Валентность является одним из фундаментальных понятий химии, отражающим способность атомов образовывать определённое число химических связей с другими атомами. Для наглядного отображения валентности используются валентные схемы и структурные формулы, позволяющие передать характер соединений, распределение связей и особенности строения молекулы.
Валентная схема представляет собой условное изображение атомов и связей между ними. Каждый атом обозначается химическим символом, а число связей соответствует его валентности. В простейшем виде валентность выражается количеством черточек или точек, исходящих от символа элемента.
Эмпирическая формула показывает лишь качественный и количественный состав вещества, но не отражает характера связей.
Молекулярная формула передаёт действительное количество атомов каждого элемента в молекуле.
Структурная формула отражает не только состав, но и порядок соединения атомов, а также пространственное расположение связей в простейшей плоскостной проекции.
Развёрнутая структурная формула отображает все валентные связи атомов, включая одиночные, двойные и тройные. Она является наиболее информативной при рассмотрении органических и неорганических соединений.
Сокращённая структурная формула используется для удобства записи сложных молекул, когда часть связей опускается, но сохраняется понимание последовательности атомов.
При изображении валентной схемы атомы располагаются таким образом, чтобы сразу было видно, какими связями они соединены. Например, атом кислорода в молекуле воды изображается с двумя связями к атомам водорода, что отражает его двухвалентность.
Валентные схемы позволяют легко выявлять возможные изомеры, так как при одинаковом составе атомов разное их соединение даёт различные вещества. Особенно важна эта форма записи в органической химии, где число изомерных соединений велико.
Для обозначения кратных связей применяются несколько параллельных черточек: одна черта соответствует одинарной связи, две — двойной, три — тройной. Такие связи отражают степень насыщенности молекулы и существенно влияют на её свойства.
Двойная и тройная связи характеризуются не только большей прочностью, но и изменением пространственного строения молекулы, что отображается в структурных формулах. Например, этилен имеет плоскую структуру вокруг двойной связи, тогда как в ацетилене атомы расположены на одной линии вдоль тройной связи.
В дополнение к структурным формулам используются электронные формулы Льюиса, где связи между атомами показываются парами электронов. Невалентные электронные пары также изображаются точками вокруг символа атома. Этот метод позволяет учитывать распределение электронов, что особенно важно для объяснения реакционной способности молекул.
Валентные черточки в схемах Льюиса отображают общие электронные пары, связывающие атомы. Такая запись наглядно показывает соблюдение правила октета, а также выявляет наличие формальных зарядов в случае ионных или ковалентно-полярных связей.
Пространственная организация молекул не всегда может быть передана обычными структурными формулами. Для этого применяются стереохимические проекции:
Такой способ записи используется в органической химии для описания конфигурации молекул, особенно у соединений с асимметрическими атомами углерода.
Структурные формулы служат важным инструментом при изучении химических реакций. Именно они позволяют понять механизм реакций, определить, какие атомы наиболее реакционноспособны, и как будут перестраиваться связи.
В неорганической химии структурные формулы позволяют объяснять геометрию молекул и кристаллов, что связано с теориями гибридизации и отталкивания электронных пар. В органической химии они лежат в основе классификации соединений, объяснения их физических и химических свойств, а также прогнозирования возможных превращений.
При изображении сложных молекул вводится понятие формального заряда, показывающего перераспределение электронов в пределах молекулы. На структурных формулах заряды указываются знаком «+» или «–» рядом с атомом.
Во многих случаях одна структурная формула не отражает реального распределения электронов. В таких случаях используют резонансные структуры, представляющие разные варианты расположения связей. Истинное строение является гибридом этих формул.
Валентные схемы и структурные формулы демонстрируют зависимость химических свойств элементов от их положения в периодической системе. Сравнение формул соединений элементов одного и того же периода или группы позволяет проследить изменения валентности, природы связей и геометрии молекул.
Таким образом, использование валентных схем и структурных формул является необходимым средством для понимания химической связи, пространственного строения молекул и закономерностей их реакционной способности.