Валентність

Вале́нтність — це властивість атомів одного хімічного елемента з'єднуватися з певним числом атомів інших хімічних елементів. Термін походить від лат. valentia — сила, тож в ході його еволюції йому надавалося й таке визначення: властивість атома приєднувати чи заміщувати певне число атомів чи атомних груп з утворенням хімічного зв'язку. Так, у сполуках HCl, H₂O, NH₃ і CH₄ хлор є одновалентним, кисень — двовалентним, азот — тривалентним, вуглець — чотиривалентним, бо вони сполучені відповідно з одним, двома, трьома і чотирма атомами водню.

У Вікіпедії є статті про інші значення цього терміна: Валентність (значення).

Валентність
Досліджується в	хімія
Розмірність	${\displaystyle 1}$
Символ величини (LaTeX)	${\displaystyle z}$
Валентність у Вікісховищі

Фото валентних хмарок чотиривалентного атома C₆ в графіті: 1,2 хмарки створюють сильні сігма-зв'язки з сусідніми атомами вуглецю (зелений колір); 3,4 хмарки створюють слабкі пі-зв’язки з атомами верхнього та нижнього шару графіту (блакитний колір).

Валентність, а, точніше, близька за змістом величина ступеня окиснення за необхідності вказується в назві сполук за допомогою римських чисел в дужках^[1], приміром, хлорид міді(I), хлорид міді(II).

Зовнішній вигляд хімічних зв'язків

Усі чотири хімічні зв’язки атома карбону добре видно на фото вгорі, де наведено пряме пікоскопічне зображення атома C₆^[2] отримане шляхом денситометрії електронної хмарки^[3] (роздільна здатність 10 пікометрів). Внутрішня оболонка складається з двох електронів — біле коло. Відповідно до періодичного закону зовнішню (валентну) оболонку складають чотири валентних хмарки: 1,2 орбіталі створюють сильні сігма-зв'язки з сусідніми атомами вуглецю (зелений колір); 3,4 орбіталі створюють слабі пі-зв’язки з атомами верхнього та нижнього шару графіту (блакитний колір).

Природа валентності

Що стосується природи валентності, тобто природи тих сил, які обумовлюють собою хімічний зв'язок атомів у молекулах, то вона довгий час залишалася незрозумілою. Лише коли стала відома будова атомів, з'явилися теорії, які пояснювали причину різної валентності хімічних елементів і природу хімічного зв'язку. Найважливішими з цих теорій є теорія про електровалентний, або іонний, хімічний зв'язок і теорія про ковалентний, або атомний, хімічний зв'язок. Валентність повністю визначається будовою зовнішньої (валентної) електронної оболонки атома.

Розвиток поняття валентності у спробах краще зрозуміти склад і будову речовин привів до його розщеплення на кілька окремих концепцій: іонна валентність, ковалентність, ступінь окиснення, координаційне число. Те чи інше поняття з цього переліку застосовують залежно від способу взаємодії атомів. Класична теорія валентності стикається зі складнощами вже для азоту: як у катіоні амонію NH⁺
₄, так і в більшості неорганічних оксигеновмісних сполук ковалентність азоту становить 4 (і принципово не може сягнути 5), тоді як класичне визначення його валентності в оксиді N₂O₅ чи відповідній йому нітратній кислоті дає 5.

Валентність хімічних елементів

Деяким хімічним елементам притаманна стала валентність, а деяким — змінна. Наприклад, водень, натрій і калій у своїх сполуках бувають тільки одновалентні, кальцій, барій, магній, цинк і кисень — тільки двовалентні, а бор і алюміній — тільки тривалентні. Більшість хімічних елементів мають змінну валентність. Так, мідь може бути одновалентним (CuCl) і двовалентним (CuCl₂), залізо — двовалентним (FeCl₂) і тривалентним (FeCl₃), вуглець — двовалентним (CO) і чотиривалентним (CO₂), сірка — чотиривалентним (SO₂) та шестивалентним (SO₃) тощо.

Найвища валентність елемента часто збігається з його номером групи в короткоперіодному варіанті періодичної системи елементів. Найвища валентність за киснем і воднем збігається для металів (менш електронегативних за обидва ці елементи), але може відрізнятися для неметалів (більшість яких за електронегативністю проміжна між воднем та киснем). В останньому випадку сума найвищих валентностей за воднем та киснем дає 8 (порівняйте з правилом октета), наприклад, H₂S та SO₃: 2 + 6 = 8.

Для того, щоб визначити значення валентності елементів у сполуках, складніших за бінарні, необхідно знати їх структурну формулу, тобто будову. Приміром, «постійна валентність 2» для Be та Zn означає властивий їм у сполуках постійний ступінь окиснення +2, але їхнє координаційне число в комплексних сполуках становить 4 (Be(OH)^2–
₄, Zn(NH₃)²⁺
₄ тощо), і саме воно в таких сполуках має відповідати валентності, яка вже не буде постійною. Так само для «змінної валентності»: ступінь окиснення, відповідний зазначеним нижче валентностям, у елемента є, а власне валентності (як координаційного числа в кристалі або кількості усуспільнених електронних пар в молекулі чи іоні) може не існувати.

Елементи з постійною валентністю

• H, F, Li, Na, K, Rb, Cs, Fr — 1
• Be, Mg, Ca, Ba, Zn, Ra, Cd, Sr, О — 2
• Al, B — 3

Популярні елементи зі змінною валентністю

• Cu, Hg — 1 і 2
• Fe, Co, Ni — 2 і 3
• C, Si, Ge, Sn, Pb — 2 і 4
• P — 3, 5
• S — 2, 4 і 6
• Mn — 2, 3, 4, 6 і 7
• N — 1, 2, 3, 4 і (суто формально) 5
• Cl, Br, I — 1, 3, 5 і 7
• Cr — 2, 3, 6

Див. також

• Валентний перехід
• Ступінь окиснення
• Чотиривалентність

Джерела

• Глосарій термінів з хімії / укладачі: Й. Опейда, О. Швайка ; Ін-т фізико-органічної хімії та вуглехімії ім. Л. М. Литвиненка НАН України, Донецький національний університет. — Донецьк : Вебер, 2008. — 738 с. — ISBN 978-966-335-206-0.
• Pauling L., Hayward R. College Chemistry: An Introductory Textbook of General Chemistry. — 2nd ed. — W. H. Freeman and Company, 1956. — 685 с. (англ.)
• Валентность // Химическая энциклопедия : в 5 т. / гл. ред. И. Л. Кнунянц. — М. : Сов. энцикл., 1988. — Т. 1 : Абляционные материалы — Дарзана реакция. — Стб. 664. — Библиогр. в конце ст. — ISBN 5-85270-008-8.(рос.)
• Турова Н.Я. Неорганическая химия в таблицах. — М.: Высший химический колледж РАН, 1999. — 140 с. (рос.)

Примітки

1. IUPAC Red Book: Nomenclature of Inorganic Chemistry, 2005. [Архівовано 18 травня 2017 у Wayback Machine.](англ.)
2. Кучеров, А.П.; Лавровский, С.Е. (2018). Пикоскопия - прямая визуализация молекул (PDF). Інформаційні технології та спеціальна безпека (№ 4): 12—41. Архів оригіналу (PDF) за 16 квітня 2021. Процитовано 20 квітня 2021.(рос.)
3. Kucherov O., Rud A., Gubanov V., Biliy M. Spatial 3d Direct Visualization of Atoms, Molecules and Chemical Bonds // American Journal of Applied Chemistry. — 2020. — Т. 8, № 4. — С. 94—99. DOI: 10.11648/j.ajac.20200804.11 (англ.)