§ 10. Валентность

Определения и обозначения

Валентность — способность атома образовывать определённое число химических связей с другими атомами. Проще говоря, она показывает, сколько связей может приходиться на один атом элемента. Это понятие помогает сравнивать атомы и составлять формулы веществ.

Единица валентности — валентность атома водорода, с которой сравнивают валентности других элементов. Водород считают одновалентным, поэтому его обозначают I. Такой эталон позволяет договориться об общей шкале для элементов.

Структурная формула — запись состава вещества, показывающая связи между атомами черточками. Одна черточка означает одну связь, а число черточек, проведённых к атому, помогает определить его валентность. Такая запись наглядно показывает, как атомы соединены.

Постоянная и переменная валентность — способность элемента проявлять одну или несколько валентностей в разных соединениях. Если валентность постоянная, при составлении формулы для этого элемента используют одно значение. Переменная валентность требует учитывать, какое именно соединение рассматривается.

Как это устроено

Валентность связывают с числом связей, потому что химическое соединение возникает при соединении атомов друг с другом. Каждая связь соединяет атомы, а способность атома образовать определённое число таких связей ограничена его строением. Поэтому валентность можно представить как число «соединений», которые атом устанавливает с соседями.

В структурной формуле валентность определяют, считая черточки, связанные с символом атома. Например, в H—Cl атом водорода образует одну связь, значит, он одновалентен; связь с ним позволяет заключить, что хлор здесь тоже одновалентен. Если между атомами две черточки, это две связи, а не два атома.

Водород выбрали единицей сравнения, потому что его валентность принимают равной I. Тогда валентность другого атома можно выразить числом связей, которые он образует с одновалентными атомами. Например, один атом кислорода соединяется с двумя атомами водорода в H₂O, поэтому валентность кислорода равна II.

Валентность записывают римской цифрой над символом элемента: например, над O ставят II, если речь идёт о его двух связях. Это условное обозначение не является частью химической формулы вещества. Оно не должно выглядеть как индекс: индекс пишут внизу справа от символа и используют для обозначения числа атомов.

Для формулы бинарного соединения сначала записывают валентности элементов, а затем подбирают числа атомов так, чтобы общее число связей каждого элемента совпало. Находят наименьшее общее кратное валентностей, делят его на валентность каждого элемента и получают соответствующие индексы. Если индексы имеют общий делитель, их делят на него оба: так формула приобретает простейший вид.

Валентности распространённых химических элементов

Таблица помогает быстро вспомнить типичную валентность элемента и выбрать её для решения задачи. У железа и меди указаны два значения: перед составлением формулы нужно выяснить, какое из них требуется. Пример в последнем столбце позволяет проверить, как выбранные валентности отражены в формуле.

Разбор задач

Задача 1. Определите валентность хлора в HCl и магния в MgCl₂, если водород одновалентен.

1. В HCl один атом водорода с валентностью I образует одну связь. На один атом хлора приходится такое же число связей, поэтому валентность хлора равна I.

2. В MgCl₂ два атома хлора, каждый с валентностью I, вместе образуют две связи. Эти связи приходятся на один атом магния, значит, валентность магния равна II.

Ответ: в HCl хлор имеет валентность I, в MgCl₂ магний — II. Проверка: с двух сторон в каждом соединении получается одинаковое общее число связей.

Задача 2. Составьте формулы соединений алюминия с кислородом, магния с хлором и кальция с серой. Используйте валентности Al(III), O(II), Mg(II), Cl(I), Ca(II), S(II).

1. Для алюминия и кислорода НОК чисел 3 и 2 равен 6. Делим 6 на каждую валентность: получаем индексы Al — 2 и O — 3, то есть Al₂O₃.

2. Для магния и хлора НОК чисел 2 и 1 равен 2. Индексы равны 1 и 2, поэтому единицу не записываем и получаем MgCl₂.

3. У кальция и серы валентности равны II. НОК равен 2, оба индекса равны 1, поэтому формула — CaS. Сокращать здесь нечего.

Ответ: Al₂O₃, MgCl₂, CaS. В каждой формуле общее число связей атомов одного элемента равно общему числу связей атомов другого.

Задача 3. Определите валентность железа в FeO и Fe₂O₃, затем составьте формулы оксидов железа(II) и железа(III).

1. В FeO один атом кислорода с валентностью II образует две связи. Они приходятся на один атом железа, поэтому валентность железа в FeO равна II.

2. В Fe₂O₃ три атома кислорода дают 3 × 2 = 6 связей. На два атома железа эти связи распределяются поровну: 6 ÷ 2 = 3, значит, каждый атом железа имеет валентность III.

3. Для оксида железа(II) сочетание Fe(II) и O(II) даёт индексы 1:1, то есть FeO. Для оксида железа(III) НОК валентностей 3 и 2 равен 6; индексы — 2 и 3, формула Fe₂O₃.

Ответ: валентность железа в FeO — II, в Fe₂O₃ — III; формулы оксидов — FeO и Fe₂O₃. Подсчёт связей подтверждает обе формулы.

Типичные ошибки

Валентность путают с индексом, потому что оба понятия связаны с числами в записи вещества. Но индекс показывает число атомов, а валентность — число связей одного атома. Проверяйте, где стоит цифра: индекс пишется внизу справа, а валентность обозначают римской цифрой над символом.

Иногда валентность записывают арабской цифрой внизу формулы, как индекс. Так теряется различие между свойством атома и составом вещества. Чтобы проверить запись, отдельно укажите валентности над символами, а индексы оставьте внизу и используйте только для количества атомов.

Механический перенос валентностей крест-накрест не гарантирует правильную формулу: полученные индексы могут нуждаться в сокращении. Приём лишь помогает подобрать числа, но не заменяет проверку. Умножьте каждый индекс на валентность соответствующего элемента и убедитесь, что результаты равны.

Ещё одна ошибка — не сокращать индексы или сокращать только один из них. В формуле они должны быть наименьшими целыми числами, а менять один индекс отдельно нельзя: соотношение атомов нарушится. Найдите общий делитель индексов и, если он есть, разделите на него оба числа.

Связь с другими темами

Для работы с валентностью нужно знать символы элементов, понимать составление формул и уметь читать индексы. Эти навыки помогают определить, сколько атомов каждого элемента входит в вещество. Позже валентность пригодится при составлении формул оксидов, оснований, кислот и солей.

Тема также подготавливает к изучению степеней окисления — другого способа описывать поведение атомов в соединениях. Не следует считать валентность и степень окисления одним и тем же понятием: у них разные правила определения и обозначения. Умение составлять формулы по валентностям пригодится и при работе с химическими реакциями.

Что запомнить

• Валентность показывает число химических связей атома.
• Эталоном для сравнения валентностей служит одновалентный водород.
• Валентность обозначают римской цифрой.
• В формуле бинарного соединения общее число связей атомов одного элемента должно соответствовать общему числу связей атомов другого.
• Индексы в формуле должны быть наименьшими целыми числами.
• Некоторые элементы имеют постоянную, а некоторые — переменную валентность.