В настоящее время известно около 120 химических элементов, причём несколько самых тяжёлых ещё не получили даже своего названия. Реально же окружающий человека мир, включая его самого, построен примерно из 85 элементов.
Как же эти несколько десятков разновидностей атомов создают всё многообразие растительного и животного мира, а также все материки и моря, горы и пустыни, песок и глину, нефть и уголь?
Дело в том, что элементы могут соединяться, связываться друг с другом в самых разнообразных сочетаниях.
И этим процессом управляют строгие законы. Один из самых важных связан с понятием валентности элементов.
Когда Дальтон формулировал свой закон кратных отношений, он опирался на данные химического анализа разных веществ, построенных из одних и тех же элементов.
Постепенно таких примеров становилось всё больше, и химики стремились понять, существуют ли какие-то закономерности в числе атомов, соединяющихся друг с другом.
Когда к середине XIX века были правильно определены формулы большинства известных к тому времени веществ, оказалось, что атомы в них могут связываться друг с другом не в любых, а только во вполне определённых соотношениях.
Так, атомы водорода любят связываться с одним атомом какого-нибудь элемента (включая и сам водород). Например, были известны такие соединения, как хлороводород НС1, бромоводород НВг, йодоводород HI, молекулярный водород Н2 и т. п. Но не было случая, чтобы получилось вещество состава, положим, НС12.
Другие атомы могут связываться с несколькими атомами водорода, но тоже с определённым их числом. Например, в уже знакомой нам молекуле воды один атом кислорода связывается с двумя атомами водорода.
Поэтому формулу молекулы воды можно записать так: Н-О-Н (чёрточка показывает, что два атома связаны друг с другом) или, сокращённо, Н2О. Атомы серы тоже могут связываться с двумя атомами водорода, образуя сероводород H2S. Атомы азота и фосфора могут связываться с тремя атомами водорода, образуя аммиак NH3 и фосфин PHV Атомы углерода могут связываться с четырьмя атомами водорода, образуя метан СН4. Такое свойство атомов связываться с определённым числом других атомов назвали валентностью.
Зная валентность одних атомов, можно определить валентность других, связанных с ними. Скажем, водород в своих соединениях одновалентен, то есть образует одну связь с другими атомами.
Поэтому хлор (С1), бром (Вг) и йод (I) в соединениях с водородом тоже одновалентны: это можно изобразить с помощью «формул с чёрточками», Н-CI, Н-Вг и H-I, в которых одна чёрточка обозначает одну валентность.
Валентность, равную единице, имеет также натрий (и все другие щелочные металлы, например литий и калий).
Это проявляется, например, в формуле хлорида натрия NaCl — той самой поваренной соли, которую синтезировал и съел в молодости академик Н. Н. Семёнов: натрий одновалентен, хлор одновалентен, вот они и соединились в таком соотношении.
А атом кислорода двухвалентен, именно поэтому он и связывается с двумя одновалентными атомами водорода в молекуле воды. Если же двухвалентные атомы кислорода связываются друг с другом (в газообразном кислороде), то между этими атомами образуется двойная связь, которая изображается двумя чёрточками: О=О (а в молекуле газообразного азота N2 между атомами образуется тройная связь N=N). Характерные валентности, которыми может обладать каждый элемент, помогли в своё время Д. И. Менделееву открыть знаменитый периодический закон и составить не менее знаменитую периодическую таблицу химических элементов.
Как устанавливали валентность разных элементов с помощью одновалентного водорода, понятно. Но многие элементы, например серебро, с водородом не соединяются.
Как узнать их валентность? На помощь пришёл кислород, который соединяется почти со всеми элементами.
А кислород, как известно, двухвалентен. Значит, чтобы узнать валентность серебра, нужно получить его соединение с кислородом.
Такое соединение (оксид серебра) было известно, его формула Ag2О.
А так как кислород двухвалентен, значит, серебро, как и водород, — одновалентно!
Если оксид магния имеет формулу MgO, значит, магний двухвалентен.
Если оксид алюминия имеет формулу А12О3, значит, алюминий трёхвалентен (три атома кислорода имеют суммарную валентность шесть, значит, на каждый из двух атомов алюминия приходится валентность три). Теперь, зная, что водород одновалентен, а кислород двухвалентен, можно было установить валентность в разных соединениях для атомов элементов, которые образуют химические соединения с водородом или с кислородом.
Например, из формулы диоксида кремния SiО2 (такую формулу имеет, например, кварц) следует, что кремний четырёхвалентен.