Embedded Files
Химия 8 класс: базовый уровень: учебник.
Авторы: О.С. Габриелян, И.Г. Остроумов, С.А. Сладков
М.: Просвещение, 2023
Примечание автора. Валентность
Примечание автора. Валентность
Одно из самых некорректных понятий школьной химии - валентность. В современной химии это понятие используется редко, и даже строгого определения у него нет. Определение, которое дано в учебнике, однозначно говорит о том, что валентность - это свойство химического элемента, которое проявляется только и исключительно в соединениях этого элемента. При этом валентность элемента может отличаться от соединения к соединению, и характеризует она связи атомов выбранного химического элемента с атомами других элементов, входящих в соединение.
Проблем здесь несколько. Теория валентности появилась на свет очень давно - примерно в 1852 году, за 47 лет до открытия электрона, и изначально базировалась на понятиях, далеких от современного представления о строении вещества. Главная идея теории в ее теперешнем виде заключается в том, что связь между атомами в химическом соединении возникает за счет образования общих электронных пар или, говоря научным языком, за счет перекрытия электронных орбиталей двух атомов. То есть, находясь на достаточно близком расстоянии друг от друга, ядра двух атомов начинают притягивать не только свои электроны, но и электроны соседа. В итоге образуется пара электронов, по одному от каждого атома, обеспечивающих связь между атомами. Электроны заряжены отрицательно, ядра - положительно, работают кулоновские силы - все более-менее логично. Почему электроны не отталкиваются друг от друга, почему образуется именно пара, а не, например, тройка или квартет электронов, теория умалчивает, но это больше вопросы из области квантовой физики, так что и ладно.
Вид химической связи, описанный выше, называется ковалентной или, точнее, одинарной ковалентной связью. Это самый простой и самый понятный вид химической связи, и школьная химия изначально предполагает, что все химические соединения устроены именно так. Даже двойную и тройную (в общем случае - кратную) ковалентные связи учебник не упоминает, поскольку они устроены сложнее, чем просто две или три параллельных одинарных.
Но современная наука выделяет шесть различных видов химических связей: ковалентная (она же - двухэлектронная двухцентровая), ионная, металлическая, водородная, Ван-дер-Ваальсова и двухэлектронная трехцентровая (в общем случае - многоцентровая). Из них только один вид, а именно ковалентная связь, подразумевает понятие валентности. В остальных случаях теория валентности не работает. В школьном же курсе рассматривают ковалентную и ионную связи.
Может показаться, что все эти варианты связей экзотические и существуют только в каких-то очень уж сложных веществах, так что не зачем в школьный учебник вносить лишнюю информацию. Примерно как с агрегатными состояниями вещества, которых не двадцать с лишним, а три, и все тут. Но нет - ситуация как раз обратная: очень большое число веществ, в первую очередь неорганических, собраны за счет химических связей, отличных от ковалентной. Например, двухэлектронная трехцентровая связь задействована в формировании молекул гидридов бора (так называемых боранов) - класса достаточно простых неорганических веществ, которых насчитывается порядка 20: BH3 (он же боран или тригидробор), B2H6 (диборан), B3H9 (триборан) и так далее. Если в случае боранов применить понятие валентности, то водород окажется двухвалентным, чего учебник химии в принципе не допускает, да и теория валентности тоже. Тем не менее, структурная формула, к примеру, диборана выглядит так, как показано чуть ниже. "Двухвалентность" водорода здесь объясняется тем, что связь образуется сразу между тремя атомами. Бор, кстати, тоже, в школьном смысле, не бывает четырехвалентным.
H H H
\ / \ /
B B
/ \ / \
H H H
Но ладно, с гидридами бора в школе не работают, а вот, например, с обычной поваренной солью NaCl опытов масса. Но казус в том, что у атомов хлора и натрия очень уж разные значения электроотрицательности - атомы хлора просто забирают валентные электроны у атомов натрия, не образуя никаких ковалентных связей, и далее живут почти независимо в виде ионов, притягиваясь к ионам натрия не за счет общих электронных оболочек, а за счет зарядов различного знака. Так что и тут говорить о валентностях хлора или натрия не вполне корректно.
Возьмем описание алюминия из книги А.Т. Ибрагимова и Р.В. Пака "Электрометаллургия алюминия" (Раздел 1.1 "Физико-химические свойства и промышленное применение алюминия", с. 5), ТОО "Дом печати", Казахстан 2009.
Алюминий (Аl) - химический элемент III группы периодической системы Д.И. Менделеева. Порядковый номер его 13, атомная масса 26,97... В обычных условиях металл трехвалентен, а при высоких температурах устойчивы и одновалентные его соединения (субсоединения).
Подождите, но учебник химии утверждает, что алюминий всегда трехвалентен!? Получается, что врет? Еще как. Соединения одновалентного алюминия - субхлорид алюминия AlCl и субфторид алюминия AlF играют очень важную роль в процессе выплавки различных металлов и очищения их от примесей, так что валентность алюминия ни разу не постоянна. Эти вещества неустойчивы при температурах ниже 800 градусов Цельсия и разлагаются на чистый алюминий и его обычный хлорид (или фторид), но при высоких температурах, как правильно замечают авторы книги, субсоединения алюминия ведут себя вполне стабильно.
Собственно говоря, не только алюминий на этой диаграмме несправедливо обойден дополнительными валентностями. Железо бывает шестивалентным, а медь... ну вы даете... Оксид меди (III) с формулой Cu2O3 вполне себе существует в виде красного кристаллического порошка. При температурах ниже 75 градусов Цельсия он стабилен - подробности можете сами в Википедии почитать. А, я понял, эти валентности не указаны, поскольку соответствующие вещества не вписываются в теорию валентностей - согласно ей они существовать не должны. Браво.
Предлагаю развлечься расчетом валентности по алгоритму все из того же учебника (с. 44), который приведен выше.
Давайте возьмем для расчета по данному алгоритму формулу додекаборида алюминия. Страшное название, согласен, а меж тем вполне себе реально существующее стабильное вещество, при нормальных условиях являющееся кристаллическим порошком коричневатого цвета, который можно получить совершенно обычным путем - реакцией алюминия с борным ангидридом (B2O3):
6B2O3 + 13Al -> AlB12 + 6Al2O3
Вот-вот, AlB12 и есть химическая формула этого замечательного вещества. Ну что, поехали считать валентности?
1. В нашем случае элементом с постоянной валентностью, равной трем, является алюминий, это сам учебник только что заявил. Значит на шаге 1 над алюминием в формуле ставим римскую цифру III.
III
Al B12
2. На втором шаге следует тривиальная операция перемножения валентности на индекс возле алюминия, то есть
III х 1 = 3
3. Третий шаг: полученный результат делим на индекс второго элемента, в нашем случае это бор с индексом 12.
3 : 12 = 0.25
4. Последний четвертый шаг будет выглядеть так (да, римляне знали дроби, и три двенадцатых или одна четверть записывалась в их системе счисления именно как три точки):
III ...
Al B12
Но это, конечно же, нонсенс. Что за валентность такая "одна четвертая"??? Определение валентности говорит, что валентность есть свойство атома соединяться с определенным числом атомов другого элемента, и это определенное число атомов в данном случае равно одной четвертой. Бред же.
Конечно бред, поскольку в молекуле додекаборида алюминия химические связи устроены абсолютно не так, как это рассказывает учебник школьной химии, и валентности здесь совершенно ни при чем. Например, в алгоритме, который приведен в учебнике, предполагается, что атомы кислорода связаны только с атомами азота, а между самими атомами кислорода связей нет. В случае оксида азота (IV), иначе называемого "бурым газом", это действительно так, но вот в молекуле додекаборида алюминия полно бор-борных связей, и для нее этот алгоритм не работает в принципе.
Самое смешное, что бор, согласно учебнику, тоже имеет постоянную валентность, равную трем. Если исходить из этого, то алгоритм сообщает потрясающий результат: валентность алюминия в додекабориде алюминия равна 36. Кто не верит - считайте сами.
Давайте возьмем еще более простой случай - пероксид водорода, его водный раствор есть дома практически у каждого, он называется перекисью водорода и имеет широчайшее применение в быту и промышленности. Формула соединения выглядит так: H2O2, и его, кстати, учебник упоминает на странице 64 в контексте одного из способов получения кислорода, соответствующая формула там тоже приведена. Посчитаем валентности?
1. Кислород - элемент с известной валентностью (2), рисуем над ним римскую двойку.
II
H2 O2
2. Умножаем двойку на индекс под кислородом:
II х 2 = 4
3. Делим результат на индекс под водородом:
4 : 2 = 2
4. Получаем, что водород в этом соединении имеет валентность 2:
II II
H2 O2
С тем же успехом можно взять в качестве вещества с известной валентностью водород. На диаграмме, приведенной ранее, утверждается, что водород имеет постоянную валентность 1, что противоречит результату, полученному выше, но допустим. Считаем теперь, начиная от водорода:
1. Рисуем римскую единицу над водородом:
I
H2 O2
2. Умножаем единицу на индекс под водородом:
I х 2 = 2
3. Делим результат на индекс под кислородом:
2 : 2 = 1
4. Получаем, что кислород в этом соединении одновалентен:
I I
H2 O2
Выходит, что или учебник противоречит сам себе, или же вещество с формулой H2O2 попросту не может существовать в природе. Да как не может-то - вон оно, на полке стоит. Разгадка здесь снова в том, что в молекуле пероксида водорода существует кислород-кислородная связь, структурная формула молекулы очень простая, но даже с такой примитивной молекулой школьный алгоритм справиться не может - лишний атом кислорода все портит.
H H
| |
O — O
Кстати, интересно, что в определении валентности сказано, что это свойство атомов элемента соединяться с атомами других элементов. Ключевое слово здесь - других. Значит, строго следуя определению, кислород-кислородную связь мы рассматривать не должны. Тогда все верно - получается, что кислород в данном соединении проявляет валентность 1, поскольку второй электрон образует пару со своим собратом из соседнего атома кислорода. Но учебник говорит - нет, кислород всегда двухвалентен.
А представьте, что есть вещества, где в один ряд собраны три атома кислорода, например, озонид калия KO3... Это ж чего получается - калий, элемент первой группы, шестивалентен? Нет, поскольку к этому очень простому на вид веществу понятие валентности даже близко не применимо.
Примечание автора. Степени окисления
Примечание автора. Степени окисления
В версии учебника 2017 года про строение атома, электронные оболочки и виды химических связей речи не было - видимо, авторы считали, что семиклассники не готовы к освоению столь сложных материй. А вот восьмиклассники, вероятно, уже готовы. Поэтому в издание 2023 года включены параграфы, начиная с 30, а также целый Раздел V "Химическая связь. Окислительно-восстановительные реакции", где параграф 34 называется "Ионная химическая связь". Параграф 35 озаглавлен "Ковалентная химическая связь" и в нем, внимание (!), дано новое определение валентности.
Итак, валентностью теперь называется не свойство элемента образовывать связи с другими атомами, а количество этих связей, причем, не абы каких, а только ковалентных, но зато с любыми атомами, а не только с атомами других элементов. Черт... Фториды, оксиды и хлориды металлов, особенно щелочных и щелочноземельных, можно смело выкидывать - у них связи внутри ионные в силу очень высокой электроотрицательности трех упомянутых элементов. Значит о валентности хлора в поваренной соли говорить нельзя, ибо связь хлора с натрием - ионная, а не ковалентная, об этом учебник рассказал в параграфе 34. В случае ионных связей аналогом валентности является так называемое "координационное число", но оно даже близко не то же самое, что валентность.
Забавно, что в версии учебника 2017 года алгоритм расчета валентности по формуле соединения разбирался на примере оксида марганца (IV) - MnO2, ниже приведена вырезка из того учебника. Но в этом соединении кислород-марганцевые связи являются ионными, а не ковалентными, а к ионным связям понятие валентности вообще неприменимо. Соответственно, чего там рассчитывали ученики по приведенному ранее алгоритму, остается полнейшей загадкой.
Позднее авторы, видимо, допетрили, что нельзя в рамках одного учебника определять валентность как количество ковалентных связей атома, и при этом рассчитывать ее для соединения с ионными связями. Поэтому в новом учебнике оксид марганца заменили на бурый газ.
Попробуем сделать над собой усилие и собрать все воедино. Берем вещество с не очень сложной формулой, желательно - бинарное, то есть, состоящее из атомов элемента А и атомов элемента Б. Если в молекуле есть связи типа А-А или Б-Б, то они будут, очевидно, неполярными ковалентными. Все прочие связи (мы экзотику не рассматриваем) будут или полярными ковалентными, или ионными - это мы поймем, глядя на таблицу электроотрицательностей элементов. А теперь попробуем подсчитать валентности в разных ситуациях.
1. Связи полярные ковалентные.
а) По первому определению. Валентность элемента А равняется числу связей с элементом Б и наоборот.
б) По второму определению. Валентность элемента А равняется общему числу связей с другими атомами, то же самое для элемента Б.
2. Связи ионные.
а) По первому определению. Валентность элемента А равняется числу связей с элементом Б и наоборот.
б) По второму определению. Валентность элемента А равняется числу связей типа А-А, для элемента Б - аналогично.
Надеюсь, что к этому моменту уже любому нормальному человеку понятно, что понятие валентности в школьной химии не только вводится некорректно, но и в разных ситуациях может значить абсолютно черт знает что. Берем пероксид водорода, считаем кислород элементом А и получаем его валентности:
По определению 1а - 1
По определению 1б - 2
Берем поваренную соль, считаем валентности, например, для натрия (для хлора будет то же самое):
По определению 2а - 1
По определению 2б - 0
Как же решить все эти несуразности? Да очень просто - выкинуть к чертям валентности, да и все. В параграфе 38 "Степень окисления" наконец-то вводится то единственное, но очень нужное понятие, которое способно расставить все по местам.
Понятие степени окисления, в отличие от валентности, имеет строгое определение, которое базируется аж на квантовой механике, но для школьных целей, разумеется, используется сильно упрощенное определение. Здесь можно провести аналогию с классической механикой и теорией относительности Эйнштейна. Ньютоновская механика, хоть и не до конца точна, дает очень хорошее приближение к теории относительности и при этом намного проще и интуитивно понятнее. Ровно та же история со строгим определением степени окисления и его школьным упрощением - оно очень хорошо работает не только в школе, но и в реальной жизни.
Короче говоря, берем молекулу, ковалентные неполярные связи (А-А) выбрасываем, а полярные мысленно заменяем на ионные - как будто один атом полностью оторвал от другого электрон. Потом считаем заряды полученных ионов и получаем их степени окисления. В отличие от валентности, степень окисления имеет знак - при присоединении электрона атом становится отрицательно заряженным (анионом), и его степень окисления понижается на 1. Соответственно, отдавая электрон, атом становится положительно заряженным (катионом), и его степень окисления увеличивается на 1. В нейтральном состоянии атом имеет степень окисления 0, но, что самое удивительное, дробные степени окисления тоже существуют. Да, они существуют не в школьной химии, но, в отличие от дробных валентностей, это понятие вполне корректно.
Попробуем что-нибудь посчитать, например, степень окисления кислорода в молекуле пероксида водорода, напомню структурную формулу вещества.
H H
| |
O — O
Кислород-кислородная связь роли не играет, она неполярная, так что у каждого атома кислорода остается по одной ковалентной полярной связи с атомом водорода. Кислород существенно более электроотрицательный элемент, чем водород, и его степень окисления в этом случае, согласно определению, будет равна -1. А у водорода, соответственно, +1. Вот и все, никакие валентности не нужны.
С появлением в школьной химии понятия степени окисления про валентности, в принципе, можно было бы забыть, а алгоритм их вычисления выкинуть в мусорку. И что - все? Так просто? Учебник бы не был учебником, если бы не попытался и тут заморочить школьникам голову на абсолютно ровном месте. На той же странице 163, где приведено школьное определение степени окисления, читаем.
Кто о чем, а вшивый о бане - мы теперь говорим про постоянные степени окисления, как до этого говорили про постоянные валентности. Ну что ж, поехали.
Щелочные металлы (IA-группа) - это литий, натрий, калий, рубидий, цезий и франций. Здесь вранье, хотя его и можно простить, ибо про алкалиды уж точно в школе не рассказывают. Тем не менее, соединений этого класса получено уже несколько десятков, и первым пятьдесят с лишним лет назад был синтезирован (ужас-ужас) натрид натрия! Да, в этом соединении, представляющем собой кристаллы золотистого цвета, натрий присутствует и в виде катиона, что привычно со школы, и в виде аниона. А еще там есть много чего, что в школе не проходят. При комнатной температуре нестабилен. Такие же соединения получены для калия, рубидия и цезия.
Щелочноземельные металлы (IIA-группа) - это бериллий, кальций, магний, стронций, барий и радий. Тут - да, у всех либо 0 в нейтральном атоме, либо +2. Соединений, аналогичных алкалидам, для этих металлов пока что не получено, из всех элементов подгруппы главным кандидатом на наличие степени окисления +1 является барий, но пока что лишь теоретически.
Алюминий... Не буду сильно загружать - вспомним все те же субхлориды и субфториды, к ним добавим алюминид натрия и диалюминид кальция. В общем, хоть это и экзотика, но алюминий умеет в степень окисления от -1 до +3.
Фтор - да. Сложно ожидать от самого электроотрицательного элемента, что он с кем-то поделится хоть одним электроном, а забрать больше, чем один, он тоже не может, так что тут правда и, скорее всего, абсолютная.
Кислород... ну вы поняли. Тут даже сами авторы пишут, что он -2, но не всегда. За каким же чертом вы его тогда обозвали элементом с постоянной степенью окисления, если она у него переменная от -2 в большинстве соединений до +2 в дифториде кислорода? В пероксиде водорода, как мы выяснили ранее, степень окисления у кислорода равна -1, в молекуле кислорода - 0. Есть соединение, называемое диоксидифторид, по структуре похожее на пероксид водорода, только вместо водорода в нем атомы фтора. Фтор более электроотрицателен, чем кислород, так что степень окисления кислорода здесь +1. Короче, полный спектр вариантов, включая и очень экзотические. А вот про молекулу трехатомного кислорода, именуемого озоном, учебник вообще не вспоминает, и правильно делает, поскольку, помимо ковалентных связей между атомами, там есть еще и трехцентровая. Считать степени окисления в таких случаях не вполне корректно.
С водородом еще более странная история. Он тоже в списке элементов с постоянной степенью окисления, и тут же приводится контрпример. Да - в гидридах металлов водород является окислителем, что очевидно в силу его большей электроотрицательности.
В заключение длинной детективной истории два примера, показывающие, что мы не просто так потратили время. Первый - из все того же учебника, который под самый конец признал очевидный факт, хоть и очень криво. Черт... опять вы тут про валентность... Выкиньте свой алгоритм, а лучше все понятие валентности полностью.
Второй немного касается случая, где мы получили дробное значение валентности бора. Воистину, степень окисления и валентность - не одно и то же. Степень окисления может быть дробной, хоть и связано это больше с математикой, нежели с природой. Существует, например, очень простое по виду вещество - надпероксид натрия с формулой NaO2. Как и раньше, при тупом следовании алгоритму из учебника мы получим, что кислород двухвалентен (или его степень окисления -2), соответственно, натрий должен быть четырехвалентен. Ладно, мы теперь знаем, что между атомами кислорода тоже могут быть связи, но и двухвалентного натрия никто в школьных учебниках не встречал. А вещество реально существует и может использоваться как источник кислорода в замкнутых помещениях, где невозможно устроить нормальную вентиляцию, например, на подводных лодках. Так что? У кислорода валентность одна вторая?
Разгадка проста - химические связи между атомами кислорода и натрия ионные, валентностью тут и не пахнет, фактически молекула (да, даже молекула, которая, в целом, нейтральна) кислорода имеет достаточно сил, чтобы перетянуть к себе электрон с внешней орбитали атома натрия. В итоге ионная связь образуется между катионом натрия и пероксид-анионом кислорода. Пероксид-анион в данном случае - это по сути молекула кислорода, в которую добавили лишний электрон. Ни один из атомов кислорода не может присвоить его себе, но и отдать его они тоже не могут. В итоге получается такая вот заряженная молекула, которую ни одна из школьных теорий не описывает и описать не может. А степень окисления кислорода здесь по интуитивно понятным причинам считается равной минус одной второй.
Тот же учебник, параграф 13 "Кислород", с. 64.
Золото с кислородом не реагирует, а платина - вполне. Зачем неправду писать? Да, для запуска реакции требуется нагревание, но это довольно обычное условие, особенно, для реакций с участием кислорода.
Ладно, хватит - последний пример, я позволил себе объединить в одном изображении фрагменты, взятые с двух страниц, просто для экономии места. Параграф 14 "Оксиды", с. 69.
Разумеется, фтор легко образует соединение с кислородом, причем, разными способами. Учеными открыты соединения со следующими формулами: OF2, O2F2 - это упомянутый выше диоксидифторид, O3F2 - триоксидифторид и O4F2 - тетраоксидифторид. Кроме OF2 эти вещества представляют собой неустойчивые соединения, которые, тем не менее, стабильны при очень низких температурах.
А вот соединение OF2, являющееся бесцветным ядовитым газом с неприятным запахом, стабильно, и было оно впервые получено почти сто лет назад. Трюк здесь всего лишь в том, что фтор более электроотрицателен, чем кислород, так что по правилам Международного союза теоретической и прикладной химии это соединение полагается называть не оксидом фтора, а фторидом кислорода (II) или дифторидом кислорода. Но в учебнике сказано, что оксид - это любое вещество из двух элементов, один из которых - кислород. Значит, или OF2 - оксид, или учебник следует выкинуть на помойку.
Это еще не все - что там на счет благородных газов, у которых нет оксидов? У одного ксенона три разных оксида - диоксид XeO2 (получен в 2011 году), триоксид XeO3 (получен в 1963 году) и тетраоксид XeO4 (получен в 1964 году). А учебник выпущен в 2023 году, хотя делать этого явно не стоило.
Google Sites
Report abuse