Характеристики элементов в составе соединений

При образовании соединений из атомов химические связи могут формироваться не только спариванием неспаренных электронов, т.е. по обменному механизму, но и по донорно - акцепторному механизму.

Например, в молекуле . Она получается из 1 атома железа и 5 молекул СО. Ее графическая формула:

Здесь пары s-электронов атомов С (каждой из 5 частиц СО) предоставлены на свободные орбитали атома железа. Таким образом, в данном веществе углерод использует все свои четыре валентные орбитали.

Любая валентная орбиталь элемента способна участвовать в образовании ХС. А именно: если она свободна, то может акцептировать пару е от атома, с которым формирует ХС; если содержит 2 е, то способна давать их на свободную орбиталь другого атома; а если имеет неспаренный электрон, то связь может образоваться по обменному механизму. Вот почему значение ПВ определяется числом всех валентных орбиталей.

Однако, ПВ атомов в соединениях может использоваться не полностью, а лишь частично. Такая проявленная валентность элемента (обозначим ее буквой В), т.е. практически реализованная в данном конкретном веществе, является одной из характеристик элемента в составе соединения.

Значение В ориентировочно определяют как сумму кратностей всех ХС, образованных данным атомом в данном соединении. Очевидно, величина В не может быть больше значения ПВ, а лишь равной ПВ или (чаще) меньше его.

Отметим, что иногда одна орбиталь участвует в образовании двух ХС, и в этом случае кратность каждой из таких связей считается равной 0,5. Например, возьмем молекулу H₂F₂. Ее графическая формула:

H – F - - Н - - F.

Здесь водород на левом конце молекулы связан с атомом фтора ординарной связью, т.е. кратность ХС равна единице и, значит, В(Н)=1. В случае центрального атома водорода единственная его валентная орбиталь образует две химические связи с двумя атомами F, и кратность каждой из этих ХС равна 0,5 (поэтому они изображены пунктиром), а В(Н)=0,5+0,5=1. Таким образом, оба атома водорода в H₂F₂ одновалентны, хотя образуют разное число ХС.

К характеристикам элемента в составе вещества (кроме числа сформированных ХС, их кратности и значения В) относятся также следующие величины:

- координационное число (к.ч.), т.е. число атомов, с которыми элемент образует ХС;

- степень окисления (ст.ок.) элемента;

- эффективный (реальный) заряд элемента ();

Подчеркнем, что иногда численно значения указанных характеристик совпадают. Однако они отражают разные стороны состояния элемента в соединении, поэтому не сводимы одна к другой. Это видно из сравнения данных таблицы 2. Например, возьмем молекулу оксида азота (IV), т.е. NO₂ . Ее структурная формула:

Здесь кратность каждой связи равна 1,5, значит, В=3, в то время, как к.ч. азота в данной молекуле составляет 2, а число химических связей, которые N образует с атомами O, равно четырем. (В структурной формуле NO₂ две из ХС (одинарные) изображены сплошной чертой, а две другие (с кратностью 0,5) – пунктирной.)

Характеристики атома азота в составе разных частиц (ПВ=4) Таблица 2

Частица	ЧХС*	В	к.ч.	ст.ок.	Знак
				–3	–
				+4	+

*Число химических связей.

1.3. Нахождение в природе. Способы получения
простых веществ

В природе, как правило, элементы образуют наиболее стабильные формы, т.е. находятся в устойчивых ст.ок. и соединены с теми элементами, которые обеспечивают данную устойчивость.

При этом вещества, имеющие достаточно ионные связи, чтобы являться растворимыми, накапливаются, в основном, в гидросфере (реки, моря, океаны и т.п.). Напротив, соединения с преимущественно ковалентной связью и прочной кристаллической решеткой составляют большую часть литосферы [1] (земной коры), летучие же вещества присутствуют в атмосфере.

Если элемент образует стабильное простое соединение, то оно, как правило, встречается и в природе. В таком случае промышленные способы его получения – это очистка данного вещества от примесей или выделение его из смеси. Часто такие операции осуществляют с помощью физических методов. Например, при получении и применяют ректификацию воздуха.

Если же природное соединение целевого элемента – сложное соединение, то, в зависимости от знака ст.ок. элемента, его простое вещество получают или окислением (при отрицательной ст.ок. элемента) или восстановлением (если ст.ок. элемента положительна).

При этом в промышленности стараются использовать достаточно дешевые реагенты. Так, для восстановления металлов (например, железа) из оксидных руд () чаще берут уголь (кокс).

Не оксидные руды обычно предварительно переводят в оксиды. С этой целью карбонаты разлагают нагреванием, а сульфиды «обжигают», т.е. прокаливают в присутствии кислорода, обычно О₂ воздуха. (При этом, например, NiS переходит в NiO.)

Многие простые вещества получают электролизом раствора или расплава соответствующих сложных соединений. (При этом, напоминаем, катод является восстановителем, а анод – окислителем.) Например, электролизом расплава выделяют (на катоде) и (на аноде).

Дата добавления: 2015-07-25