Понятие валентности сыграло в истории химии большую роль, прояснив, каким образом, в каких соотношениях и почему атомы разных химических элементов могут соединяться друг с другом. В случае простейших неорганических и органических соединений теория работала. Однако со временем, как это обычно и бывает в науке, накапливались сведения, которые постепенно заставили химиков отказаться от понятия валентности как универсального способа для описания строения вещества.
Прежде всего, оказалось, что многие элементы, в отличие от водорода и кислорода, могут иметь не одну, а несколько валентностей, так что водород и кислород скорее исключения. Но с этой трудностью довольно легко справились ещё в XIX веке, приписав ряду элементов несколько возможных валентностей.
В результате стало понятно, почему некоторые вещества, образованные всего двумя элементами, могут так сильно отличаться по составу. Например, в одном из оксидов железа (то есть в соединении железа и кислорода) на одну массовую часть железа приходится примерно 0,3 массовые части кислорода, а в другом оксиде — вдвое больше.
Выяснилось, что железо в этих оксидах имеет разную валентность: в оксиде FeO железо двухвалентно, а в оксиде Fe2О3 — трёхвалентно.
Был известен также оксид железа Fe3О4. Какая же в нём валентность железа?
Если кислород двухвалентен, то получается, что валентность железа 2-4/3 = 8/3! Как такое может быть?
Проблему решили, когда было доказано, что в этом оксиде один атом железа двухвалентен, а два — трёхвалентны, то есть формулу этого оксида можно представить в виде FeO • Fe2О3. Аналогично была решена проблема со свинцовым суриком, состав которого отвечает формуле Рb3О4.
Но атомы свинца трёхвалентными не бывают. В данном случае оказалось, что два атома свинца двухвалентны (как в РbО), а один — четырёхвалентен (как в РbО2), так что формулу свинцового сурика можно представить в виде 2РbО • РbО2.
Многовалентными могут быть и металлы, и неметаллы. Так, йод в соединениях с фтором может быть одновалентным (IF), трёхвалентным (IF3), пятивалентными (IF5) и семивалентным (IF7), то есть проявлять четыре разные валентности, тогда как фтор всегда одновалентен.
Металл молибден в соединениях с галогенами может проявлять валентности 2, 3,4, 5 и 6. Разная валентность у атомов данного элемента — скорее правило, чем исключение. Такое свойство весьма обогащает химию.
Например, углерод с кислородом образует два газа — угарный СО и углекислый СО2, и понятно, что валентность углерода в этих соединениях разная. Сера с кислородом тоже образует по крайней мере два соединения — сернистый газ SО2 и серный ангидрид SО3, в которых сера, как нетрудно догадаться, имеет валентность соответственно 4 и 6. Существование разнообразных оксидов марганца (МnО, Мn2О3, Мn3О4, МnО2, Мn2О7 и др.) показывает, что марганец может иметь несколько разных валентностей.
Валентность в названиях веществ часто обозначают римскими цифрами — в скобках после символа или названия элемента. Химик может назвать вещество FeO оксидом железа (II), а вещество Fe2О3 — оксидом железа (III). И поскольку кислород образует соединения со значительно большим числом элементов, чем водород, химики чаще всего устанавливали валентности элементов именно по их соединениям с кислородом.
Когда химики изучили сложные органические соединения, оказалось, что атомы углерода в них, как и в молекуле метана, практически всегда четырёхвалентны. Четырёхвалентность атомов углерода сыграла огромную роль в истории органической химии; это свойство исключительно важно также для всего живого, поскольку химия органических соединений — это в подавляющем большинстве случаев химия углерода.
Как же объясняется определённая валентность элемента? Оказывается, это связано со строением атомов, вернее, их внешних (то есть наиболее далёких от ядра) электронных оболочек.
Строение этих оболочек у разных атомов разное, поэтому отличается и их валентность.
Именно благодаря электронам атомы могут связываться друг с другом в определённых соотношениях.
Каким же образом электроны осуществляют химическую связь, то есть связывают атомы друг с другом? Химическая связь бывает разной, и её тип зависит от строения электронных оболочек реагирующих атомов.
Известно, что металлический натрий бурно (с пламенем) реагирует с хлором, образуя хлорид натрия NaCl (поваренную соль). Как происходит образование этого вещества?
Рассмотрим изолированный атом натрия. У него 11 электронов, расположенных на трёх электронных оболочках.
На самой близкой к ядру находятся 2 электрона. Дальше — 8 электронов.
Ещё дальше — оставшийся 1 электрон. Именно этот единственный электрон и принимает участие в образовании химической связи натрия с другими элементами.
По этой же причине натрий находится в 1 — й группе периодической системы. Электронную оболочку, на которой расположен этот «дальний» электрон, называют валентной, а находящийся на ней электрон (или электроны, если их несколько) — валентными электронами.