Валентность

Вода в стакане имеет формулу $H_2O$. Понять, почему в ее молекуле с одним атомом кислорода соединены именно два атома водорода, помогает валентность.

Вы уже умеете читать химические формулы: символы обозначают элементы, а индексы показывают состав вещества. Теперь научимся объяснять соотношение атомов, составлять простейшие формулы по заданным валентностям и определять валентность по готовой формуле. Затем свяжем формулу с названием вещества и применим эти знания к углекислому газу из газированного напитка.

Почему состав воды остается одинаковым

Представьте два образца химически чистой воды. Один получили при таянии льда, другой — при охлаждении водяного пара. В обоих случаях вещество имеет формулу $H_2O$.

Способ получения воды может различаться, но состав ее молекул остается одинаковым: два атома водорода и один атом кислорода. При переходе между льдом, жидкой водой и паром этот состав также сохраняется.

Этот закон сформулировал химик Жозеф Луи Пруст. Он помогает понять, почему формула описывает определенный состав вещества, а индексы в ней нельзя менять произвольно.

{"questions":[{"instruction":"Один образец химически чистого углекислого газа $CO_2$ получили при сжигании углерода, другой — при взаимодействии мела с кислотой. Какой вывод о составе их молекул верен?","content":"[[choice-1]]","widgets":{"choice-1":{"type":"choice","options":["В обоих образцах молекулы содержат один атом углерода и два атома кислорода.","В газе, полученном из мела, каждая молекула содержит атом кальция.","В газе, полученном при сжигании углерода, каждая молекула содержит больше атомов углерода.","В каждом образце состав молекул зависит от способа получения газа."],"answer":[0]}},"explanation":"Согласно закону постоянства состава, состав чистого вещества молекулярного строения не зависит от способа его получения. В обоих образцах углекислого газа каждая молекула содержит один атом углерода и два атома кислорода.","hints":["В условии рассматривается одно и то же чистое вещество, полученное разными способами.","Вспомните, зависит ли состав чистого вещества молекулярного строения от способа его получения."]}]}

Валентность: как атомы соединяются друг с другом

При сборке модели из деталей конструктора нужно учитывать места соединения. Если у одной детали есть два места для присоединения, а у другой — одно, это влияет на число деталей в сборке.

В моделях молекул похожую роль играют соединения между шариками, изображающими атомы. В модели воды к одному атому кислорода присоединяют два атома водорода. У настоящих атомов нет отверстий или креплений: их удерживает химическая связь — взаимодействие, соединяющее атомы в веществе.

За единицу валентности принимают валентность водорода. Атом водорода образует одну связь и имеет валентность I — он одновалентен.

В молекуле воды $H_2O$ с одним атомом кислорода связаны два одновалентных атома водорода. Поэтому кислород двухвалентен: его валентность равна II.

Тот же подход можно применить к другим веществам.

Валентность принято обозначать римскими цифрами:

Римская цифра показывает валентность, а индекс в формуле — число атомов. Например, у кислорода в воде валентность II, хотя атом кислорода в молекуле один. Поэтому индекс после символа $O$ не пишут.

Теперь определим валентность по числу связанных атомов водорода в другом соединении.

{"questions":[{"instruction":"В молекуле сероводорода $H_2S$ с одним атомом серы $S$ связаны два атома водорода. Каждый атом водорода одновалентен. Какова валентность серы в этом соединении?","content":"[[choice-1]]","widgets":{"choice-1":{"type":"choice","options":["I","II","III","IV"],"answer":[1]}},"explanation":"С атомом серы связаны два одновалентных атома водорода, поэтому сера в $H_2S$ двухвалентна. Ее валентность равна II.","hints":["Валентность можно определить по числу одновалентных атомов водорода, связанных с данным атомом.","Посчитайте атомы водорода, связанные с одним атомом серы, и запишите соответствующее значение римской цифрой."]}]}

Как увидеть связи в структурной формуле

Водород есть не в каждом соединении. Для определения валентности можно использовать и запись, которая показывает связи между атомами.

Обычные химические формулы — например, $HCl$, $H_2O$, $NH_3$, $CH_4$ — показывают состав молекулы. Структурные формулы показывают также, какие атомы связаны друг с другом.

Каждую единицу связи изображают чертой — валентным штрихом. В простых структурных формулах значение валентности определяют по общему числу штрихов у символа атома.

Например, структурную формулу водорода $H_2$ можно записать как: $$H-H$$ У каждого атома водорода один штрих.

Для воды условная схема связей имеет вид: $$H-O-H$$ У каждого атома водорода один штрих, у кислорода — два. Эта запись передает соединение атомов; геометрическую форму молекулы воды она не изображает.

Между двумя атомами может быть больше одного валентного штриха. Например, структурная формула углекислого газа имеет вид:

$$O=C=O$$

Знак равенства в этой записи изображает двойную связь: два валентных штриха между атомами. У каждого атома кислорода два штриха, поэтому кислород двухвалентен.

Применим тот же способ подсчета к атому углерода.

{"questions":[{"instruction":"Рассмотрите структурную формулу углекислого газа $$O=C=O$$ Какова валентность углерода в этой молекуле?","content":"[[choice-1]]","widgets":{"choice-1":{"type":"choice","options":["I","II","IV","III"],"answer":[2]}},"explanation":"У атома углерода две двойные связи. Общее число валентных штрихов равно $2+2=4$, поэтому валентность углерода в $CO_2$ равна IV.","hints":["Рассмотрите связи углерода и слева, и справа. Каждая двойная связь содержит два штриха.","Сложите число штрихов между углеродом и каждым из двух атомов кислорода."]}]}

Постоянная и переменная валентность

Мы определяли валентность атома в конкретном соединении. Возникает следующий вопрос: будет ли у этого элемента то же значение в другом веществе?

У некоторых элементов в изучаемых соединениях валентность сохраняет одно значение. Например, у водорода — I, у кислорода — II. Такую валентность называют постоянной.

Другие элементы в разных соединениях проявляют разные значения. Например, медь $Cu$ может иметь валентность I или II, железо $Fe$ — II или III. Это переменная валентность.

Если элемент имеет переменную валентность, для составления формулы нужно знать, какое значение используется в данном соединении.

В задачах этого урока используем следующие постоянные значения:

У элементов с переменной валентностью значение зависит от соединения:

Пользуйтесь справкой при решении заданий. Если валентность дана в условии, применяйте именно это значение для рассматриваемого соединения.

Проверим, как различаются постоянная и переменная валентность.

{"questions":[{"instruction":"Распределите элементы в группы","content":"[[grouper-1]]","widgets":{"grouper-1":{"type":"grouper","labels":["С постоянной валентностью","С переменной валентностью"],"items":[["Водород $H$","Кислород $O$","Кальций $Ca$"],["Железо $Fe$","Медь $Cu$","Фосфор $P$"]]}},"explanation":"В группу «С постоянной валентностью» входят водород $H$, кислород $O$ и кальций $Ca$: в справке для них дано по одному значению. В группу «С переменной валентностью» входят железо $Fe$, медь $Cu$ и фосфор $P$: они проявляют разные значения в разных соединениях.","hints":["Посмотрите, сколько значений валентности приведено для каждого элемента.","Одно используемое значение соответствует постоянной валентности; несколько значений — переменной."]}]}

Как валентность помогает найти индексы

Зная валентности, можно подобрать соотношение атомов в формуле. Начнем с веществ, в состав которых входят два химических элемента.

Вода $H_2O$ содержит три атома в молекуле, но только два элемента — водород и кислород. Углекислый газ $CO_2$ тоже состоит из двух элементов — углерода и кислорода.

Число атомов при этом может быть разным. Например, аммиак $NH_3$ также является бинарным соединением: в нем есть азот и водород. Поваренная соль $NaCl$ состоит из натрия и хлора и тоже относится к бинарным соединениям.

Прежде чем перейти к расчетам, определим, какие вещества являются бинарными соединениями.

{"questions":[{"content":"[[grouper-1]]","widgets":{"grouper-1":{"type":"grouper","labels":["Бинарные соединения","Небинарные соединения"],"items":[["Оксид кальция $CaO$","Оксид меди(II) $CuO$","Хлороводород $HCl$"],["Серная кислота $H_2SO_4$","Гидроксид натрия $NaOH$","Карбонат кальция $CaCO_3$"]]}},"explanation":"В бинарных соединениях представлены два химических элемента: в $CaO$ — кальций и кислород, в $CuO$ — медь и кислород, в $HCl$ — водород и хлор. В каждом из остальных соединений представлены три элемента: в $H_2SO_4$ — водород, сера и кислород; в $NaOH$ — натрий, кислород и водород; в $CaCO_3$ — кальций, углерод и кислород. Поэтому эти соединения относятся к небинарным.","hints":["Считайте разные химические элементы, а не общее число атомов.","Индексы показывают число атомов, но не увеличивают число разных элементов."]}]}

Вернемся к воде $H_2O$. Один атом кислорода двухвалентен, каждый атом водорода одновалентен. В молекуле два атома водорода и один атом кислорода, поэтому произведения числа атомов на их валентность равны:

$$2\cdot1=1\cdot2$$

Такую проверку будем использовать и для других соединений этого урока. Число атомов первого элемента, умноженное на его валентность, должно равняться числу атомов второго элемента, умноженному на его валентность.

Чтобы подобрать наименьшие целые индексы, найдем число, которое делится на оба значения валентности. Наименьшее из таких положительных целых чисел называют наименьшим общим кратным, или НОК.

Составим формулу соединения по валентности

Составим формулу соединения кальция $Ca$ с хлором $Cl$. Валентность кальция равна II, хлора в этом соединении — I.

Сначала запишем символы в заданном порядке и укажем над ними валентности:

$$\overset{II}{Ca}\quad\overset{I}{Cl}$$

НОК чисел $2$ и $1$ равен $2$. Разделим его на валентность каждого элемента: так получим индексы:

• для кальция: $2:2=1$

• для хлора: $2:1=2$

Индекс $1$ не записывают. Получается формула:

$$CaCl_2$$

Проверим соотношение: $1\cdot2=2\cdot1$. Произведения равны, поэтому индексы согласуются с заданными валентностями.

Мы разобрали соединение двухвалентного кальция с одновалентным хлором. Теперь примените тот же алгоритм к магнию.

{"questions":[{"instruction":"Составьте простейшую формулу соединения магния $Mg$ с хлором $Cl$. Валентность магния равна II, хлора — I. Символ магния запишите первым. Выберите верную формулу.","content":"[[choice-1]]","widgets":{"choice-1":{"type":"choice","options":["$MgCl$","$Mg_2Cl$","$Mg_2Cl_2$","$MgCl_2$"],"answer":[3]}},"explanation":"НОК чисел $2$ и $1$ равен $2$. Индекс магния равен $2:2=1$, индекс хлора — $2:1=2$. Простейшая формула — $MgCl_2$. Проверка: $1\\cdot2=2\\cdot1$.","hints":["Найдите НОК числовых значений валентностей магния и хлора.","Разделите НОК на валентность каждого элемента. Полученные числа станут индексами; индекс $1$ не записывается."]}]}

Если обе валентности больше единицы

Алгоритм работает и тогда, когда оба элемента имеют валентность больше единицы. Разберем соединение алюминия $Al$ с кислородом $O$ — оксид алюминия.

Валентность алюминия равна III, кислорода — II:

$$\overset{III}{Al}\quad\overset{II}{O}$$

НОК чисел $3$ и $2$ равен $6$. Найдем индексы.

• для алюминия: $6:3=2$

• для кислорода: $6:2=3$

Получаем формулу:

$$Al_2O_3$$

Проверим: $2\cdot3=3\cdot2=6$. На два атома алюминия приходится три атома кислорода.

Теперь составим формулу другого оксида с такими же значениями валентностей.

{"questions":[{"instruction":"Составьте простейшую формулу оксида железа, если валентность железа $Fe$ равна III, кислорода $O$ — II. Символ железа запишите первым. Выберите верную формулу.","content":"[[choice-1]]","widgets":{"choice-1":{"type":"choice","options":["$Fe_3O_2$","$Fe_2O_3$","$FeO$","$Fe_3O_3$"],"answer":[1]}},"explanation":"НОК чисел $3$ и $2$ равен $6$. Индекс железа равен $6:3=2$, индекс кислорода — $6:2=3$. Простейшая формула — $Fe_2O_3$. Проверка: $2\\cdot3=3\\cdot2$.","hints":["Найдите наименьшее общее кратное чисел $3$ и $2$.","Разделите найденное число на $3$, чтобы получить индекс железа, и на $2$, чтобы получить индекс кислорода."]}]}

Если валентности одинаковы

Рассмотрим соединение меди $Cu$ с кислородом $O$, в котором оба элемента имеют валентность II.

НОК чисел $2$ и $2$ равен $2$. Для каждого элемента получаем индекс $2:2=1$, поэтому простейшая формула имеет вид $CuO$.

Соотношение $1:1$ — наименьшее целочисленное. Именно такое соотношение должно быть записано в простейшей формуле.

Применим этот вывод к соединению магния с кислородом.

{"questions":[{"instruction":"В соединении магния $Mg$ с кислородом $O$ оба элемента имеют валентность II. Выберите простейшую формулу вещества. Символ магния запишите первым.","content":"[[choice-1]]","widgets":{"choice-1":{"type":"choice","options":["$MgO$","$Mg_2O_2$","$MgO_2$","$Mg_2O$"],"answer":[0]}},"explanation":"НОК чисел $2$ и $2$ равен $2$. Оба индекса равны $2:2=1$, поэтому соотношение магния и кислорода равно $1:1$. Простейшая формула — $MgO$.","hints":["Простейшая формула показывает наименьшее целочисленное соотношение атомов элементов.","Найдите НОК одинаковых валентностей и разделите его на каждую из них."]}]}

Как найти валентность по готовой формуле

До этого мы знали валентности и находили индексы. Теперь решим обратную задачу: формула известна, а валентность одного элемента нужно определить.

Возьмем уже знакомый оксид железа $Fe_2O_3$. Известно, что кислород в нем двухвалентен. На три атома кислорода приходится $3\cdot2=6$ единиц валентности.

Этому числу должно соответствовать произведение числа атомов железа на валентность железа. В формуле два атома железа, поэтому:

$$\frac{3\cdot2}{2}=3$$

Валентность железа в $Fe_2O_3$ равна III.

Порядок рассуждения такой: сначала найдите произведение индекса элемента с известной валентностью на эту валентность. Затем разделите результат на индекс второго элемента. Полученное число запишите как валентность второго элемента.

Попробуйте выполнить обратный расчет для соединения серы с кислородом.

{"questions":[{"instruction":"Определите валентность серы $S$ в соединении $SO_3$. Валентность кислорода $O$ равна II.","content":"[[choice-1]]","widgets":{"choice-1":{"type":"choice","options":["II","III","IV","VI"],"answer":[3]}},"explanation":"Для кислорода произведение равно $3\\cdot2=6$. На один атом серы приходится $6:1=6$ единиц валентности. Валентность серы в $SO_3$ равна VI.","hints":["Умножьте число атомов кислорода по формуле на валентность кислорода.","Разделите полученное произведение на число атомов серы по формуле."]}]}

Один элемент в разных соединениях

Обратный расчет помогает определить и переменную валентность. Например, у меди в соединениях с кислородом встречаются формулы $Cu_2O$ и $CuO$. Рассмотрим их по очереди и установим значение валентности меди в каждом веществе.

{"questions":[{"instruction":"Кислород $O$ имеет валентность II. Какие значения валентности проявляет медь $Cu$ в соединениях $Cu_2O$ и $CuO$ соответственно?","content":"[[choice-1]]","widgets":{"choice-1":{"type":"choice","options":["В $Cu_2O$ — II, в $CuO$ — I.","В $Cu_2O$ — I, в $CuO$ — II.","В обоих соединениях — I.","В обоих соединениях — II."],"answer":[1]}},"explanation":"В $Cu_2O$ валентность меди равна $(1\\cdot2):2=1$, то есть I. В $CuO$ она равна $(1\\cdot2):1=2$, то есть II. Медь проявляет переменную валентность: ее значение определяется для конкретного соединения.","hints":["Для каждой формулы отдельно умножьте индекс кислорода на его валентность.","Разделите это произведение на индекс меди в соответствующей формуле. Индекс, который не записан, равен 1."]}]}

Как связаны название и формула

Формула показывает состав вещества. Название тоже может сообщать, какие элементы входят в соединение, а иногда — и нужное значение валентности.

В названиях рассматриваемых бинарных соединений сначала используют слово, соответствующее второму элементу формулы, затем называют первый элемент в родительном падеже.

Если первый элемент имеет переменную валентность, ее указывают римской цифрой в скобках.

Например, $Cu_2O$ — оксид меди(I), а $CuO$ — оксид меди(II). У кальция в рассматриваемых соединениях постоянная валентность II, поэтому для $CaCl_2$ достаточно названия «хлорид кальция».

Мы уже определили валентность железа в $Fe_2O_3$. Используйте ее, чтобы выбрать название вещества.

{"questions":[{"instruction":"Как называется соединение $Fe_2O_3$? Валентность кислорода $O$ равна II.","content":"[[choice-1]]","widgets":{"choice-1":{"type":"choice","options":["Оксид железа(II)","Хлорид железа(III)","Оксид железа(III)","Сульфид железа(II)"],"answer":[2]}},"explanation":"Соединение железа с кислородом называется оксидом железа. Валентность железа равна $(3\\cdot2):2=3$, то есть III. Полное название — оксид железа(III).","hints":["По символу второго элемента определите, какое слово должно стоять в начале названия.","Найдите валентность железа по формуле: умножьте индекс кислорода на $2$ и разделите результат на индекс железа."]}]}

Теперь пойдем в обратном направлении. Название сообщит валентность железа, а по ней мы составим формулу.

{"questions":[{"instruction":"Выберите простейшую формулу оксида железа(II). Валентность кислорода $O$ равна II. Символ железа $Fe$ запишите первым.","content":"[[choice-1]]","widgets":{"choice-1":{"type":"choice","options":["$FeO$","$Fe_2O_3$","$FeO_2$","$Fe_2O_2$"],"answer":[0]}},"explanation":"В оксиде железа(II) валентности железа и кислорода равны II. НОК чисел $2$ и $2$ равен $2$, поэтому оба индекса равны $1$. Простейшая формула — $FeO$.","hints":["Римская цифра в названии указывает валентность железа в данном соединении.","Найдите наименьшее целочисленное соотношение атомов, при котором произведения индексов на валентности равны."]}]}

Если в формуле есть группа атомов

При чтении химических формул вы уже встречали скобки, например в нитрате кальция $Ca(NO_3)_2$. Индекс после скобок показывает, сколько раз повторяется группа атомов. Валентность тоже можно рассматривать для группы, если в данной задаче она участвует в составлении формулы как единое целое.

Разберем фосфорную кислоту $H_3PO_4$. В ее формуле есть три атома водорода и группа $PO_4$.

С группой $PO_4$ связаны три одновалентных атома водорода. Поэтому валентность этого кислотного остатка равна III.

Составляем формулу фосфата кальция

Составим формулу соединения кальция $Ca$ с кислотным остатком $PO_4$. Валентность кальция равна II, группы $PO_4$ — III.

НОК чисел $2$ и $3$ равен $6$. Для кальция получаем индекс $6:2=3$, для всей группы — $6:3=2$.

Группа повторяется два раза, поэтому заключаем ее в скобки и записываем индекс после скобок:

$$Ca_3(PO_4)_2$$

Это фосфат кальция. Внутренний индекс $4$ относится к кислороду в одной группе $PO_4$, а внешний индекс $2$ — ко всей группе. По формуле учитываются три атома кальция, два атома фосфора и восемь атомов кислорода: $2\cdot4=8$.

Проверка по валентностям тоже относится к целой группе: $3\cdot2=2\cdot3$.

В следующем задании изменится металл, а состав и валентность кислотного остатка останутся заданными. Сохраняйте группу целиком при определении ее индекса.

{"questions":[{"instruction":"Составьте простейшую формулу соединения магния $Mg$ с группой $PO_4$. Валентность магния равна II, всей группы — III. Символ магния запишите первым. Выберите верную формулу.","content":"[[choice-1]]","widgets":{"choice-1":{"type":"choice","options":["$Mg_2(PO_4)_3$","$MgPO_4$","$Mg_3(PO_4)_2$","$Mg_3P_2O_4$"],"answer":[2]}},"explanation":"НОК чисел $2$ и $3$ равен $6$. Индекс магния равен $6:2=3$, число повторений группы $PO_4$ — $6:3=2$. Формула — $Mg_3(PO_4)_2$. По ней учитываются три атома магния, два атома фосфора и восемь атомов кислорода.","hints":["Найдите НОК валентностей магния и всей группы $PO_4$.","Определите индекс металла и число повторений группы. Если группа повторяется несколько раз, заключите ее в скобки и поставьте индекс после скобок."]}]}

Применяем знания к газированному напитку

Мы научились составлять формулы, определять валентность и связывать ее с названием вещества. Объединим эти умения на примере углекислого газа — вещества, знакомого по пузырькам в газированной воде.

Химическое название углекислого газа — оксид углерода(IV). Сначала восстановите его формулу по названию.

{"questions":[{"instruction":"Газ, используемый для газирования напитков, называется оксидом углерода(IV). Валентность кислорода $O$ равна II. Выберите простейшую формулу газа. Символ углерода $C$ запишите первым.","content":"[[choice-1]]","widgets":{"choice-1":{"type":"choice","options":["$CO$","$C_2O$","$C_2O_4$","$CO_2$"],"answer":[3]}},"explanation":"Валентности углерода и кислорода равны IV и II. НОК чисел $4$ и $2$ равен $4$. Индекс углерода равен $4:4=1$, индекс кислорода — $4:2=2$. Получаем формулу $CO_2$.","hints":["Возьмите валентность углерода из названия и найдите НОК валентностей углерода и кислорода.","Разделите НОК на каждую валентность, чтобы получить наименьшие целые индексы."]}]}

Формула дает возможность выполнить и расчеты, с которыми вы познакомились в уроке о массе и составе вещества. Углекислый газ состоит из молекул, поэтому рассчитаем его относительную молекулярную массу:

$$M_r(CO_2)=A_r(C)+2\cdot A_r(O)=12+2\cdot16=44$$

Для массовой доли элемента нужно разделить вклад его атомов в массу молекулы на относительную молекулярную массу вещества. Если нужен ответ в процентах, результат умножают на $100\%$.

Рассчитаем долю углерода в самом углекислом газе. Для такого расчета достаточно его формулы; состав всего напитка здесь не рассматривается.

{"questions":[{"instruction":"Чему равна массовая доля углерода в углекислом газе $CO_2$? Округлите ответ до десятых долей процента. Используйте $A_r(C)=12$, $A_r(O)=16$, $M_r(CO_2)=44$.","content":"[[choice-1]]","widgets":{"choice-1":{"type":"choice","options":["$33{,}3\\%$","$27{,}3\\%$","$72{,}7\\%$","$50{,}0\\%$"],"answer":[1]}},"explanation":"В молекуле один атом углерода, поэтому его вклад равен $12$. Массовая доля углерода равна $w(C)=\\frac{12}{44}\\cdot100\\%\\approx27{,}3\\%$. Этот результат относится к углекислому газу как отдельному веществу.","hints":["Определите вклад углерода в относительную молекулярную массу: в молекуле один атом углерода.","Разделите вклад углерода на относительную молекулярную массу углекислого газа и умножьте результат на $100\\%$."]}]}

Что теперь можно объяснить

Валентность помогает понять и проверить соотношение элементов в формуле. Зная валентности, вы можете подобрать индексы. Зная формулу и валентность одного элемента, можете определить валентность другого.

Название вещества иногда дает нужное значение валентности. Например, из названия «оксид углерода(IV)» и валентности кислорода получаем формулу $CO_2$. По ней можно определить состав молекулы, рассчитать относительную молекулярную массу и массовые доли элементов.

Теперь знакомые формулы воды, поваренной соли и углекислого газа можно читать как сведения о составе вещества. А для формул с группами атомов важно учитывать отдельно состав одной группы и число ее повторений.

Часто задаваемые вопросы