Вале́нтність — це властивість атомів одного хімічного елемента з'єднуватися з певним числом атомів інших хімічних елементів. Термін походить від — 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.
Валентність, а, точніше, близька за змістом величина ступеня окиснення за необхідності вказується в назві сполук за допомогою римських чисел в дужкахIUPAC Red Book: Nomenclature of Inorganic Chemistry, 2005. , приміром, хлорид міді(I), хлорид міді(II).
Історія Концепція явища валентності з’явилася в 1852 році, коли британський хімік Едвард Франкланд запропонував гіпотезу, що атоми мають певну “насиченість” , тобто здатність з’єднуватися лише з певною фіксованою кількістю інших атомів. Він спостерігав за реакціями металів з органічними сполуками та помітив закономірності, які пізніше розвинули Август Кекуле та інші науковці в теорію валентності. В 1916 році Гілберт Льюїс пов’язав її з електронними оболонками, пояснюючи, що елементи прагнуть заповнити зовнішній рівень до восьми електронів (правило октету). Наразі (станом на 2026 рік) поняття валентності інтегровано в квантову хімію, де її розглядають через поняття орбіталей атома та їх гібридизацію .
Зовнішній вигляд хімічних зв'язків Усі чотири хімічні зв’язки атома вуглецю добре видно на фото вгорі, де наведено пряме пікоскопічне зображення атома C6(рос.) отримане шляхом денситометрії електронної хмаркиKucherov 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.) (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, 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), Zn(NH3) 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 — I Be, Mg, Ca, Ba, Zn, Ra, Cd, Sr, О — II Al, B — III
Популярні елементи зі змінною валентністю Cu, Hg — I і II Fe, Co, Ni — II і III C, Si, Ge, Sn, Pb — II і IV P — III, V S — II, IV і VI Mn — II, III, IV, VI і VII N — I, II, III, 4IVі (суто формально) V Cl, Br, I — I, III, V і VII Cr — II, III, VI Можливість зміни валентності елемента полягає у зміні його електронної будови.
Структурні формули Структурна формула показує як кількісний склад (наприклад, формула H2O),так і послідовність сполучення атомів та кратність зв'язків (одинарні, подвійні, потрійні). Одна риска в цих формулах означає одну спільну пару електронів. + Таблиця валентностей та структурних формул неорганічних речовин Назва речовини Хімічна формула Елемент та його валентність Кількість зв'язків (рисок) Графічна (структурна) формула Вода H2O H (I), O (II) Оксиген утворює два зв'язки, кожен Гідроген — по одному H — O — H Вуглекислий газ CO2 C (IV), O (II) Карбон утворює чотири зв'язки, кожен Оксиген — по два O = C = O Хлоридна кислота HCl H (I), Cl (I) Обидва елементи мають по одному зв'язку H — Cl
+ Таблиця валентностей та структурних формул органічних сполук Назва сполуки Молекулярна формула Клас сполук Валентність елементів Графічна (структурна) формула Етен (етилен) C2H4 Алкени (ненасичені вуглеводні) C (IV), H (I) H H \ / C = C / \ H H Ацетилен (етин) C2H2 Алкіни (ненасичені вуглеводні) C (IV), H (I) H — C ≡ C — H
Використання У фармацевтичній промисловості валентність визначає, як молекули взаємодіють із рецепторами. Наприклад, в молекулі аспірину, зв'язок з чотирьохвалентним вуглецем у кільці, блокує ферменти завдяки точним зв’язкам. У нанотехнологіях валентність графену (вуглець — IV) дозволяє створювати надпровідники. Для екології валентність важлива в системах очищенні води: залізо тривалентне використовують в коагулянтах, які видаляють забрудники. У промисловості валентність допомагає синтезувати полімерні сполуки: використання вуглецю із валентністю чотири дозволяє створювати пластмаси, зокрема у поліетилен, створюючи довгі ланцюги .
Див. також Валентний перехід Ступінь окиснення Чотиривалентність
Джерела
Турова Н.Я. Неорганическая химия в таблицах. — М.: Высший химический колледж РАН, 1999. — 140 с.
Примітки