"Химия", Рудзитис Г.Е., Фельдман Ф.Г.
Валентность помогает определить, сколько атомов одного элемента соединяется с атомами другого, и на этой основе составить формулу вещества. Чтобы формула была правильной, общий вклад валентностей обоих элементов должен совпадать. Значения валентностей превращают в индексы, при необходимости сокращают, а единицу не записывают. Если в формуле повторяется сложная группа атомов, её заключают в скобки. Такой способ позволяет записывать состав бинарных соединений и некоторых веществ со сложными группами.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Валентность — способность атома соединяться с определённым числом атомов других элементов; её обозначают римской цифрой. Например, II показывает, что атом образует две связи в принятой модели вещества. Валентность нужна, чтобы подобрать соотношение атомов при составлении формулы. У разных элементов она может быть разной.
Химическая формула — условная запись состава вещества с помощью символов элементов и индексов. В ней сначала указывают символы элементов, а затем — сколько их атомов входит в формульную единицу. Формула позволяет кратко представить состав вещества. По ней можно определить, какие элементы входят в вещество и в каком соотношении.
Индекс — цифра справа внизу от символа элемента, показывающая число его атомов в формульной единице. Например, в H₂O индекс 2 относится только к H, а у O индекс не указан, значит, атом кислорода один. Индексы нужны, чтобы показать найденное соотношение атомов. Если атом один, индекс 1 не пишут.
Коэффициент — число перед формулой, показывающее количество частиц вещества; его не используют для определения состава одной частицы. Например, в записи 3H₂O число 3 относится к трём частицам воды, а индекс 2 по-прежнему показывает два атома водорода в каждой частице. Коэффициент используют, когда говорят о нескольких частицах или уравнивают реакцию. Не путайте его с индексом внутри формулы.
При составлении формулы учитывают валентности обоих элементов, потому что атомы соединяются не произвольно: каждый вносит свой вклад в общее число связей. В соединении двух элементов эти вклады должны уравновешиваться. Если это условие не выполнить, запись покажет неверное соотношение атомов. Поэтому после подбора индексов обязательно проверяют равенство произведений индекса на валентность.
Чтобы найти индексы, можно определить наименьшее общее кратное валентностей. Затем это число делят на валентность каждого элемента: полученные частные и будут индексами. Например, для валентностей III и II наименьшее общее кратное равно 6, поэтому индексы — 2 и 3. Тот же результат быстрее получают переносом значений крест-накрест: валентность одного элемента становится индексом другого.
Индекс одного элемента становится показателем валентности другого, потому что так уравниваются суммарные вклады атомов. При валентностях II и II перенос крест-накрест сначала даёт 2 и 2. Но это отношение можно уменьшить вдвое, ведь 1:1 сохраняет равенство вкладов. Поэтому индексы сокращают до наименьших целых чисел, а не оставляют общие множители.
Записывая формулу, сначала ставят символ более электроположительного элемента, то есть элемента, который легче отдаёт электроны, затем — символ второго элемента. После этого определяют индексы по валентностям и переносят их к нужным символам. Если индекс равен единице, его опускают. Такой порядок помогает не перепутать, к какому символу относится каждый индекс.
Готовую формулу проверяют, умножая число атомов каждого элемента на его валентность. Для бинарного соединения произведения должны быть равны: это означает, что вклады обоих элементов уравновешены. Например, в Al₂O₃ получаем 2 · III и 3 · II, то есть по 6. Если результаты различаются, значит, индексы выбраны или записаны неверно.
| Сочетание валентностей | Общий вид формулы | Пример | Что проверить |
|---|---|---|---|
| I и I — индексы не ставятся | AB | NaCl | Соотношение атомов 1:1 |
| II и I — индекс 2 ставится у элемента с валентностью I | AB₂ | MgCl₂ | II = 2 · I |
| III и I — индекс 3 ставится у элемента с валентностью I | AB₃ | AlCl₃ | III = 3 · I |
| II и II — индексы сокращаются до соотношения 1:1 | AB | MgO | II = II |
| III и II — индексы 2 и 3 переходят крест-накрест | A₂B₃ | Al₂O₃ | 2 · III = 3 · II |
| III и III — индексы сокращаются до соотношения 1:1 | AB | AlN | III = III |
В таблице A обозначает элемент с первой указанной валентностью, B — со второй. Найдите сочетание валентностей, затем перенесите их в индексы крест-накрест и сократите, если у индексов есть общий делитель. После этого сверьте произведения индексов на валентности.
Задача 1. Составьте формулу оксида магния, если магний имеет валентность II, а кислород — II. Обозначим символы элементов Mg и O и поставим над ними заданные валентности. Равные валентности дают одинаковый вклад при равном числе атомов. Поэтому искомое соотношение — один атом магния к одному атому кислорода.
Ответ: формула оксида магния — MgO. Запись Mg₂O₂ передавала бы то же соотношение, но индексы в ней не сокращены. В химической формуле используют наименьшие целые индексы. Поэтому MgO — правильная запись.
Задача 2. Составьте формулу оксида алюминия, если алюминий имеет валентность III, а кислород — II. Здесь валентности различаются, поэтому одному атому каждого элемента не хватит для уравновешивания вкладов. Нужно найти такое число атомов, чтобы произведения их количества на валентность совпали. Перенос крест-накрест сразу подсказывает нужное соотношение.
Ответ: формула оксида алюминия — Al₂O₃. Два атома алюминия дают общий вклад 6, и три атома кислорода тоже дают вклад 6. Равенство подтверждает правильность формулы. Индексы здесь уже наименьшие целые числа.
Задача 3. Составьте формулу фосфата кальция, если кальций имеет валентность II, а фосфатная группа — III. Фосфатная группа PO₄ рассматривается как единое целое с валентностью III: её внутренний состав при составлении формулы не меняют. Так как валентности различны, для их уравновешивания нужны три атома кальция и две фосфатные группы. Повторяющуюся группу следует выделить скобками.
Ответ: формула фосфата кальция — Ca₃(PO₄)₂. Индекс 2 за скобками показывает, что группа PO₄ встречается дважды. Скобки помогают отличить число групп от числа атомов внутри одной группы. Проверка подтверждает равенство вкладов.
Первая ошибка — записывать валентности как индексы под теми же символами, не переставляя их и не проверяя формулу. Так поступают, когда механически копируют числа, не замечая, что индексы должны уравновесить валентности. Для валентностей III и II неверно было бы взять индексы 3 и 2 у тех же элементов. Проверьте произведения: правильный вариант даёт 2 · III = 3 · II.
Вторая ошибка — оставить Mg₂O₂ вместо MgO. Она возникает, если применить перенос крест-накрест, но забыть, что полученные индексы иногда можно сократить. Разделите оба числа на их общий делитель и запишите наименьшее соотношение. Если формулу можно упростить, значит, индексы ещё не приведены к наименьшим целым числам.
Третья ошибка — ставить индекс 1, например писать Mg₁O₁. Обычно так происходит, когда ученик пытается показать число каждого атома явно. В химической записи единичный индекс опускают, потому что отсутствие индекса уже означает один атом. Проверьте формулу: если индекс равен 1, удалите его, не меняя смысла записи.
Четвёртая ошибка — забывать скобки у сложной группы и записывать Ca₃PO₄₂ вместо Ca₃(PO₄)₂. Без скобок индекс 2 относится только к O, а не ко всей группе PO₄, поэтому состав прочитается иначе. Скобки нужны, если сложная группа повторяется целиком. При проверке убедитесь, что внешний индекс умножает число атомов каждого элемента внутри группы.
Для составления формул нужны знакомство с химическими символами, названиями простых и сложных веществ, понятием валентности и правилами чтения индексов. Эти знания позволяют понять, какие частицы и в каком количестве обозначены записью. Формулы, составленные по валентности, пригодятся при составлении уравнений реакций и вычислении относительной молекулярной массы. Этот способ также связан с изучением формул оснований, кислот и солей.
Почему индексы нельзя просто записать такими же, как валентности?
Индексы показывают число атомов, а не сами валентности. Их подбирают так, чтобы суммарный вклад валентностей каждого элемента был одинаковым. Например, для валентностей III и II нужны индексы 2 и 3.
Когда индексы, полученные крест-накрест, нужно сокращать?
Их сокращают, если оба индекса можно разделить на одно и то же число без остатка. Например, при валентностях II и II после переноса получаются 2 и 2, поэтому оба индекса заменяют на 1. В формуле единицу не пишут.
Почему в формуле не пишут индекс 1?
Отсутствие индекса означает, что атом элемента в формульной единице один. Поэтому запись MgO уже показывает по одному атому магния и кислорода. Индекс 1 был бы лишним.
Как составить формулу, если один из составных элементов — сложная группа атомов?
Сложную группу рассматривают как единое целое и используют её валентность при подборе индексов. Если таких групп нужно несколько, всю группу заключают в скобки, а снаружи ставят индекс. Например, формула фосфата кальция — Ca₃(PO₄)₂.
Как проверить, что составленная формула правильная?
Умножьте индекс каждого элемента на его валентность и сравните полученные значения. Для бинарного соединения они должны быть равны. В формуле Al₂O₃ проверка выглядит так: 2 · III = 3 · II.
§ 17. Составление химических формул по валентности
