Електронегативність, ступінь окислення і валентність хімічних елементів
електронегативність
У хімії широко застосовується поняття електронегативності (ЕО).
Властивість атомів даного елемента відтягувати на себе електрони від атомів інших елементів в з'єднаннях називають електронегативні.
Електронегативність літію умовно приймається за одиницю, ЕО інших елементів обчислюють відповідно. Існує шкала значень ЕО елементів.
Числові значення ЕО елементів мають приблизні значення: це безрозмірна величина. Чим вище ЕО елемента, тим яскравіше проявляються його неметалеві властивості. За ЕО елементи можна записати в такий спосіб:
$ F> O> Cl> Br> S> P> C> H> Si> Al> Mg> Ca> Na> K> Cs $. Найбільше значення ЕО має фтор.
Зіставляючи значення ЕО елементів від франція $ (0,86) $ до фтору $ (4,1) $, легко помітити, що ЕО підпорядковується Періодичному закону.
У періодичної системи елементів ЕО в періоді зростає зі збільшенням номера елемента (зліва направо), а в головних підгрупах - зменшується (зверху вниз).
У періодах у міру збільшення зарядів ядер атомів число електронів на зовнішньому шарі збільшується, радіус атомів зменшується, тому легкість віддачі електронів зменшується, ЕО зростає, отже, посилюються неметалічні властивості.
Ступінь окислення
Складні речовини, що складаються з двох хімічних елементів, називають бінарними (від лат. Бі - два), або двоелементною.
Згадаймо типові бінарні сполуки, які наводилися як приклад для розгляду механізмів утворення іонної і ковалентного полярного зв'язку: $ NaCl $ - хлорид натрію і $ HCl $ - хлороводень. У першому випадку зв'язок іонна: атом натрію передав свій зовнішній електрон атома хлору і перетворився при цьому в іон із зарядом $ + 1 $, а атом хлору прийняв електрон і перетворився в іон із зарядом $ -1 $. Схематично процес перетворення атомів в іони можна зобразити так:
У молекулі ж $ HCl $ зв'язок утворюється за рахунок спарювання неспарених зовнішніх електронів і утворення спільної електронної пари атомів водню і хлору.
Правильніше представляти освіту ковалентного зв'язку в молекулі хлороводню як перекривання одноелектронного $ s $ -облака атома водню одноелектронні $ р $ -облаком атома хлору:
При хімічній взаємодії загальна електронна пара зміщена в бік більш електронегативного атома хлору: $ ↖ → ↖ $, тобто електрон не повністю перейде від атома водню до атома хлору, а частково, обумовлюючи тим самим частковий заряд атомів $ δ $: $ H ^ Cl ^ $. Якщо ж уявити, що і в молекулі $ HCl $, як і в хлориде $ NaCl $, електрон повністю перейшов від атома водню до атома хлору, то вони отримали б заряди $ + 1 $ і $ -1 $: $ ↖↖. Такі умовні заряди називають ступенем окислення. При визначенні цього поняття умовно припускають, що в ковалентних полярних сполуках сполучні електрони повністю перейшли до більш електронегативного атома, а тому з'єднання складаються тільки з позитивно і негативно заряджених атомів.Ступінь окислення - це умовний заряд атомів хімічного елемента в з'єднанні, обчислений на основі припущення, що всі з'єднання (і іонні, і ковалентно-полярні) складаються тільки з іонів.
Ступінь окислювання може мати негативний, позитивний або нульове значення, яке зазвичай ставиться над символом елемента зверху, наприклад:
Негативне значення ступеня окислення мають ті атоми, які взяли електрони від інших атомів або до яких зміщені загальні електронні пари, тобто атоми більш електронегативний елементів.
Позитивне значення ступеня окислення мають ті атоми, які віддають свої електрони інших атомів або від яких відтягнуті загальні електронні пари, тобто атоми менш електронегативний елементів.
Нульове значення ступеня окислення мають атоми в молекулах простих речовин і атоми в вільному стані.
У з'єднаннях сумарна ступінь окислення завжди дорівнює нулю. Знаючи це і ступінь окислення одного з елементів, завжди можна знайти ступінь окислення іншого елемента за формулою бінарного з'єднання. Наприклад, знайдемо ступінь окислення хлору: $ Cl_2O_7 $. Позначимо ступінь окислення кисню: $ ↖ $. Отже, сім атомів кисню матимуть загальний негативний заряд $ (- 2) · 7 = -14 $. Тоді загальний заряд двох атомів хлору дорівнює $ + 14 $, а одного атома хлору $ (+ 14): 2 = + 7 $.
Аналогічно, знаючи ступеня окислення елементів, можна скласти формулу сполуки, наприклад, карбіду алюмінію (з'єднання алюмінію і вуглецю). Запишемо знаки алюмінію і вуглецю поруч - $ AlC $, причому спочатку - знак алюмінію, тому що це метал. Визначимо по таблиці елементів Менделєєва число зовнішніх електронів: у $ Al $ - $ 3 $ електрона, у $ З $ - $ 4 $. Атом алюмінію віддасть свої три зовн них електрона вуглецю і отримає при цьому ступінь окислення $ + 3 $, що дорівнює заряду іона. Атом вуглецю, навпаки, прийме відсутні до «заповітної вісімки» $ 4 $ електрона і отримає при цьому ступінь окислення $ -4 $. Запишемо ці значення в формулу $ (↖↖) $ і знайдемо найменше спільне кратне для них, воно дорівнює $ 12 $. Потім розрахуємо індекси:
валентність
Дуже важливе значення в описі хімічної будови органічних сполук має поняття валентності.
Валентність характеризує здатність атомів хімічних елементів до утворення хімічних зв'язків; вона визначає число хімічних зв'язків, якими даний атом з'єднаний з іншими атомами в молекулі.
Валентність атома хімічного елемента визначається, в першу чергу, числом неспарених електронів, які беруть участь в утворенні хімічного зв'язку.
Валентні можливості атомів визначаються:
- числом неспарених електронів (одноелектронних орбіталей);
- наявністю вільних орбіталей;
- наявністю неподіленого пар електронів.
У органічної хімії поняття «валентність» заміщає поняття «ступінь окислення», з яким звично працювати в неорганічної хімії. Однак це не одне і те ж. Валентність не має знака і не може бути нульовою, тоді як ступінь окислення обов'язково характеризується знаком і може мати значення, рівне нулю.