§ 14. Составление формул по валентности

Определения и обозначения

Валентность — свойство атома образовывать определённое число химических связей. Её обозначают римскими цифрами: I, II, III, IV. Валентность нужна, чтобы понять, сколько атомов одного элемента должно соединиться с атомами другого.

Формула вещества — запись его состава с помощью химических символов и индексов. Например, H₂O показывает, что частица воды содержит два атома водорода и один атом кислорода. По формуле можно определить, какие элементы входят в вещество и в каком соотношении.

Индекс — число в нижнем правом углу символа элемента. Он показывает, сколько атомов этого элемента содержится в частице или формульной единице вещества. Индекс 1 обычно не пишут: запись NaCl означает по одному атому натрия и хлора.

Индексы в формуле — наименьшие целые числа, которые показывают соотношение атомов элементов с учётом их валентностей. Именно поэтому индексы нельзя выбирать произвольно или оставлять слишком большими. Их задача — уравнять число связей, образуемых атомами разных элементов.

Как это устроено

Сначала определяют, какие элементы входят в вещество, и выясняют валентность каждого из них. Без этого невозможно понять, сколько атомов одного элемента потребуется для соединения с другим. Например, у алюминия валентность III, а у кислорода — II, поэтому их символы нельзя просто соединить с одинаковыми индексами.

Символы элементов записывают рядом в принятом порядке: обычно первым ставят менее электроотрицательный элемент, а вторым — более электроотрицательный. Над символами временно указывают их валентности. Такая запись помогает не перепутать, какую величину нужно переносить к каждому элементу.

Затем валентности переносят крест-накрест: число над первым символом становится индексом у второго, а число над вторым — индексом у первого. Причина такого действия в том, что общее число связей должно совпасть у обоих элементов. Например, для N(III) и H(I) единица становится индексом азота, а тройка — индексом водорода, поэтому получается NH₃.

После переноса выполняют проверку: индекс умножают на валентность соответствующего элемента. Полученные произведения должны быть одинаковыми, иначе связи уравнены неправильно. Если индексы имеют общий делитель, их сокращают, потому что формула должна выражать простейшее соотношение атомов, а не случайно увеличенное.

Алгоритм составления формул по валентности

Таблицу удобно использовать как короткую инструкцию: переходите к следующей строке только после выполнения предыдущей. В последнем столбце указано, какой результат нужно получить или проверить.

Разбор задач

Соединение азота(III) и водорода(I)

Нужно составить формулу, зная валентность азота III и валентность водорода I. Сначала записываем символы N и H, затем используем перекрёстный перенос. Единица у азота в итоге не записывается, поэтому формула будет короткой.

1. Записываем N и H, над ними указываем III и I.
2. Переносим III к водороду, а I к азоту: получаем NH₃.
3. Проверяем: для азота 1 · III = III, для водорода 3 · I = III.

Ответ: NH₃.

Оксид алюминия

Оксид алюминия состоит из алюминия и кислорода. Валентность алюминия равна III, кислорода — II, поэтому одинаковое число атомов здесь не уравняет их валентности. Перекрёстный перенос сразу даёт взаимно подходящие индексы.

1. Записываем Al и O, над ними ставим III и II.
2. Переносим III к кислороду, а II к алюминию: получаем Al₂O₃.
3. Проверяем: 2 · III = VI и 3 · II = VI. Общего делителя у индексов 2 и 3 нет.

Ответ: Al₂O₃.

Соединение углерода(IV) и кислорода(II)

У углерода валентность IV, у кислорода — II. Перекрёстный перенос даёт C₂O₄, но это ещё не окончательная запись, потому что оба индекса делятся на два. Сокращение нужно для получения простейшей формулы.

1. Записываем C и O, над ними указываем IV и II.
2. Переносим валентности крест-накрест и получаем C₂O₄.
3. Сокращаем оба индекса на 2: выходит CO₂.
4. Проверяем: 1 · IV = IV, 2 · II = IV.

Ответ: CO₂.

Типичные ошибки

Записывают валентность как индекс без перекрёстного переноса. Так бывает, когда ученик считает, что каждому элементу подходит его собственная валентность. Проверьте себя: индекс должен стоять у другого символа, а произведения индекса и валентности должны совпадать.

Оставляют индексы с общим делителем. Например, запись C₂O₄ содержит правильное соотношение, но его можно уменьшить в два раза. Найдите общий делитель индексов и сократите их, чтобы получить простейшую формулу.

Относят индекс к предыдущему символу. На самом деле индекс относится к символу, рядом с которым он написан справа внизу: в H₂O двойка относится к H. При проверке прочитайте формулу слева направо и назовите число атомов каждого элемента.

Ставят индекс 1. Единицу иногда записывают по аналогии с другими индексами, но в формулах она не нужна. Если после переноса получился индекс I, просто не пишите его и убедитесь, что символ элемента остался без числа.

Связь с другими темами

Для составления формул нужно знать химические символы элементов, различать атомы и молекулы и понимать смысл индексов. Эти знания позволяют правильно прочитать формулу ещё до выполнения расчётов. Без них легко перепутать состав частицы и порядок записи элементов.

Навык составления формул понадобится при изучении классов неорганических веществ и названий соединений. Он также нужен для расчётов по химическим формулам, например при определении массовых долей элементов. Поэтому проверка валентностей становится основой дальнейшей работы с веществами.

Что запомнить

• Валентность обозначают римскими цифрами.
• Индекс показывает число атомов элемента в формуле.
• Валентности элементов переносят крест-накрест в индексы.
• Индексы 1 в формулах не пишут.
• Общий делитель индексов сокращают.
• Проверка формулы: произведения валентности на индекс у элементов равны.