§ 13. Валентность химических элементов

Определения и обозначения

Валентность — способность атома химического элемента соединяться с определённым числом атомов других элементов. Её смысл удобно понимать через число связей: если атом образует три связи, его валентность равна III. Это понятие помогает описывать состав соединений и составлять их формулы.

Единицей валентности служит валентность атома водорода, которую принимают за I. Один атом водорода образует одну связь, поэтому с ним удобно сравнивать другие атомы. Например, если один атом элемента соединён с двумя атомами водорода, его валентность в этом соединении равна II.

Постоянная валентность — валентность, одинаковая в соединениях данного элемента. Например, водород обычно имеет валентность I, кислород — II, натрий и калий — I, магний и кальций — II. Зная постоянную валентность, проще находить состав соединения, не определяя её заново для каждого вещества.

Переменная валентность — способность элемента проявлять разные валентности в разных соединениях. Железо, например, бывает двухвалентным и трёхвалентным, а сера — двух-, четырёх- и шестивалентной. Поэтому для такого элемента нужно выяснить, какое соединение рассматривается, и только затем указывать его валентность.

Как это устроено

Валентность связана с числом связей, которые образует атом: чем больше связей, тем выше его валентность. В структурной формуле связь изображают чертой между символами элементов. Каждая такая черта считается одной единицей валентности, поэтому число черт, соединяющих атом с другими атомами, показывает его валентность в этой схеме.

В соединении с водородом валентность другого элемента можно определить по числу атомов водорода, присоединённых к одному его атому. Причина проста: каждый водород образует одну связь, то есть даёт одну единицу валентности. Например, в молекуле NH₃ один атом азота соединён с тремя атомами водорода, значит, валентность азота здесь III.

Для соединений с кислородом используют тот же подход, но учитывают, что кислород обычно имеет валентность II. Это значит, что каждый атом кислорода даёт две единицы валентности, а не одну. В формуле SO₂ два атома кислорода дают вместе четыре единицы, поэтому валентность одного атома серы в этом соединении равна IV.

В бинарном соединении, то есть веществе из двух химических элементов, суммарные валентности атомов должны уравновешиваться. Сначала валентность каждого элемента умножают на число его атомов, заданное индексом, а затем сравнивают полученные суммы. Например, в Fe₂O₃ три атома кислорода имеют суммарную валентность 3 · II = VI; на два атома железа вместе также приходится VI, значит, на один атом железа — III.

Чтобы записать формулу по известным валентностям, подбирают число атомов каждого элемента так, чтобы общие суммы валентностей совпали. Удобный способ — поставить валентность одного элемента индексом у другого и наоборот, а затем проверить результат. Если индексы можно разделить на одно и то же число, их сокращают: формула должна показывать наименьшее целое соотношение атомов.

Валентности некоторых химических элементов

Таблица показывает распространённые валентности элементов и примеры веществ, где их можно увидеть. Запись II или III означает число единиц валентности, а несколько значений у одного элемента указывают на переменную валентность. При работе с конкретной формулой сверяйся с нужным элементом и учитывай, что таблица не заменяет проверку суммарных валентностей.

Разбор задач

Задача 1. Определите валентность серы в формуле H₂S.

1. Валентность водорода равна I, а индекс 2 показывает, что в формуле два атома водорода.
2. Два атома водорода вместе дают две единицы валентности: 2 · I = II.
3. В соединении с одним атомом серы эти единицы приходятся на серу, значит, её валентность равна II.

Ответ: валентность серы в H₂S — II. Здесь важно учитывать оба атома водорода, а не только значение валентности одного атома.

Задача 2. Составьте формулу соединения магния с хлором, если валентность магния II, а хлора I.

1. Обозначьте состав будущей формулы: MgₓClᵧ, где x и y — числа атомов.
2. Один атом магния даёт две единицы валентности, поэтому для равновесия нужны два атома хлора с валентностью I каждый.
3. Запишите символы с найденными индексами. Индекс 1 не ставят, поэтому формула имеет вид MgCl₂.
4. Проверьте результат: у магния суммарная валентность II, у двух атомов хлора — 2 · I = II.

Ответ: формула соединения — MgCl₂. Равенство суммарных валентностей подтверждает, что индексы подобраны правильно.

Задача 3. Определите валентность железа в Fe₂O₃ и составьте формулу оксида железа, в котором железо имеет валентность II.

1. В Fe₂O₃ три атома кислорода, каждый с валентностью II: вместе они дают 3 · II = VI.
2. Эти шесть единиц валентности приходятся на два атома железа, значит, одному атому железа соответствует VI : 2 = III.
3. Для нового оксида возьмите валентность железа II и кислорода II. По одной паре атомов валентности уже уравновешиваются.
4. Запишите FeO и проверьте: один атом железа даёт II, один атом кислорода — II; индексы сокращать не нужно.

Ответ: в Fe₂O₃ железо имеет валентность III, а формула оксида железа(II) — FeO.

Типичные ошибки

Ошибка: считать валентность числом атомов элемента в формуле. Индекс показывает, сколько атомов содержится в частице вещества, а валентность — сколько связей образует один атом. Путаница возникает потому, что оба значения описываются числами. Проверь себя: сначала прочитай индекс, затем отдельно посчитай суммарную валентность группы атомов.

Ошибка: не учитывать индекс при определении валентности. Например, в Fe₂O₃ кислородных атомов три, и каждый даёт по две единицы, поэтому их общий вклад равен шести. Часто ученик смотрит только на валентность одного атома кислорода. Проверка — умножить валентность на число атомов каждого элемента.

Ошибка: переносить валентность элемента из одного вещества на все его соединения. Так поступают, если запоминают одно знакомое значение и забывают о переменной валентности. Железо, например, встречается с валентностями II и III. Сверься с формулой конкретного вещества и уравняй суммарные валентности, прежде чем делать вывод.

Ошибка: записывать индексы без проверки или не сокращать их. В результате формула может не соответствовать нужному соотношению атомов или содержать не самые маленькие числа. После записи умножь каждый индекс на валентность элемента и сравни суммы. Если индексы делятся на одно число, сократи их, сохранив равенство валентностей.

Связь с другими темами

Перед изучением валентности нужно уметь читать химические формулы: символы обозначают элементы, а индексы показывают число их атомов. Это знание помогает не смешивать число атомов с числом связей и правильно учитывать вклад каждого элемента. Без него нельзя надёжно проверить состав соединения.

Валентность используют, когда составляют и проверяют химические формулы. Она помогает разбираться в формулах оксидов, кислот, оснований и солей, а позднее — точнее записывать вещества в химических уравнениях. Умение учитывать индексы и соотношения атомов пригодится и при дальнейших расчётах по формулам.

Что запомнить

• Валентность показывает, сколько связей образует атом элемента.
• Валентность водорода принимают за I.
• Валентность кислорода в большинстве изучаемых соединений равна II.
• У одних элементов валентность постоянная, у других — переменная.
• В бинарном соединении суммарные валентности атомов обоих элементов уравновешиваются.
• Индексы в формуле записывают в наименьшем целочисленном соотношении.