Валентность цинка в соединении с хлором
Общие сведения о валентности цинка
В виде простого вещества цинк представляет собой серебристо-белый металл с голубоватым оттенком, но во влажном воздухе он постепенно покрывается пленкой оксидов и теряет блеск. При комнатной температуре довольно хрупок, но при 100-150 o С хорошо гнется и прокатывается в листы. Очень легкоплавкий металл. Плотность 7,1 г/см 3 . Температура плавления 419,5 o С, кипения 906 o С.
Валентность цинка в соединениях
Цинк – тридцатый по счету элемент Периодической таблицы Д.И. Менделеева. Он находится в четвертом периоде во IIВ группе. В ядре атома цинка содержится 30 протонов и 35 нейтронов (массовое число равно 65). В атоме цинка есть четыре энергетических уровня, на которых находятся 30 электронов (рис. 1).
Рис. 1. Строение атома цинка.
Электронная формула атома цинка в основном состоянии имеет следующий вид:
А энергетическая диаграмма (строится только для электронов внешнего энергетического уровня, которые по-другому называют валентными):
Для атома цинка характерно наличие возбужденного состояния из-за того, что орбитали 4p-подуровня являются вакантными. Электроны 4s-подуровня распариваются и занимают свободную орбиталь 4p -подуровня:
Наличие двух неспаренных электронов в возбужденном состоянии свидетельствует о том, что цинк проявляет в своих соединениях валентность II (ZnO, Zn(OH)2, ZnCl2, ZnSO4 и т.д.) (постоянная валентность).
Примеры решения задач
Задание | Технический цинк массой 0,33 г обработали разбавленным раствором серной кислоты. Выделившийся водород занимает при нормальных условиях объем 112 мл. Рассчитайте массовую долю цинка в техническом металле. |
Решение | Запишем уравнение реакции взаимодействия цинка с разбавленной серной кислотой: |
Найдем количество моль выделившегося в ходе реакции водорода:
n (H2) = 112×10 -3 / 22,4 = 0,005 моль.
Согласно уравнению реакции n (H2):n (Zn) = 1:1, т.е. n (H2) = n (Zn) =0,005моль. Тогда, масса чистого цинка (без примесей) будет равна (молярная масса – 65 г/моль):
mpure (Zn)= 0,005 × 65 = 0,325г.
Массовая доля цинка в техническом металле рассчитывается как:
ω(Zn) = 0,325/ 0,33 × 100%;
Задание | Рассчитайте массу цинка, который нужно растворить в соляной кислоте, чтобы получить водород, необходимый для восстановления оксида меди (II) массой 20 г до металла. |
Решение | Запишем уравнения реакций, которые протекают согласно условию задачи: |
Рассчитаем количество вещества оксида меди (II) (молярная масса – 80 г/моль):
n(CuO) = m (CuO) / M (CuO);
n (CuO) = 20 / 80 = 0,25 моль.
Согласно уравнению (2) n (CuO):n (H2) = 1:1, т.е. n (CuO) = n (H2) =0,25 моль. Тогда, число моль цинка вступившего в реакцию взаимодействия с соляной кислотой будет равно 0,25 моль, поскольку n (Zn):n (H2) = 1:1, т.е. n (Zn) = n (H2).
Масса цинка (молярная масса равна 65 г/моль) равна:
Цинк в таблице менделеева занимает 30 место, в 4 периоде.
Символ | Zn |
Номер | 30 |
Атомный вес | 65.3800000 |
Латинское название | Zincum |
Русское название | Цинк |
Электронная схема цинка
Zn: 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 4s 2 3d 10
Короткая запись:
Zn: [Ar]4s 2 3d 10
Одинаковую электронную конфигурацию имеют атом цинка и Ga +1 , Ge +2 , As +3 , Se +4 , Br +5
Порядок заполнения оболочек атома цинка (Zn) электронами: 1s → 2s → 2p → 3s → 3p → 4s → 3d → 4p → 5s → 4d → 5p → 6s → 4f → 5d → 6p → 7s → 5f → 6d → 7p.
На подуровне ‘s’ может находиться до 2 электронов, на ‘s’ - до 6, на ‘d’ - до 10 и на ‘f’ до 14
Цинк имеет 30 электронов, заполним электронные оболочки в описанном выше порядке:
2 электрона на 1s-подуровне
2 электрона на 2s-подуровне
6 электронов на 2p-подуровне
2 электрона на 3s-подуровне
6 электронов на 3p-подуровне
2 электрона на 4s-подуровне
10 электронов на 3d-подуровне
Степень окисления цинка
Атомы цинка в соединениях имеют степени окисления 2, 1, 0.
Степень окисления - это условный заряд атома в соединении: связь в молекуле между атомами основана на разделении электронов, таким образом, если у атома виртуально увеличивается заряд, то степень окисления отрицательная (электроны несут отрицательный заряд), если заряд уменьшается, то степень окисления положительная.
Ионы цинка
Валентность Zn
Атомы цинка в соединениях проявляют валентность II, I.
Валентность цинка характеризует способность атома Zn к образованию хмических связей. Валентность следует из строения электронной оболочки атома, электроны, участвующие в образовании химических соединений называются валентными электронами. Более обширное определение валентности это:
Число химических связей, которыми данный атом соединён с другими атомами
Валентность не имеет знака.
Квантовые числа Zn
Квантовые числа определяются последним электроном в конфигурации, для атома Zn эти числа имеют значение N = 3, L = 2, Ml = -2, Ms = ½
Видео заполнения электронной конфигурации (gif):
Результат:
Энергия ионизации
Чем ближе электрон к центру атома - тем больше энергии необходимо, что бы его оторвать. Энергия, затрачиваемая на отрыв электрона от атома называется энергией ионизации и обозначается Eo. Если не указано иное, то энергия ионизации - это энергия отрыва первого электрона, также существуют энергии ионизации для каждого последующего электрона.
Перейти к другим элементам таблицы менделеева
Валентность химических элементов – это способность у атомов хим. элементов образовывать некоторое число химических связей. Принимает значения от 1 до 8 и не может быть равна 0.
Определяется числом электронов атома затраченых на образование хим. связей с другим атомом. Валентность это реальная величина. Обозначается римскими цифрами (I ,II, III, IV, V, VI, VII, VIII).
Валентность химических элементов (Таблица)
Как можно определить валентность в соединениях:
- Валентность водорода (H) постоянна всегда 1. Отсюда в соединении H2O валентность O равна 2.
- Валентность кислорода (O) постоянна всегда 2. Отсюда в соединении СО2 валентность С равно 4.
- Высшая валентность всегда равна № группы.
- Низшая валентность равна разности между числом 8 (количество групп в Таблице Менделеева) и номером группы, в которой находится элемент.
- У металлов в подгруппах А таблицы Менделеева, валентность = № группы.
- У неметаллов обычно две валентности: высшая и низшая.
Валентность химических элементов может быть постоянной и переменной. Постоянная в основном у металлов главных подгрупп, переменная у неметаллов и металлов побочных подгруп.
Атомный № | Химический элемент | Символ | Валентность химических элементов | Примеры соединений |
1 | Водород / Hydrogen | H | I | HF |
2 | Гелий / Helium | He | отсутствует | — |
3 | Литий / Lithium | Li | I | Li2O |
4 | Бериллий / Beryllium | Be | II | BeH2 |
5 | Бор / Boron | B | III | BCl3 |
6 | Углерод / Carbon | C | IV, II | CO2, CH4 |
7 | Азот / Nitrogen | N | III, IV | NH3 |
8 | Кислород / Oxygen | O | II | H2O, BaO |
9 | Фтор / Fluorine | F | I | HF |
10 | Неон / Neon | Ne | отсутствует | — |
11 | Натрий / Sodium | Na | I | Na2O |
12 | Магний / Magnesium | Mg | II | MgCl2 |
13 | Алюминий / Aluminum | Al | III | Al2O3 |
14 | Кремний / Silicon | Si | IV | SiO2, SiCl4 |
15 | Фосфор / Phosphorus | P | III, V | PH3, P2O5 |
16 | Сера / Sulfur | S | VI, IV, II | H2S, SO3 |
17 | Хлор / Chlorine | Cl | I, III, V, VII | HCl, ClF3 |
18 | Аргон / Argon | Ar | отсутствует | — |
19 | Калий / Potassium | K | I | KBr |
20 | Кальций / Calcium | Ca | II | CaH2 |
21 | Скандий / Scandium | Sc | III | Sc2S3 |
22 | Титан / Titanium | Ti | II, III, IV | Ti2O3, TiH4 |
23 | Ванадий / Vanadium | V | II, III, IV, V | VF5, V2O3 |
24 | Хром / Chromium | Cr | II, III, VI | CrCl2, CrO3 |
25 | Марганец / Manganese | Mn | II, III, IV, VI, VII | Mn2O7, Mn2(SO4)3 |
26 | Железо / Iron | Fe | II, III | FeSO4, FeBr3 |
27 | Кобальт / Cobalt | Co | II, III | CoI2, Co2S3 |
28 | Никель / Nickel | Ni | II, III, IV | NiS, Ni(CO)4 |
29 | Медь / Copper | Сu | I, II | CuS, Cu2O |
30 | Цинк / Zinc | Zn | II | ZnCl2 |
31 | Галлий / Gallium | Ga | III | Ga(OH)3 |
32 | Германий / Germanium | Ge | II, IV | GeBr4, Ge(OH)2 |
33 | Мышьяк / Arsenic | As | III, V | As2S5, H3AsO4 |
34 | Селен / Selenium | Se | II, IV, VI, | H2SeO3 |
35 | Бром / Bromine | Br | I, III, V, VII | HBrO3 |
36 | Криптон / Krypton | Kr | VI, IV, II | KrF2, BaKrO4 |
37 | Рубидий / Rubidium | Rb | I | RbH |
38 | Стронций / Strontium | Sr | II | SrSO4 |
39 | Иттрий / Yttrium | Y | III | Y2O3 |
40 | Цирконий / Zirconium | Zr | II, III, IV | ZrI4, ZrCl2 |
41 | Ниобий / Niobium | Nb | I, II, III, IV, V | NbBr5 |
42 | Молибден / Molybdenum | Mo | II, III, IV, V, VI | Mo2O5, MoF6 |
43 | Технеций / Technetium | Tc | I — VII | Tc2S7 |
44 | Рутений / Ruthenium | Ru | II — VIII | RuO4, RuF5, RuBr3 |
45 | Родий / Rhodium | Rh | I, II, III, IV, V | RhS, RhF3 |
46 | Палладий / Palladium | Pd | I, II, III, IV | Pd2S, PdS2 |
47 | Серебро / Silver | Ag | I, II, III | AgO, AgF2, AgNO3 |
48 | Кадмий / Cadmium | Cd | II | CdCl2 |
49 | Индий / Indium | In | III | In2O3 |
50 | Олово / Tin | Sn | II, IV | SnBr4, SnF2 |
51 | Сурьма / Antimony | Sb | III, IV, V | SbF5, SbH3 |
52 | Теллур / Tellurium | Te | VI, IV, II | TeH2, H6TeO6 |
53 | Иод / Iodine | I | I, III, V, VII | HIO3, HI |
54 | Ксенон / Xenon | Xe | II, IV, VI, VIII | XeF6, XeO4, XeF2 |
55 | Цезий / Cesium | Cs | I | CsCl |
56 | Барий / Barium | Ba | II | Ba(OH)2 |
57 | Лантан / Lanthanum | La | III | LaH3 |
58 | Церий / Cerium | Ce | III, IV | CeO2 , CeF3 |
59 | Празеодим / Praseodymium | Pr | III, IV | PrF4, PrO2 |
60 | Неодим / Neodymium | Nd | III | Nd2O3 |
61 | Прометий / Promethium | Pm | III | Pm2O3 |
62 | Самарий / Samarium | Sm | II, III | SmO |
63 | Европий / Europium | Eu | II, III | EuSO4 |
64 | Гадолиний / Gadolinium | Gd | III | GdCl3 |
65 | Тербий / Terbium | Tb | III, IV | TbF4, TbCl3 |
66 | Диспрозий / Dysprosium | Dy | III | Dy2O3 |
67 | Гольмий / Holmium | Ho | III | Ho2O3 |
68 | Эрбий / Erbium | Er | III | Er2O3 |
69 | Тулий / Thulium | Tm | II, III | Tm2O3 |
70 | Иттербий / Ytterbium | Yb | II, III | YO |
71 | Лютеций / Lutetium | Lu | III | LuF3 |
72 | Гафний / Hafnium | Hf | II, III, IV | HfBr3, HfCl4 |
73 | Тантал / Tantalum | Ta | I — V | TaCl5, TaBr2, TaCl4 |
74 | Вольфрам / Tungsten | W | II — VI | WBr6, Na2WO4 |
75 | Рений / Rhenium | Re | I — VII | Re2S7, Re2O5 |
76 | Осмий / Osmium | Os | II — VI, VIII | OsF8, OsI2, Os2O3 |
77 | Иридий / Iridium | Ir | I — VI | IrS3, IrF4 |
78 | Платина / Platinum | Pt | I, II, III, IV, V | Pt(SO4)3, PtBr4 |
79 | Золото / Gold | Au | I, II, III | AuH, Au2O3, Au2Cl6 |
80 | Ртуть / Mercury | Hg | II | HgF2, HgBr2 |
81 | Талий / Thallium | Tl | I, III | TlCl3, TlF |
82 | Свинец / Lead | Pb | II, IV | PbS, PbH4 |
83 | Висмут / Bismuth | Bi | III, V | BiF5, Bi2S3 |
84 | Полоний / Polonium | Po | VI, IV, II | PoCl4, PoO3 |
85 | Астат / Astatine | At | нет данных | — |
86 | Радон / Radon | Rn | отсутствует | — |
87 | Франций / Francium | Fr | I | — |
88 | Радий / Radium | Ra | II | RaBr2 |
89 | Актиний / Actinium | Ac | III | AcCl3 |
90 | Торий / Thorium | Th | II, III, IV | ThO2, ThF4 |
91 | Проактиний / Protactinium | Pa | IV, V | PaCl5, PaF4 |
92 | Уран / Uranium | U | III, IV | UF4, UO3 |
93 | Нептуний | Np | III — VI | NpF6, NpCl4 |
94 | Плутоний | Pu | II, III, IV | PuO2, PuF3, PuF4 |
95 | Америций | Am | III — VI | AmF3, AmO2 |
96 | Кюрий | Cm | III, IV | CmO2, Cm2O3 |
97 | Берклий | Bk | III, IV | BkF3, BkO2 |
98 | Калифорний | Cf | II, III, IV | Cf2O3 |
99 | Эйнштейний | Es | II, III | EsF3 |
100 | Фермий | Fm | II, III | — |
101 | Менделевий | Md | II, III | — |
102 | Нобелий | No | II, III | — |
103 | Лоуренсий | Lr | III | — |
Номер | Элемент | Символ | Валентность химических элементов | Пример |
Электроотрицательность. Степень окисления и валентность химических элементов
Электроотрицательность — способность атома какого-либо химического элемента в соединении оттягивать на себя электроны связанных с ним атомов других химических элементов.
Электроотрицательность, как и прочие свойства атомов химических элементов, изменяется с увеличением порядкового номера элемента периодически:
- График выше демонстрирует периодичность изменения электроотрицательности элементов главных подгрупп в зависимости от порядкового номера элемента.
- При движении вниз по подгруппе таблицы Менделеева электроотрицательность химических элементов уменьшается, при движении вправо по периоду возрастает.
- Электроотрицательность отражает неметалличность элементов: чем выше значение электроотрицательности, тем более у элемента выражены неметаллические свойства.
Степень окисления – условный заряд атома химического элемента в соединении, рассчитанный исходя из предположения, что все связи в его молекуле ионные, т.е. все связывающие электронные пары смещены к атомам с большей электроотрицательностью.
Степень окисления химических элементов в простых веществах всегда равна нулю.
Существуют элементы, проявляющие в сложных веществах постоянную степень окисления:
Щелочные металлы, т.е. все металлы IA группы — Li, Na, K, Rb, Cs, Fr | +1 |
Все элементы II группы, кроме ртути: Be, Mg, Ca, Sr, Ba, Ra, Zn, Cd | +2 |
Алюминий Al | +3 |
Фтор F | -1 |
Существуют химические элементы, которые проявляют в подавляющем большинстве соединений постоянную степень окисления. К таким элементам относятся:
водород H | +1 | Гидриды щелочных и щелочно-земельных металлов, например: |
кислород O | -2 | Пероксиды водорода и металлов: Фторид кислорода — |
Алгебраическая сумма степеней окисления всех атомов в молекуле всегда равна нулю. Алгебраическая сумма степеней окисления всех атомов в ионе равна заряду иона.
Высшая (максимальная) степень окисления равна номеру группы. Исключения, которые не попадают под это правило, — элементы побочной подгруппы I группы, элементы побочной подгруппы VIII группы, а также кислород и фтор.
Химические элементы, номер группы которых не совпадает с их высшей степенью окисления (обязательные к запоминанию)
Кислород | VI | +2 (в OF2) |
Фтор | VII | |
Медь | I | +2 |
Железо | VIII | +6 (например K2FeO4) |
Низшая степень окисления металлов всегда равна нулю, а низшая степень окисления неметаллов рассчитывается по формуле:
- низшая степень окисления неметалла = №группы − 8
Отталкиваясь от представленных выше правил, можно установить степень окисления химического элемента в любом веществе.
Валентность — число химических связей, которые образует атом элемента в химическом соединении.
Валентность атомов обозначается римскими цифрами: I, II, III и т.д.
Валентные возможности атома зависят от количества:
- неспаренных электронов
- неподеленных электронных пар на орбиталях валентных уровней
- пустых электронных орбиталей валентного уровня
Было сказано, что на валентные возможности могут влиять три фактора — наличие неспаренных электронов, наличие неподеленных электронных пар на внешнем уровне, а также наличие вакантных (пустых) орбиталей внешнего уровня.
Мы видим на внешнем (и единственном) энергетическом уровне один неспаренный электрон. Исходя из этого, водород может точно иметь валентность, равную I. Однако на первом энергетическом уровне есть только один подуровень — s, т.е. атом водорода на внешнем уровне не имеет как неподеленных электронных пар, так и пустых орбиталей.
Таким образом, единственная валентность, которую может проявлять атом водорода, равна I.
Рассмотрим электронное строение атома углерода. В основном состоянии электронная конфигурация его внешнего уровня выглядит следующим образом:
Т.е. в основном состоянии на внешнем энергетическом уровне невозбужденного атома углерода находится 2 неспаренных электрона. В таком состоянии он может проявлять валентность, равную II.
Однако атом углерода очень легко переходит в возбужденное состояние при сообщении ему энергии, и электронная конфигурация внешнего слоя в этом случае принимает вид:
Несмотря на то что на процесс возбуждения атома углерода тратится некоторое количество энергии, траты с избытком компенсируются при образовании четырех ковалентных связей.
По этой причине валентность IV намного более характерна для атома углерода. Так, например, валентность IV углерод имеет в молекулах углекислого газа, угольной кислоты и абсолютно всех органических веществ.
Помимо неспаренных электронов и неподеленных электронных пар на валентные возможности также влияет наличие вакантных ( ) орбиталей валентного уровня.
Наличие таких орбиталей на заполняемом уровне приводит к тому, что атом может выполнять роль акцептора электронной пары, т.е. образовывать дополнительные ковалентные связи по донорно-акцепторному механизму.
Так, например, вопреки ожиданиям, в молекуле угарного газа CO связь не двойная, а тройная, что наглядно показано на следующей иллюстрации:
Резюмируя информацию по валентным возможностям атома углерода:
- Для углерода возможны валентности II, III, IV
- Наиболее распространенная валентность углерода в соединениях IV
- В молекуле угарного газа CO связь тройная (!), при этом одна из трех связей образована по донорно-акцепторному механизму
Как видно из иллюстрации выше, атом азота в своем обычном состоянии имеет 3 неспаренных электрона, в связи с чем логично предположить о его способности проявлять валентность, равную III. Действительно, валентность, равная трём, наблюдается в молекулах аммиака (NH3), азотистой кислоты (HNO2), треххлористого азота (NCl3) и т.д.
Выше было сказано, что валентность атома химического элемента зависит не только от количества неспаренных электронов, но также и от наличия неподеленных электронных пар.
Связано это с тем, что ковалентная химическая связь может образоваться не только, когда два атома предоставляют друг другу по одному электрону, но также и тогда, когда один атом, имеющий неподеленную пару электронов — донор( ) предоставляет ее другому атому с вакантной ( ) орбиталью валентного уровня (акцептору). Т.е.
для атома азота возможна также валентность IV за счет дополнительной ковалентной связи, образованной по донорно-акцепторному механизму. Так, например, четыре ковалентных связи, одна из которых образована по донорно-акцепторному механизму, наблюдается при образовании катиона аммония:
Несмотря на то что одна из ковалентных связей образуется по донорно-акцепторному механизму, все связи N-H в катионе аммония абсолютно идентичны и ничем друг от друга не отличаются.
Валентность, равную V, атом азота проявлять не способен. Связано это с тем, что для атома азота невозможен переход в возбужденное состояние, при котором происходит распаривание двух электронов с переходом одного из них на свободную орбиталь, наиболее близкую по уровню энергии.
Атом азота не имеет d-подуровня, а переход на 3s-орбиталь энергетически настолько затратен, что затраты энергии не покрываются образованием новых связей.
Многие могут задаться вопросом, а какая же тогда валентность у азота, например, в молекулах азотной кислоты HNO3 или оксида азота N2O5? Как ни странно, валентность там тоже IV, что видно из нижеследующих структурных формул:
Резюмируя информацию по валентным возможностям атома азота:
- Для азота возможны валентности I, II, III и IV
- Валентности V у азота не бывает!
- В молекулах азотной кислоты и оксида азота N2O5 азот имеет валентность IV, а степень окисления +5 (!).
- В соединениях, в которых атом азота четырехвалентен, одна из ковалентных связей образована по донорно-акцепторному механизму (соли аммония NH4+, азотная кислота и д.р).
I. Понятие “валентность”
Состав большинства веществ постоянен. Например, молекула воды всегда содержит 2 атома водорода и 1 атом кислорода – Н2О. Возникает вопрос: почему вещества имеют постоянный состав?
Проанализируем состав предложенных веществ: Н2О, NaH, NH3, CH4, HCl. Все они состоят из атомов двух химических элементов, один из которых водород. На один атом химического элемента может приходиться 1,2,3,4 атома водорода. Но ни в одном веществе не будет на один атом водорода приходиться несколько атомов другого химического элемента. Таким образом, атом водорода может присоединять к себе минимальное количество атомов другого элемента, а точнее, только один.
Валентность – это способность атомов присоединять к себе определенное число других атомов.
Валентность элемента можно представить как число, которое показывает, со сколькими атомами одновалентного элемента может соединяться атом данного элемента. Валентность элемента – это число связей, которое образует атом:
Na – одновалентен (одна связь)
H – одновалентен (одна связь)
O – двухвалентен (две связи у каждого атома)
S – шестивалентна (образует шесть связей с соседними атомами)
II. Правила определения валентности элементов в соединениях
Посмотрите видео по данной теме:
Валентность элементов необходимо знать, чтобы составлять химические формулы соединений.
Зная формулу вещества, состоящего из атомов двух химических элементов, и валентность одного из них, можно определить валентность другого элемента.
Пример 1. Определим валентность углерода в веществе СН4.
Пример 2. Определим валентность фосфорав соединении Р2О5.
Для этого необходимо выполнить следующие действия:
1. Над знаком кислорода записать значение его валентности – II (кислород имеет постоянное значение валентности);
2. Умножив валентность кислорода на число атомов кислорода в молекуле, найти общее число единиц валентности – 2·5=10;
3. Разделить полученное общее число единиц валентностей на число атомов фосфора в молекуле – 10:2=5.
IV. Cоставление бинарных формулпо валентностям химических элементов
Бинарная химическая формула – это формула химического соединения, в состав которого входят два вида атомов.
V. Задания для закрепления
Задание №1.
Даны химические элементы и указана их валентность. Составьте соответствующие химические формулы:
I II V IV III VII III II IV III
Li O, Ba O, P O, SnO, P H, MnO, Fe O, H S, N O, Cr Cl
Задание №2.
Составьте формулы молекул для следующих соединений:
1) меди и кислорода,
2) цинка и хлора,
4) магния и серы.
Задание №3.
Используя материалы лекции составьте бинарные формулы следующими элементами:
А) бор и кислород;
Б) алюминий и хлор;
В) литий и сера.
Задание №4
Определите валентность химических элементов по формулам их соединений:
Читайте также: