§ 16. Валентность. Графические формулы

Определения и обозначения

Валентность — свойство атома присоединять определённое число атомов других элементов. Проще говоря, она показывает, сколько химических связей может образовать один атом. Это понятие нужно, чтобы правильно составлять формулы веществ и понимать их строение.

Графическая формула — изображение состава молекулы, в котором связи между атомами показывают чертами. Символы элементов располагают так, чтобы было видно, какие атомы соединены. Такая запись помогает не только узнать состав, но и представить строение молекулы.

Химическая связь в графической формуле — черта между символами атомов. Одна черта соответствует одной единице валентности каждого соединённого атома. По числу черт можно определить, сколько связей образует данный атом.

Индекс — число внизу справа от символа элемента в химической формуле. Он показывает, сколько атомов этого элемента входит в состав молекулы: например, в H₂O два атома водорода. Если индекс не написан, считают, что атом один.

Как это устроено

Валентность выражает число связей, которые атом образует с другими атомами. Если атом соединён с одним соседом одной чертой, его валентность по этой связи равна единице; две черты означают две единицы валентности. Так можно представить атом как центр, у которого есть определённое число «соединительных мест».

Для составления формул часто используют опорные значения валентностей. Водород обычно одновалентен, поэтому каждый его атом образует одну связь. Кислород обычно двухвалентен и образует две связи, поэтому по нему удобно определять число атомов другого элемента, необходимое для уравновешивания связей.

В графической формуле валентность находят подсчётом черт, связанных с символом атома. Одна черта считается за одну единицу, две черты — за две, а три — за три. Такой подсчёт показывает валентность именно в данном веществе, поскольку некоторые элементы способны иметь разные валентности.

Чтобы составить химическую формулу по валентностям, подбирают соотношение атомов, при котором все связи оказываются учтены. Например, для алюминия с валентностью III и кислорода с валентностью II нужны два атома алюминия и три атома кислорода: 2 · 3 = 3 · 2. Получается Al₂O₃, а индексы показывают найденное соотношение атомов.

Переход от химической формулы к графической выполняют в обратном порядке. Сначала располагают символы атомов, затем соединяют их таким числом черт, которое соответствует валентности каждого атома. После этого проверяют каждый символ: сумма черт у него должна совпадать с его валентностью.

Валентность и её отражение в формуле

Сначала определите, что именно требуется найти: число атомов, число связей или валентность. Затем выберите способ записи и обязательно проверьте, совпадает ли число связей у каждого атома с его валентностью.

Таблица особенно полезна при переходе от одного вида формулы к другому. Индексы показывают состав молекулы, а черты в графической формуле — связи между атомами, поэтому эти обозначения нельзя смешивать.

Разбор задач

1. Графическая формула молекулы водорода H₂

Даны два атома водорода, а водород обычно одновалентен. Нужно соединить атомы так, чтобы каждый получил по одной связи. Поэтому между двумя символами будет только одна черта.

1. Записываем два символа: H и H.
2. Соединяем их одной чертой: H—H.
3. Проверяем: у каждого атома по одной черте, что соответствует валентности I.

Ответ: графическая формула водорода — H—H.

2. Формула соединения алюминия с кислородом

Алюминий трёхвалентен, кислород двухвалентен. В одной части соединения общее число связей алюминия должно равняться общему числу связей кислорода. Поэтому нельзя просто записать индексы 3 и 2 в том же порядке, что и валентности.

1. Берём 2 атома алюминия: 2 · 3 = 6 единиц валентности.
2. Берём 3 атома кислорода: 3 · 2 = 6 единиц валентности.
3. Записываем индексы после символов элементов: Al₂O₃.

Ответ: формула соединения — Al₂O₃. Соотношение 2 : 3 уже является наименьшим целым соотношением.

3. Валентность серы в SO₃

В формуле SO₃ один атом серы соединён с тремя атомами кислорода. Кислород двухвалентен, значит, на три атома кислорода приходится 3 · 2 = 6 единиц валентности. Эти связи должен образовать один атом серы.

1. Находим общее число валентностей кислорода: 3 · II = VI.
2. Делаем вывод: валентность одного атома серы равна VI.
3. Записываем графическую схему как O=S(=O)=O: между серой и каждым кислородом по две черты.
4. Проверяем: у S шесть черт, у каждого O по две.

Ответ: сера в SO₃ шестивалентна; графическая формула — O=S(=O)=O.

Типичные ошибки

Ошибка 1: считать валентность числом атомов. Так происходит из-за смешения индекса и свойства атома: в H₂O два атома водорода, но каждый из них одновалентен. Проверьте себя вопросами: «Сколько атомов?» — это индекс, «Сколько связей у одного атома?» — это валентность.

Ошибка 2: забывать значение черты. Иногда черту воспринимают только как условный соединитель и не учитывают её при подсчёте. Помните, что одна черта равна одной единице валентности. Для проверки пересчитайте черты у каждого символа отдельно.

Ошибка 3: механически переносить валентности в индексы. Ученик может записать для Al(III) и O(II) формулу Al₃O₂, хотя индексы должны уравновешивать суммарные связи. Составьте произведения «число атомов · валентность» и сократите соотношение до наименьших целых чисел.

Ошибка 4: считать валентность постоянной для любого элемента. У некоторых элементов она меняется в разных соединениях, поэтому нельзя переносить знакомое значение без проверки. Определяйте валентность по условию, формуле и известным валентностям других элементов.

Связь с другими темами

До изучения темы нужно знать химические символы и уметь читать формулы веществ. Особенно важно помнить, что индекс показывает число атомов элемента, а отсутствие индекса означает один атом. Без этого легко перепутать состав молекулы с её строением.

Тема опирается на представления о составе молекул и химической связи. Валентность и графические формулы пригодятся при составлении формул веществ, проверке их правильности и дальнейшем изучении строения химических соединений.

Что запомнить

• Валентность показывает, сколько связей образует атом.
• В графической формуле связь изображают чертой.
• Одна черта соответствует одной единице валентности.
• Водород обычно одновалентен, кислород — двухвалентен.
• При составлении формулы учитывают валентности всех атомов.
• Индекс показывает число атомов, а не валентность.