теме “Химическая формула”. Задание 1: Что здесь написано? Учитель демонстрирует формулы, отпечатанные на отдельных листах (приложение 1). Задание 2: индивидуальная работа по карточкам (двое учащихся работают у доски). После окончания расчетов проверка. Карточка № 1. Рассчитайте относительную молекулярную массу данных веществ: NaCl, K2O. Карточка № 2. Рассчитайте относительную молекулярную массу данных веществ: CuO, SO2. | Учащиеся отвечают на вопросы учителя, читают формулы на «химическом языке» Учащиеся получают карточки: первый вариант - № 1, второй вариант - № 2 и выполняют задания. Двое учащихся выходят к доске и производят расчеты на обратной стороне доски. Когда выполнят задания, проверяют все вместе правильность, если есть ошибки, находят пути их устранения. |
| 3.Изучение нового материа | 1. Объяснение учителя. Постановка проблемы. Понятие о валентности. До сих пор мы пользовались готовыми формулами, приведёнными в учебнике. Химические формулы можно вывести на основании данных о составе веществ. Но чаще всего при составлении химических формул учитываются закономерности, которым подчиняются элементы, соединяясь между собой. Задание: сравните качественный и количественный состав в молекулах: HCl , H2O, NH3, CH4. Что общего в составе молекул? Чем они отличаются друг от друга? Проблема: Почему различные атомы удерживают различное количество атомов водорода? Вывод: У атомов разная способность удерживать определённое количество других атомов в соединениях. Это и называется валентностью. Слово “валентность” происходит от лат. valentia - сила. Запишите определение в тетрадь: Валентность - это свойство атомов удерживать определённое число других атомов в соединении. Валентность обозначается римскими цифрами. Валентность атома водорода принята за единицу, а у кислорода - два. 1.Отметить валентность известного элемента: I 2. найти общее число единиц валентности известного элемента: 3.общее число единиц валентности делят на количество атомов другого элемента и узнают его валентность: | Слушают учителя Наличие атомов водорода. HCl - один атом хлора удерживает один атом водорода H2O - один атом кислорода удерживает два атома водорода NH3 - один атом азота удерживает три атома водорода CH4 - один атом углерода удерживает четыре атома водорода. Фиксируют проблему, высказывают предположения, совместно с учителем приходят к выводу. Записывают определение, слушают объяснения учителя. Используя алгоритм определения валентности, записывают в тетрадь формулу и определяют валентность элементов Слушают объяснения учителя |
| 4.Первичная проверка усвоенных знаний | Упражнение 1: определить валентность элементов в веществах. Задание в раздаточном материале. Упражнение 2: В течение трёх минут необходимо выполнить одно из трёх заданий по выбору. Выбирайте только то задание, с которым вы справитесь. Задание в раздаточном материале. Прикладной уровень (“4”). Творческий уровень (“5”). Учитель выборочно проверяет тетради учащихся, за правильно выполненные задания ставит оценки. | тренажёр: ученики цепочкой выходят к доске и определяют валентности элементов в предложенных формулах Учащиеся выполняют предложенные задания, выбирая тот уровень, на который, по их мнению, они способны. Анализируют ответы вместе с учителем |
| 5.Подведение итогов урока | Беседа с учащимися: Какую проблему мы поставили в начале урока? К какому выводу мы пришли? Дать определение “валентности”. Чему равна валентность атома водорода? Кислорода? Как определить валентность атома в соединении? Оценка работы учащихся в целом и отдельных учащихся. | Отвечают на вопросы учителя. Анализируют свою работу на уроке. |
| 6.Домашнее задание | § 16, упр. 1, 2, 5, тестовые задания | Записывают задание в дневник |
| 7.Рефлексия | Организует выбор учащимися адекватной оценки своего отношения к уроку и состояния после проведенного урока (приложение 3, распечатать для каждого) | Выполняют оценку своих ощущений после проведенного урока |
Литература:
Гара Н. Н. Химия: уроки в 8 классе: пособие для учителя / Н. Н. Гара. - М.: Просвещение, 2014.
Контрольно-измерительные материалы. Химия 8 класс/Сост. Н.П. Троегубова. - М.: ВАКО, 2013.
Рудзитис Г.Е., Фельдман Ф.Г. «Химия. 8 класс». - М.: Просвещение, 2015.
Троегубова Н.П. Поурочные разработки по химии 8 класс. - М.: ВАКО, 2014.
Журнал «Биология» - www.1september.ru - технология личностно-ориентированного обучения.
Приложение 1
Что означает следующая запись?
а) 4H; 7Fe; H2; 4H2 б) NaCl; AlBr3; FeS
Приложение 2
Алгоритм определения валентности.
| Алгоритм определения валентности | Пример |
|
| 1. Запишите формулу вещества. | ||
| 2. Обозначьте известную валентность элемента | ||
| 3. Найдите число единиц валентности атомов известного элемента, умножив валентность элемента на количество его атомов | 2 |
|
| 4. Поделите число единиц валентности атомов на количество атомов другого элемента. Полученный ответ и является искомой валентностью | 2 | 2 |
| 5. Сделайте проверку, то есть подсчитайте число единиц валентностей каждого элемента | I II | I II |
На уроке я работал: активно/пассивно
Своей работой на уроке я: доволен/не доволен
Урок для меня показался: коротким/длинным
За урок я: не устал/устал
Мое настроение: стало лучше/стало хуже
Материал урока мне был: понятен/не понятен, интересен/скучен.
Раздаточный материал.
Упражнение 1: определить валентность элементов в веществах:
SiH4, CrO3, H2S, CO2, CO, SO3, SO2, Fe2O3, FeO, HCl, HBr, Cl2O5, Cl2O7, РН3, K2O, Al2O3, P2O5, NO2, N2O5, Cr2O3, SiO2, B2O3, SiH4, Mn2O7, MnO, CuO, N2O3.
Упражнение 2:
В течение трёх минут необходимо выполнить одно из трёх заданий по выбору. Выбирайте только то задание, с которым вы справитесь.
Репродуктивный уровень (“3”). Определите валентность атомов химических элементов по формулам соединений: NH3, Au2O3, SiH4, CuO.
Прикладной уровень (“4”). Из приведённого ряда выпишите только те формулы, в которых атомы металлов двухвалентны: MnO, Fe2O3 , CrO3, CuO, K2O, СаH2.
Творческий уровень (“5”). Найдите закономерность в последовательности формул: N2O, NO, N2O3 и проставьте валентности над каждым элементом.
Химическая формула отражает состав (структуру) химического соединения или простого вещества. Например, Н 2 О - два атома водорода соединены с атомом кислорода. Химические формулы содержат также некоторые сведения о структуре вещества: например, Fe(OH) 3 , Al 2 (SO 4) 3 - в этих формулах указаны некоторые устойчивые группировки (ОН, SO 4), которые входят в состав вещества - его молекулы, формульной или структурной единицы (ФЕ или СЕ).
Молекулярная формула указывает число атомов каждого элемента в молекуле. Молекулярная формула описывает только вещества с молекулярным строением (газы, жидкости и некоторые твердые вещества). Состав вещества с атомной или ионной структурой можно описать только символами формульных единиц.
Формульные единицы указывают простейшее соотношение между числом атомов разных элементов в веществе. Например, формульная единица бензола СН, молекулярная формула С 6 Н 6 .
Структурная (графическая) формула указывает порядок соединения атомов в молекуле (а также в ФЕ и СЕ) и число связей между атомами.
Рассмотрение таких формул привело к представлению о валентности (valentia - сила) - как о способности атома данного элемента присоединять к себе определенное число других атомов. Можно выделить три вида валентности: стехиометрическую (включая степень окисления), структурную и электронную.
Стехиометрическая валентность. Количественный подход к определению валентности оказался возможным после установления понятия «эквивалент» и его определения по закону эквивалентов. Основываясь на этих понятиях можно ввести представление о стехиометрической валентности - это число эквивалентов, которое может к себе присоединить данный атом, или - число эквивалентов в атоме. Эквиваленты определяются по количеству атомов водорода, то и V стх фактически означает число атомов водорода (или эквивалентных ему частиц), с которыми взаимодействует данный атом.
V стх = Z B или V стх = . (1.1)
Например, в SO 3 ( S= +6), Z B (S) равен 6 V стх (S) = 6.
Эквивалент водорода равен 1, поэтому для элементов в приведенных ниже соединениях Z B (Cl) = 1, Z B (О) =2, Z B (N) = 3, а Z B (C) = 4. Численное значение стехиометрической валентности принято обозначать римскими цифрами:
I I I II III I IV I
HCl, H 2 O, NН 3 , CH 4 .
В тех случаях, когда элемент не соединяется с водородом, валентность искомого элемента определяется по элементу, валентность которого известна. Чаще всего ее находят по кислороду, поскольку валентность его в соединениях обычно равна двум. Например, в соединениях:
II II III II IV II
CaO Al 2 O 3 CО 2 .
При определении стехиометрической валентности элемента по формуле бинарного соединения следует помнить, что суммарная валентность всех атомов одного элемента должна быть равна суммарной валентности всех атомов другого элемента.
Зная валентность элементов, можно составить химическую формулу вещества. При составлении химических формул можно соблюдать следующий порядок действий:
1. Пишут рядом химические символы элементов, которые входят в состав соединения: KO AlCl AlO ;
2. Над символами химических элементов проставляют их валентность:
I II III I III II
3. Используя выше сформулированное правило, определяют наименьшее общее кратное чисел, выражающих стехиометрическую валентность обоих элементов (2, 3 и 6, соответственно).
Делением наименьшего общего кратного на валентность соответствующего элемента находят индексы:
I II III I III II
K 2 O AlCl 3 Al 2 O 3 .
Пример 1. Составить формулу оксида хлора, зная, что хлор в нем семивалентен, а кислород - двухвалентен.
Решение. Находим наименьшее кратное чисел 2 и 7 - оно равно 14. Разделив наименьшее общее кратное на стехиометрическую валентность соответствующего элемента, находим индексы: для атомов хлора 14/7 = 2, для атомов кислорода 14/2 = 7.
Формула оксида -Cl 2 O 7 .
Степень окисления также характеризует состав вещества и равна стехиометрической валентности со знаком "плюс" (для металла или более электроположительного элемента в молекуле) или “минус”.
= ±V стх. (1.2)
w определяется через V стх, следовательно через эквивалент, и это означает, что w(Н) = ±1; далее опытным путем могут быть найдены w всех других элементов в различных соединениях. В частности, важно, что ряд элементов имеют всегда или почти всегда постоянные степени окисления.
Полезно помнить следующие правила определения степеней окисления.
1. w(Н) = ±1 (. w = +1 в Н 2 О, НCl; . w = –1 в NaH, CaH 2);
2. F (фтор) во всех соединениях имеет w = –1, остальные галогены с металлами, водородом и другими более электроположительными элементами тоже имеют w = –1.
3. Кислород в обычных соединения имеет. w = –2 (исключения – пероксид водорода и его производные – Н 2 О 2 или BaO 2 , в которых кислород имеет степень окисления –1, а также фторид кислорода OF 2 , степень окисления кислорода в котором равна +2).
4. Щелочные (Li – Fr) и щелочно-земельные (Ca - Ra) металлы всегда имеют степень окисления, равную номеру группы, то есть +1 и +2, соответственно;
5. Al, Ga, In, Sc, Y, La и лантаноиды (кроме Се) – w = +3.
6. Высшая степень окисления элемента равна номеру группы периодической системы, а низшая = (№ группы - 8). Например, высшая w (S) = +6 в SO 3 , низшая w = -2 в Н 2 S.
7. Степени окисления простых веществ приняты равными нулю.
8. Степени окисления ионов равны их зарядам.
9. Степени окисления элементов в соединении компенсируют друг друга так, что их сумма для всех атомов в молекуле или нейтральной формульной единице равна нулю, а для иона - его заряду. Это можно использовать для определения неизвестной степени окисления по известным и составления формулы многоэлементных соединений.
Пример 2. Определить степень окисления хрома в солиK 2 CrO 4 и в ионеCr 2 O 7 2 - .
Решение. Принимаемw(К) = +1;w(О) =-2. Для структурной единицыK 2 CrO 4 имеем:
2 . (+1) + Х + 4 . (-2) = 0, отсюда Х =w(Сr) = +6.
Для иона Cr 2 O 7 2 - имеем: 2 . Х + 7 . (-2) =-2, Х =w(Cr) = +6.
То есть степень окисления хрома в обоих случаях одинакова.
Пример 3. Определить степень окисления фосфора в соединенияхP 2 O 3 иPH 3 .
Решение. В соединенииP 2 O 3 w(О) =-2. Исходя из того, что алгебраическая сумма степеней окисления молекулы должна быть равной нулю, находим степень окисления фосфора: 2 . Х + 3 . (-2) = 0, отсюда Х =w(Р) = +3.
В соединении PH 3 w(Н) = +1, отсюда Х + 3.(+1) = 0. Х =w(Р) =-3.
Пример 4. Напишите формулы оксидов, которые можно получить при термическом разложении перечисленных ниже гидроксидов:
H 2 SiO 3 ; Fe(OH) 3 ; H 3 AsO 4 ; H 2 WO 4 ; Cu(OH) 2 .
Решение. H 2 SiO 3 -определим степень окисления кремния:w(Н) = +1,w(О) =-2, отсюда: 2 . (+1) + Х + 3 . (-2) = 0.w(Si) = Х = +4. Составляем формулу оксида-SiO 2 .
Fe(OH) 3 -заряд гидроксогруппы равен-1, следовательноw(Fe) = +3 и формула соответствующего оксидаFe 2 O 3 .
H 3 AsO 4 -степень окисления мышьяка в кислоте: 3 . (+1) +X+ 4 . (-2) = 0.X=w(As) = +5. Таким образом, формула оксида-As 2 O 5 .
H 2 WO 4 -w(W) в кислоте равна +6, таким образом формула соответствующего оксида-WO 3 .
Cu(OH) 2 -так как имеется две гидроксогруппы, заряд которой равен-1, следовательноw(Cu) = +2 и формула оксида -CuO.
Большинство элементов имеют по несколько степеней окисления.
Рассмотрим, как с помощью таблицы Д.И. Менделеева можно определить основные степени окисления элементов.
Устойчивые степени окисления элементов главных подгрупп можно определять по следующим правилам:
1. У элементов I-III групп существуют единственные степени окисления - положительные и равные по величине номерам групп (кроме таллия, имеющего w = +1 и +3).
У элементов IV-VI групп, кроме положительной степени окисления, соответствующей номеру группы, и отрицательной, равной разности между числом 8 и номером группы, существуют еще промежуточные степени окисления, обычно отличающиеся между собой на 2 единицы. Для IV группы степени окисления, соответственно, равны +4, +2, -2, -4; для элементов V группы соответственно -3, -1 +3 +5; и для VI группы - +6, +4, -2.
3. У элементов VII группы существуют все степени окисления от +7 до -1, различающиеся на две единицы, т.е. +7,+5, +3, +1 и -1. В группе галогенов выделяется фтор, который не имеет положительных степеней окисления и в соединениях с другими элементами существует только в одной степени окисления -1. (Имеется несколько соединений галогенов с четными степенями окисления: ClO, ClO 2 и др.)
У элементов побочных подгрупп нет простой связи между устойчивыми степенями окисления и номером группы. У некоторых элементов побочных подгрупп устойчивые степени окисления следует просто запомнить. К таким элементам относятся:
Cr (+3 и +6), Mn (+7, +6, +4 и +2), Fe, Co и Ni (+3 и +2), Cu (+2 и +1), Ag (+1), Au (+3 и +1), Zn и Cd (+2), Hg (+2 и +1).
Для составления формул трех- и многоэлементных соединений по степеням окисления необходимо знать степени окисления всех элементов. При этом количество атомов элементов в формуле определяется из условия равенства суммы степеней окисления всех атомов заряду формульной единицы (молекулы, иона). Например, если известно, что в незаряженной формульной единице имеются атомы K, Cr и О со степенями окисления равными +1, +6 и -2 соответственно, то этому условию будут удовлетворять формулы K 2 CrO 4 , K 2 Cr 2 O 7 , K 2 Cr 3 O 10 и многие другие; аналогично этому иону с зарядом -2, содержащему Cr +6 и O - 2 будут соответствовать формулы CrO 4 2 - , Cr 2 O 7 2 - , Cr 3 O 10 2 - , Cr 4 O 13 2 - и т.д.
3.
Электронная валентность
V 
‑ число химических связей, образуемых
данным атомом.
Например, в молекуле H 2 O 2 Н ¾ О
V стх (O)
= 1, V к. ч.(O)
= 2, V 
.(O)
= 2
То есть, имеются химические соединения, в которых стехиометрическая и электронная валентности не совпадают; к ним, например, относятся и комплексные соединения.
Координационная и электронная валентности более подробно рассматриваются в темах “Химическая связь” и “Комплексные соединения”.
При рассмотрении химических элементов можно заметить, что количество атомов у одного и того же элемента в разных веществах разнится. Каким же образом правильно записать формулу и не ошибиться в индексе химического элемента? Это легко сделать, если иметь представление, что такое валентность.
Для чего нужна валентность?
Валентность химических элементов – это способность атомов элемента образовывать химические связи, то есть присоединять к себе другие атомы. Количественной мерой валентности является число связей, которые образует данный атом с другими атомами или атомными группами.
В настоящее время валентность представляет собой число ковалентных связей (в том числе возникших и по донорно-акцепторному механизму), которыми данный атом соединен с другими. При этом не учитывается полярность связей, а значит, валентность не имеет знака и не может быть равной нулю.
Ковалентная химическая связь – это связь, осуществляемая за счет образования общих (связывающих) электронных пар. Если между двумя атомами имеется одна общая электронная пара, то такая связь называется одинарной, если две – двойной, если три – тройной.
Как находить валентность?
Первый вопрос, который волнует учеников 8 класса, начавших изучать химию – как определить валентность химических элементов? Валентность химического элемента можно посмотреть в специальной таблице валентности химических элементов
Рис. 1. Таблица валентности химических элементов
Валентность водорода принята за единицу, так как атом водорода может образовывать с другими атомами одну связь. Валентность других элементов выражаем числом, которое показывает, сколько атомов водорода может присоединить к себе атом данного элемента. Например, валентность хлора в молекуле хлористого водорода равна единице. Следовательно формула хлористого водорода будет выглядеть так: HCl. Так как и у хлора и у водорода валентность равна единице, никакой индекс не используется. И хлор и водород являются одновалентными, так как одному атому водорода соответствует один атом хлора.
Рассмотрим другой пример: валентность углерода в метане равна четырем, валентность водорода – всегда единица. Следовательно, рядом с водородом следует поставить индекс 4. Таким образом формула метана выглядит так: CH 4 .
Очень многие элементы образуют соединения с кислородом. Кислород всегда является двухвалентным. Поэтому в формуле воды H 2 O, где встречаются всегда одновалентный водород и двухвалентный кислород, рядом с водородом ставится индекс 2. Это значит, что молекула воды состоит из двух атомов водорода и одного атома кислорода.
Рис. 2. Графическая формула воды
Не все химические элементы имеют постоянную валентность, у некоторых она может изменяться в зависимости от соединений, где используется данный элемент. К элементам с постоянной валентностью относятся водород и кислород, к элементам с переменной валентностью относятся, например, железо, сера, углерод.
Как определить валентность по формуле?
Если у вас перед глазами нет таблицы валентности, но есть формула химического соединения, то возможно определение валентности по формуле. Возьмем для примера формулу оксид марганца – Mn 2 O 7
Рис. 3. Оксид марганца
Как известно, кислород является двухвалентным. Чтобы выяснить, какой валентностью обладает марганец, необходимо валентность кислорода умножить на число атомов газа в этом соединении:
Получившееся число делим на количество атомов марганца в соединении. Получается:
Средняя оценка: 4.5 . Всего получено оценок: 991.