Страница 166 - гдз по химии 11 класс учебник Рудзитис, Фельдман

• Что такое валентность?

Решение

Валентность — это фундаментальное понятие в химии, которое характеризует способность атома химического элемента образовывать определённое количество химических связей с другими атомами. Проще говоря, валентность показывает, сколько связей может образовать данный атом с другими атомами.

Численно валентность определяется количеством химических связей, которые образует атом. Эти связи формируются за счет валентных электронов — электронов, расположенных на внешней электронной оболочке атома. Валентность принято обозначать римскими цифрами над символом элемента в химической формуле, например, в молекуле воды $\overset{I}{H}_2\overset{II}{O}$.

Элементы можно разделить на две группы по характеру их валентности: с постоянной и переменной валентностью.

Элементы с постоянной валентностью в подавляющем большинстве своих соединений проявляют одно и то же значение валентности. Например: водород (H), фтор (F), щелочные металлы (Li, Na, K) почти всегда имеют валентность I; кислород (O, за редкими исключениями), магний (Mg), кальций (Ca) — валентность II; алюминий (Al) — валентность III.

Элементы с переменной валентностью могут образовывать соединения, в которых они проявляют разные валентности. Это свойственно многим неметаллам и переходным металлам. Например, железо (Fe) может быть двухвалентным (II) в оксиде $FeO$ и трехвалентным (III) в оксиде $Fe_2O_3$. Сера (S) проявляет валентности II (в сероводороде $H_2S$), IV (в оксиде серы(IV) $SO_2$) и VI (в оксиде серы(VI) $SO_3$).

Определить валентность элемента в бинарном соединении (состоящем из двух элементов) можно, зная валентность другого элемента (обычно водорода, валентность I, или кислорода, валентность II). Существует правило: произведение валентности одного элемента на число его атомов в молекуле равно произведению валентности другого элемента на число его атомов. Для соединения вида $A_x B_y$, где $x$ и $y$ — индексы, формула выглядит так: $x \cdot \text{валентность}(A) = y \cdot \text{валентность}(B)$. Например, чтобы найти валентность фосфора в оксиде $P_2O_5$, зная, что валентность кислорода (O) равна II, составляем уравнение: $2 \cdot \text{валентность}(P) = 5 \cdot II$. Отсюда валентность фосфора (P) равна V.

Ответ: Валентность — это количественная мера способности атомов одного химического элемента соединяться с атомами других химических элементов. Она определяется числом химических связей, которые данный атом образует в составе соединения.

• Как определить степень окисления элемента в простом веществе и в соединении?

Степень окисления — это условный заряд атома в химическом соединении, вычисленный исходя из предположения, что все химические связи в этом соединении имеют ионный характер (то есть электронные пары, образующие связь, полностью смещены к атому более электроотрицательного элемента).

В простом веществе

Простые вещества состоят из атомов одного и того же химического элемента. Поскольку атомы одинаковы, их электроотрицательность также одинакова. Это означает, что в молекуле простого вещества не происходит смещения общей электронной пары к какому-либо из атомов. В результате условный заряд каждого атома принимается равным нулю.

Например, в таких простых веществах, как металлическое железо ($Fe$), молекулярный кислород ($O_2$), озон ($O_3$), ромбическая сера ($S_8$) или белый фосфор ($P_4$), степень окисления атомов железа, кислорода, серы и фосфора соответственно равна 0.

Ответ: В любом простом веществе степень окисления элемента всегда равна нулю.

В соединении

В соединениях, которые состоят из атомов разных химических элементов, степени окисления определяются с помощью нескольких правил:

1. Алгебраическая сумма степеней окисления всех атомов в нейтральной молекуле всегда равна нулю.
2. Алгебраическая сумма степеней окисления всех атомов в сложном ионе равна заряду этого иона.
3. Существуют элементы с постоянной степенью окисления в подавляющем большинстве их соединений:
   • Металлы I группы главной подгруппы (щелочные металлы: $Li, Na, K$ и др.) всегда имеют степень окисления $+1$.
   • Металлы II группы главной подгруппы ($Be, Mg, Ca$ и др.) всегда имеют степень окисления $+2$.
   • Алюминий ($Al$) практически всегда проявляет степень окисления $+3$.
   • Фтор ($F$), как самый электроотрицательный элемент, всегда имеет степень окисления $-1$.
4. Для некоторых элементов существуют типичные, наиболее распространенные степени окисления, которые используются при расчетах, если иное не оговорено условиями:
   • Водород ($H$) чаще всего имеет степень окисления $+1$. Исключение составляют его соединения с активными металлами — гидриды (например, $NaH, CaH_2$), где его степень окисления равна $-1$.
   • Кислород ($O$) в подавляющем большинстве соединений имеет степень окисления $-2$. Исключениями являются пероксиды (например, $H_2O_2$, где С.О. кислорода $-1$), надпероксиды (например, $KO_2$, С.О. $-1/2$) и соединения с фтором (например, $OF_2$, где С.О. кислорода $+2$).

Для определения неизвестной степени окисления элемента в соединении необходимо составить простое алгебраическое уравнение, основываясь на этих правилах.

Пример 1: Определить степень окисления серы ($S$) в серной кислоте ($H_2SO_4$).

Молекула $H_2SO_4$ электронейтральна, значит, сумма степеней окисления всех атомов в ней равна 0. Обозначим искомую степень окисления серы за $x$. Степень окисления водорода равна $+1$, а кислорода (как правило) $-2$.

Составим и решим уравнение:

$2 \cdot (+1) + x + 4 \cdot (-2) = 0$

$2 + x - 8 = 0$

$x - 6 = 0$

$x = +6$

Таким образом, степень окисления серы в $H_2SO_4$ равна $+6$.

Пример 2: Определить степень окисления хрома ($Cr$) в дихромат-ионе ($Cr_2O_7^{2-}$).

Ион $Cr_2O_7^{2-}$ имеет заряд $2-$, значит, сумма степеней окисления всех атомов в нем равна $-2$. Обозначим степень окисления хрома за $y$. Степень окисления кислорода равна $-2$.

Составим и решим уравнение:

$2 \cdot y + 7 \cdot (-2) = -2$

$2y - 14 = -2$

$2y = -2 + 14$

$2y = 12$

$y = +6$

Таким образом, степень окисления хрома в $Cr_2O_7^{2-}$ равна $+6$.

Ответ: В соединениях степень окисления элемента находят, исходя из правила электронейтральности молекулы (сумма С.О. равна 0) или заряда иона (сумма С.О. равна заряду иона) и известных (постоянных или типичных) степеней окисления других элементов в данном соединении.

• Как определить число электронных подуровней на энергетическом уровне?

Как определить число электронных подуровней на энергетическом уровне?

Число электронных подуровней на заданном энергетическом уровне определяется значением главного квантового числа, которое обозначается буквой $n$. Главное квантовое число $n$ соответствует номеру энергетического уровня и может принимать целые положительные значения ($n = 1, 2, 3, \dots$).

Правило для определения числа подуровней очень простое: число электронных подуровней на энергетическом уровне равно номеру этого уровня, то есть его главному квантовому числу $n$.

Каждый энергетический уровень ($n$) расщепляется на подуровни, которые характеризуются орбитальным (побочным) квантовым числом $l$. Для данного $n$ орбитальное число $l$ может принимать целочисленные значения от $0$ до $n-1$. Количество возможных значений для $l$ как раз и равно $n$.

Рассмотрим на примерах:

• Для первого энергетического уровня ($n=1$):
  $l$ может принимать только одно значение: $l=0$. Это один s-подуровень.
  Таким образом, на первом уровне 1 подуровень.
• Для второго энергетического уровня ($n=2$):
  $l$ может принимать два значения: $l=0$ и $l=1$. Это s-подуровень и p-подуровень.
  Таким образом, на втором уровне 2 подуровня.
• Для третьего энергетического уровня ($n=3$):
  $l$ может принимать три значения: $l=0$, $l=1$ и $l=2$. Это s-, p- и d-подуровни.
  Таким образом, на третьем уровне 3 подуровня.
• Для четвертого энергетического уровня ($n=4$):
  $l$ может принимать четыре значения: $l=0$, $l=1$, $l=2$ и $l=3$. Это s-, p-, d- и f-подуровни.
  Таким образом, на четвертом уровне 4 подуровня.

Ответ: Число электронных подуровней на энергетическом уровне равно номеру этого уровня (его главному квантовому числу $n$).

• Какие свойства наиболее характерны для неметаллов — окислительные или восстановительные? Почему?

Для неметаллов наиболее характерны окислительные свойства.

Это объясняется строением их атомов и положением в Периодической системе химических элементов Д.И. Менделеева.

1. Электронная конфигурация: Атомы неметаллов (за исключением водорода и гелия) расположены в основном в правом верхнем углу Периодической системы (в IIIА-VIIА группах). На их внешнем энергетическом уровне находится большое число валентных электронов — от 4 до 7. Чтобы завершить этот уровень до стабильного состояния (октета, то есть 8 электронов, как у благородных газов), атому энергетически выгоднее принять недостающие электроны, чем отдать все свои валентные электроны.
2. Высокая электроотрицательность: Неметаллы обладают высокой электроотрицательностью, то есть сильной способностью притягивать к себе электроны от других атомов в химических соединениях. Самый электроотрицательный элемент — фтор ($F$), за ним следуют кислород ($O$), хлор ($Cl$) и другие типичные неметаллы.

Процесс принятия электронов другим атомом или ионом называется восстановлением, а вещество, которое принимает электроны (заставляя другое вещество окисляться), называется окислителем.

Например, в реакции между натрием (металл) и хлором (неметалл):
$2Na^0 + Cl_2^0 \rightarrow 2Na^+Cl^-$
Атом натрия отдает один электрон (окисляется), а каждый атом хлора принимает по одному электрону (восстанавливается). Следовательно, хлор $Cl_2$ выступает в роли окислителя.

Стоит отметить, что неметаллы могут проявлять и восстановительные свойства. Это происходит, когда они вступают в реакцию с еще более электроотрицательным неметаллом. Например, в реакции серы с кислородом:
$S^0 + O_2^0 \rightarrow S^{+4}O_2^{-2}$
Здесь сера отдает электроны кислороду, то есть выступает в роли восстановителя, так как кислород является более электроотрицательным элементом, чем сера.

Тем не менее, склонность именно принимать электроны, то есть проявлять окислительные свойства, является доминирующей и наиболее характерной чертой для большинства неметаллов в их взаимодействиях, особенно с металлами и менее активными неметаллами.

Ответ: Для неметаллов наиболее характерны окислительные свойства, так как их атомы имеют большое число электронов на внешнем слое и высокую электроотрицательность, что обуславливает их склонность принимать электроны для завершения внешнего электронного слоя, а не отдавать их.