§ 17. Валентность. Составление формул оксидов

Определения и обозначения

Валентность — способность атома элемента образовывать определённое число химических связей. Её обозначают римской цифрой над символом элемента: например, натрий I, кислород II. Эта запись показывает, сколько связей способен образовать атом, и помогает подобрать правильное соотношение атомов в формуле.

Оксид — сложное вещество, состоящее из двух химических элементов, один из которых — кислород. К таким веществам относятся, например, оксид натрия и оксид алюминия. Понимание того, какие элементы входят в оксид, нужно, чтобы правильно записать его формулу и отличить его от соединений другого состава.

Индекс — число внизу справа от символа элемента в формуле. Он показывает, сколько атомов этого элемента входит в частицу вещества: в записи O₂ есть два атома кислорода. Индексы нужны для точной передачи состава, а если атом один, цифру 1 не ставят.

Формула оксида — запись состава оксида с помощью символов элементов и индексов, которые показывают соотношение атомов. Например, формула Na₂O указывает на два атома натрия на один атом кислорода. По формуле можно узнать состав вещества и проверить, согласуется ли он с валентностями элементов.

Как это устроено

При составлении формул оксидов валентность кислорода обычно принимают равной II. Это принятое для таких задач значение служит исходным: без него нельзя определить, сколько атомов кислорода должно приходиться на атомы другого элемента. Например, если валентность элемента известна, её можно сопоставить с двойкой кислорода и подобрать подходящие индексы.

В бинарном соединении атомы элементов должны быть связаны в таких количествах, чтобы суммарные валентности совпадали. Иначе у одного элемента как будто останутся неиспользованные связи, а состав формулы не будет согласован с заданными валентностями. Поэтому индексы выбирают не произвольно, а так, чтобы число атомов каждого элемента уравновешивало валентность другого.

Удобный приём — перенести значения валентностей крест-накрест в индексы: валентность первого элемента становится индексом второго, а валентность второго — индексом первого. Сначала запиши символы, затем укажи их валентности и выполни перенос. Получившиеся индексы задают соотношение атомов, а если у них есть общий делитель, числа сокращают до простейшего соотношения.

Единичный индекс в формуле не пишут, потому что отсутствие цифры уже означает один атом данного элемента. После сокращения индексов до 1 запись становится короче: вместо Na₁O₁ пишут NaO. Такое правило делает формулы компактными и не меняет сведений о составе вещества.

У одних элементов валентность постоянная, у других она может быть разной в разных соединениях. Если валентность переменная, её нельзя выбрать только по названию элемента: нужно использовать значение, данное в условии, или определить его по известной формуле. Это важно, потому что разные валентности одного элемента могут привести к разным формулам оксидов.

Составление формул оксидов по валентностям

Чтобы пользоваться таблицей, сначала найди строку с нужным элементом и его валентностью. Затем посмотри на индексы: это количества атомов, при которых суммарные валентности уравниваются. Если в графе индексов стоит 1, в самой формуле его не записывают.

Разбор задач

Оксид натрия

Условие: составить формулу оксида натрия, если валентность натрия I. Для кислорода в оксидах используем валентность II. Нужно подобрать наименьшее соотношение атомов, при котором суммарные валентности натрия и кислорода совпадают.

1. Записываем символы элементов: Na и O. Указываем валентности: Na — I, O — II. Это исходные данные для выбора индексов.
2. Переносим валентности крест-накрест: к Na ставим индекс 2, к O — индекс 1. Проверяем: два атома натрия дают суммарную валентность 2 × I = 2, один атом кислорода — II.
3. Индексы 2 и 1 уже выражают простейшее соотношение. Единичный индекс у кислорода не пишем, поэтому формула оксида натрия — Na₂O.

Ответ: Na₂O. Проверка показывает, что суммарные валентности обеих частей формулы равны двум.

Оксид алюминия

Условие: составить формулу оксида алюминия при валентности алюминия III. Кислород в оксиде имеет валентность II. Важно учесть, что одной пары атомов с индексами 1 и 1 недостаточно для равенства суммарных валентностей.

1. Записываем символы Al и O, а над ними указываем валентности III и II. Чтобы уравнять их, переносим значение II к алюминию, а III — к кислороду.
2. Получаем индексы Al₂ и O₃. У двух атомов алюминия суммарная валентность равна 2 × III = 6, у трёх атомов кислорода — 3 × II = 6.
3. Числа 2 и 3 не имеют общего делителя, поэтому сокращать их не нужно. Записываем формулу Al₂O₃.

Ответ: Al₂O₃. Равенство суммарных валентностей подтверждает, что индексы выбраны правильно.

Валентность фосфора в P₂O₅

Условие: определить валентность фосфора в оксиде P₂O₅. Формула показывает два атома фосфора и пять атомов кислорода. Валентность кислорода известна и равна II, поэтому можно найти общую валентность кислорода и разделить её между атомами фосфора.

1. Находим суммарную валентность пяти атомов кислорода: 5 × II = 10. Это значение должно совпасть с суммарной валентностью двух атомов фосфора.
2. Делим 10 на число атомов фосфора: 10 : 2 = 5. Значит, на каждый атом фосфора приходится валентность V.
3. Проверяем результат: 2 × V = 10, то есть суммарные валентности фосфора и кислорода совпадают. Следовательно, искомая валентность найдена правильно.

Ответ: валентность фосфора в P₂O₅ равна V.

Типичные ошибки

• Не путай индекс с валентностью: индекс стоит внизу справа и показывает число атомов, а валентность при составлении формулы обозначают римской цифрой над символом. Их часто смешивают, потому что оба значения записываются рядом с символом элемента. Проверяй положение числа и его вид: в готовой формуле индекс — арабская цифра внизу.
• Не забывай сокращать индексы, если они имеют общий делитель. Без сокращения можно получить запись с верным соотношением, но не в простейшем виде. Проверь индексы: если оба делятся на одно и то же число, раздели их и убедись, что валентности по-прежнему уравнены.
• Не записывай индекс 1: его отсутствие означает один атом. Единицу иногда ставят по привычке, желая явно показать число атомов, но химическая запись устроена иначе. Перед окончательным ответом найди все индексы 1 и убери их.
• Не подменяй валентность зарядом иона: это разные понятия, а в данном способе формулы составляют по валентностям. Их путают, потому что оба понятия связаны с составом веществ, однако заряд обозначают знаком плюс или минус, а валентность — римской цифрой без знака. Проверяй, какие данные требует задача, и используй именно валентности.

Связь с другими темами

Перед изучением формул оксидов нужно знать химические символы элементов, понимать, что такое атом, и уметь читать индексы в формулах. Эти умения позволяют распознавать состав вещества и записывать его без ошибок. Правило валентностей затем помогает составлять формулы других бинарных соединений и находить валентность элемента по известной формуле.

Понимание состава оксидов пригодится при изучении классов неорганических веществ и химических реакций с участием оксидов. Формула сообщает, какие элементы участвуют в реакции и в каком соотношении они связаны в веществе. Поэтому умение читать её становится основой для дальнейшей работы с химическими уравнениями.

Что запомнить

• Оксид состоит из двух элементов, один из которых — кислород.
• В формулах оксидов валентность кислорода принимают равной II.
• Индексы выбирают так, чтобы суммарные валентности элементов уравнялись.
• После переноса валентностей в индексы их при необходимости сокращают.
• Индекс 1 в формуле не записывают.
• У некоторых элементов валентность постоянная, у других — переменная.