Условие задачи
Что такое валентность? Чем она отличается от степени окисления? Приведите примеры веществ, в которых значения степени окисления и валентности атомов численно одинаковы и различны.
Решение
Ниже приведён подробный ответ с объяснением основных понятий и примерами, оформленный согласно правилам химии.
1. Определения
• Валентность – это число химических связей, которые атом элемента способен образовать с другими атомами. Иными словами, валентность показывает объединяющую способность атома (количество атомов водорода, кислорода или других элементов, с которыми он может соединяться в простейших веществах). Это понятие имеет эмпирическую основу и отражает возможность образования определённого числа ковалентных связей.
• Степень окисления (окислительное число) – это условный заряд, который принято приписывать атому в молекуле или ионе согласно гипотетической схеме распределения электронов – электрону полностью «приписывают» тот атом, который обладает наивысшей электроотрицательностью в данной связи. Таким образом, степень окисления показывает, насколько электроны «отдалены» от атома по сравнению с его изолированной электронной структурой.
2. Отличия
Основное отличие заключается в следующем:
– Валентность характеризует именно число связей (или «связующую способность» атома).
– Степень окисления показывает условный заряд атома, учитывая разделение электронов в химических связях.
В силу этих определений можно столкнуться с ситуациями, когда у одного и того же атома в соединении значение валентности (как число образованных связей) и степень окисления (как условный заряд) могут оказаться численно одинаковыми, а могут существенно различаться. Это связано с тем, что гипотетический подход распределения электронов по электроотрицательности (при определении степени окисления) не всегда соответствует «реальной» картине распределения электронных пар в химической связи.
3. Примеры веществ
а) Примеры, когда численные значения валентности и степени окисления совпадают:
• Вода, H₂O.
– Кислород в воде образует две связи (с двумя атомами водорода), поэтому его валентность равна 2.
– При расчёте степеней окисления водорода принято значение +1. Так, чтобы сумма степеней окисления получалась нулевой для нейтральной молекулы, кислород должен иметь степень окисления −2.
Таким образом, для кислорода численно 2 и 2 (с учётом знака у степени окисления можно сравнивать только абсолютные значения).
• Метан, CH₄.
– У атома углерода четыре связи с атомами водорода, его валентность равна 4.
– Если принять водород со степенью окисления +1, то для нейтральной молекулы углерод должен иметь степень окисления −4.
Опять же, по модулю получаем 4, совпадающее с валентностью атома углерода.
б) Примеры, когда численные значения валентности и степени окисления различны:
• Азот в азотной кислоте, HNO₃.
– При типичном рассмотрении валентность атома азота равна 3 (азот образует три связи – скажем, одну с атомом кислорода посредством ковалентной связи и ещё две в связи с группами –OH или =O).
– Определяя степень окисления азота, полагают для кислорода значение −2, а для кислорода в каждой из групп в кислой среде суммарно получается: для HNO₃, если один атом водорода имеет +1, то азот должен компенсировать общее значение, что приводит к степени окисления +5.
Таким образом, численное значение степени окисления (5) не совпадает с валентностью (3).
• Сера в окиде серы, SO₃.
– В данной молекуле сера образует три связи с атомами кислорода, что можно интерпретировать как валентность 3 в традиционном представлении.
– Однако, применяя правило распределения электронов, для кислорода принимаем -2, так что для нейтрального SO₃ атом серы должен иметь степень окисления +6.
Получается, что по модулю степень окисления (6) не совпадает с «классической» валентностью (3), что демонстрирует разницу между концепциями.
4. Вывод
Таким образом, валентность отражает способность атома образовывать определённое число химических связей, в то время как степень окисления является гипотетическим зарядом атома, рассчитанным по правилам распределения электронов между атомами в молекуле. В простых случаях (например, в H₂O или CH₄) абсолютные численные значения могут совпадать, тогда как в более сложных системах (например, в HNO₃ или SO₃) они могут существенно различаться.
Надеюсь, данное подробное решение помогает понять предметную разницу между валентностью и степенью окисления, а также закрепить знания приведёнными примерами.