Глава I.8 Валентность

🎧 Аудио сопровождение

Молекула водорода H₂ состоит из двух атомов водорода, молекула хлороводорода HCl – из одного атома водорода и одного атома хлора, в молекуле воды H₂O с одним атомом кислорода связаны два атома водорода, в молекуле аммиака NH₃ с одним атомом азота связаны три атома водорода, а в молекуле метана СH₄ с одним атомом углерода – четыре атома водорода. Почему так, а не иначе?

В 1799 г. французский химик Ж. Л. Пруст сформулировал закон постоянства состава веществ молекулярного строения.

Состав вещества независимо от способа его получения всегда остаётся постоянным.

В соответствии с этим законом каждое вещество молекулярного строения имеет только одну формулу: водород – H₂, вода – H₂O, аммиак – NH₃, метан – СH₄. Конечно, атомы химических элементов соединяются в молекулы не произвольно, а в строгом соответствии с особым свойством, которое называется валентностью.

Валентность – это свойство атомов одного химического элемента соединяться со строго определённым числом атомов другого элемента.

За единицу валентности принята валентность атома водорода. Следовательно, атом водорода способен соединяться только с одним атомом водорода или другого химического элемента. Значит, валентность химического элемента в соединении определяется числом связанных с ним атомов водорода.

Это наглядно отражает структурная формула вещества, в которой каждая валентность обозначена чёрточкой – валентным штрихом:

молекула водорода H₂, или (водород одновалентен)

молекула воды H₂O, или (кислород двухвалентен)

молекула аммиака NH₃, или (азот трёхвалентен)

молекула метана СH₄, или (углерод четырёхвалентен)

Из структурной формулы видно также, какие атомы связаны друг с другом, а какие нет.

Образуя молекулы, атомы должны соединяться таким образом, чтобы все их валентности были задействованы. Например, атом четырёхвалентного углерода и два атома двухвалентного кислорода смогут образовать молекулу углекислого газа CO₂ только так:

O=C=O

Валентность одних химических элементов во всех соединениях одинаковая (постоянная), валентность других – разная (переменная). Например, у атома водорода она всегда равна I (валентность обозначается римской цифрой), у атома кислорода – II, у атома меди – I и II, у атома железа II и III (схема 3).

Схема 3

Рассмотрим алгоритм составления формул бинарных соединений (т. е. соединений, состоящих из двух элементов) по валентности элементов на примере соединений фосфора (табл. 4).

Таблица 4

Алгоритм составления формул соединений по валентности

Действие	Примеры
1. Запишем рядом символы элементов	P Cl	P O
2. Над символом каждого элемента римской цифрой укажем его валентность	$\overset{III}{P}$ $\overset{I}{Cl}$	$\overset{III}{P}$ $\overset{II}{O}$
3. Найдём наименьшее общее кратное двух числовых значений валентности	3	10
4. Определим индексы (т. е. число атомов каждого элемента в формуле данного вещества), разделив наименьшее общее кратное на числовые значения валентности каждого элемента	У фосфора индекс 1, у хлора – 3: PCl₃	У фосфора индекс 2, у кислорода – 5: P₂O₅
Примечание: индекс 1 в формуле не записывают!

Справедливо и обратное: если в формуле бинарного соединения известна валентность одного элемента, то можно определить валентность другого. Определим валентность азота в соединении NO₂ (табл. 5).

Таблица 5

Алгоритм определения валентности элемента по его формуле

Действие	Пример
1. Над символом элемента, валентность которого постоянна, укажем её значение. Валентность кислорода всегда равна I	$\overset{II}{{NO}_{2}}$
2. Определим общее число валентностей кислорода, умножив значение его валентности на индекс	2 · 2 = 4
3. Общее число валентностей разделим на индекс второго элемента (азота). Полученное число – его валентность	4 : 1 = 4
4. Запишем значение валентности над символом азота в формуле	$\overset{IV}{N}$ $\overset{II}{O_{2}}$

Как же образуются названия бинарных соединений и как отражено в названии значение валентности?

Сначала произносится сокращённое латинское название второго элемента с суффиксом -ид, а затем – русское название первого элемента в родительном падеже. К названию соединения, образованного элементом с переменной валентностью, добавляется в скобках значение валентности. Например:

CaCl₂ – хлорид кальция
N₂O – оксид азота (I)
N₂O₃ – оксид азота (III)
PCl₅ – хлорид фосфора (V)

Понятие валентности применимо и к соединениям более сложного состава. В этом случае она относится не к одному, а к группе атомов. Например, в фосфорной кислоте H₃PO₄ валентность группы атомов PO₄ (кислотный остаток) равна трём, так как эта группа соединена с тремя атомами водорода. Такое значение валентности кислотный остаток PO₄ будет иметь и в формулах всех других соединений. Например, запишем формулу фосфата кальция (табл. 6).

Таблица 6

Действие	Пример
1. Запишем рядом символы кальция и формулу группы атомов кислотного остатка	СаРО₄
2. Над символом кальция и группой атомов римскими цифрами укажем их валентности	$\overset{II}{Са}$ $\overset{III}{{PO}_{4}}$
3. Найдём наименьшее общее кратное двух числовых значений валентности	6
4. Определим индексы	У кальция индекс 2, у группы атомов кислотного остатка – 3: Са₃(РО₄)₂
Примечание: если группа атомов повторяется в формуле два и более раз, то её заключают в скобки.

Валентность. Структурная формула. Химические элементы с постоянной и переменной валентностью. Вывод формулы соединения по валентности. Определение валентности химического элемента по формуле вещества. Составление названий бинарных соединений

Проверьте свои знания

Используя схему 3, запишите четыре формулы оксидов хлора – бинарных соединений хлора с кислородом.
Железо образует с серой два соединения. Используя схему 3, составьте формулы этих соединений и дайте их названия. Определите массовую долю железа в каждом cоединении.
Запишите формулы оксидов углерода (II) и (IV). Рассчитайте массовые доли элементов в них и дайте названия соединений.
Назовите вещества, формулы которых: PCl₃, SO₂, CS₂, Cu₂О, KCl, SO₃.

Примените свои знания

Запишите формулы сульфатов калия, магния и алюминия, если сульфаты – это соединения металла с остатком серной кислоты H₂SO₄.
Запишите формулы гидроксидов натрия, железа(II) и железа(III), если гидроксиды – это соединения, содержащие атомы металла и одновалентные гидроксильные группы –OH.

Используйте дополнительную литературу

Создайте шаростержневые модели молекул метана, воды, углекислого газа, аммиака из пластилина и нарезанных одинаковыми кусочками трубочек для напитков.
Подготовьте сообщение «История развития понятия „валентность“».