§ 17. Валентность. Составление формул оксидов

Определения и обозначения

Валентность — способность атома элемента образовывать определённое число связей с атомами других элементов. Её обозначают римскими цифрами: I, II, III и так далее. Валентность нужна, чтобы определить, сколько атомов одного элемента соединяется с атомами другого при составлении формулы.

Оксид — сложное вещество из двух химических элементов, один из которых — кислород. Например, оксид может состоять из кислорода и металла или из кислорода и неметалла. Понятие помогает отличать оксиды от других сложных веществ, в состав которых входят три и более элемента.

Формула оксида — запись состава вещества символами элементов и индексами, показывающими число атомов каждого элемента. Например, в CO₂ записаны углерод и кислород, а индекс 2 означает два атома кислорода. Формула позволяет кратко передать состав вещества и нужна для записи химических превращений.

Индекс — цифра внизу справа от символа элемента, указывающая число его атомов в формуле. Если цифры нет, это означает, что атом данного элемента один. Индекс 1 не пишут, поэтому запись Na₂O₁ заменяют на Na₂O.

Как это устроено

Валентность показывает, сколько связей может образовать атом, поэтому она помогает подобрать число атомов в формуле. При составлении формулы её рассматривают как постоянную для конкретного элемента в данном соединении. Это не означает, что у элемента всегда одна валентность: в разных соединениях она может отличаться. Поэтому нужно использовать значение, заданное для конкретного вещества.

В оксидах валентность кислорода принимают равной II. Значит, каждый атом кислорода учитывают как способный образовать две связи, и его значение можно сопоставить с валентностью второго элемента. Без этого значения нельзя установить, сколько атомов кислорода нужно записать. Если известна валентность другого элемента, оба числа позволяют найти простейшее соотношение атомов.

Формула должна отражать соотношение атомов, при котором суммарные валентности элементов уравновешиваются. Например, если атом одного элемента имеет валентность III, а кислорода — II, одного атома каждого недостаточно: получились бы разные суммарные значения. Два атома трёхвалентного элемента дают в сумме 6, а три атома кислорода — тоже 6. Поэтому в формуле нужны именно два атома первого элемента и три атома кислорода.

Для составления формулы запишите рядом символы элементов, а над ними укажите валентности. Затем перенесите численные значения валентностей в качестве индексов к противоположным элементам: валентность первого элемента становится индексом второго, и наоборот. Если у получившихся индексов есть общий делитель, разделите их на него. Так записывают не просто возможные количества атомов, а их простейшее целочисленное соотношение.

Если элемент проявляет несколько валентностей, сначала выясните, какая именно дана для составляемого оксида. Её обозначают римской цифрой после названия элемента, например сера(VI): цифра в скобках указывает валентность серы. Это значение используют вместе с валентностью кислорода II, а не выбирают произвольно. Иначе можно получить формулу другого соединения или неверно записать соотношение атомов.

Составление формул оксидов по валентностям

Чтобы пользоваться таблицей, найдите валентность элемента и сравните её с валентностью кислорода II. Проверьте, что индексы получены переносом значений к противоположным символам и при необходимости сокращены. Если атом элемента один, индекс 1 в формуле не ставят.

Разбор задач

Оксид натрия

Задача. Составьте формулу оксида натрия, если валентность натрия равна I. Валентность кислорода в оксидах равна II. Нужно определить, сколько атомов каждого элемента должно быть в формуле, чтобы их суммарные валентности совпали.

1. Записываем символы натрия и кислорода: Na и O.
2. Указываем валентности: у Na — I, у O — II.
3. Переносим числа к противоположным символам: у Na получается индекс 2, у O — индекс 1.
4. Записываем Na₂O₁ и убираем индекс 1, поскольку его в формулах не пишут.

Ответ: Na₂O. Проверка показывает, что два атома натрия с валентностью I соответствуют одному атому кислорода с валентностью II.

Оксид алюминия

Задача. Составьте формулу оксида алюминия, если валентность алюминия равна III. Для решения нужно получить соотношение атомов, при котором суммарные валентности алюминия и кислорода будут равны. После записи формулы обязательно проверьте это равенство.

1. Записываем символы элементов: Al и O.
2. Указываем валентности: Al — III, O — II.
3. Переносим значения валентностей к противоположным элементам: индекс Al равен 2, а индекс O равен 3.
4. Записываем формулу Al₂O₃. Индексы 2 и 3 не имеют общего делителя, поэтому сокращать их не нужно.

Ответ: Al₂O₃. Проверка: два атома алюминия дают суммарную валентность 2 × 3 = 6, а три атома кислорода — 3 × 2 = 6.

Оксид серы(VI)

Задача. Составьте формулу оксида серы(VI) и проверьте, нужно ли сокращать индексы. Обозначение VI указывает, что валентность серы в этом оксиде равна VI. Валентность кислорода, как и в остальных оксидах, равна II.

1. Записываем символы серы и кислорода: S и O.
2. Указываем валентности: S — VI, O — II.
3. Переносим значения в индексы противоположных элементов: получаем S₂O₆.
4. Сокращаем индексы 2 и 6 на общий делитель 2: получаем отношение 1:3. Единицу у серы не записываем.

Ответ: SO₃. Проверка: один атом серы имеет валентность VI, а три атома кислорода вместе дают 3 × II = VI.

Типичные ошибки

Записывают валентность как индекс без перекрёстного переноса. Например, из валентностей Al(III) и O(II) получают ошибочное Al₃O₂. Так происходит, если числа ставят рядом с теми же символами, а не переносят к противоположным. Проверьте направление: валентность алюминия становится индексом кислорода, а валентность кислорода — индексом алюминия.

Не сокращают индексы, хотя это возможно. Например, для серы(VI) сначала получают S₂O₆, но записывают эту формулу без упрощения. Ошибка возникает, когда забывают, что формула должна показывать простейшее соотношение атомов. Проверьте, делятся ли индексы на одно и то же число: здесь оба делятся на 2, поэтому правильная запись — SO₃.

Оставляют индекс 1. Запись Na₂O₁ неверна по принятому способу оформления формул, хотя она и показывает один атом кислорода. Единицу оставляют, если забывают правило о том, что отсутствие индекса уже означает один атом. Проверьте формулу и уберите все индексы 1.

Путают валентность с зарядом. Тогда в формулу оксида ошибочно добавляют знаки «+» или «−», хотя здесь записывают символы элементов и индексы. Путаница появляется, если воспринимать римское число как знак заряда. Проверьте запись: значения валентностей используют при составлении формулы, но знаки зарядов в неё не переносят.

Связь с другими темами

Для составления формул понадобятся знания химических символов элементов и умение отличать простые вещества от сложных. Нужно также уметь читать формулы: индекс показывает число атомов элемента, а его отсутствие означает один атом. Навык составления формул оксидов пригодится при изучении их названий и свойств. Тот же способ рассуждения помогает записывать формулы других сложных веществ, если известны валентности элементов.

Что запомнить

• В оксидах кислород имеет валентность II.
• Валентность элемента указывают римской цифрой.
• Индексы показывают число атомов элементов в формуле.
• Численные значения валентностей переносят в индексы к противоположным элементам.
• Индексы сокращают, если они имеют общий делитель.
• Индекс 1 в формуле не записывают.