Химическая формула и валентность

Из темы 1.2 мы знаем, что вещества состоят из атомов, а многие — из молекул. Описывать состав словами долго: «в молекуле серной кислоты два атома водорода, один атом серы и четыре атома кислорода». Химики придумали короткую запись, которая сообщает то же самое, — химическую формулу.

Химическая формула

Химическая формула — это запись состава вещества с помощью знаков химических элементов и индексов. Формула \(\ce{H2SO4}\) (читается «аш-два-эс-о-четыре») показывает качественный состав серной кислоты, то есть какие элементы в неё входят (водород, сера, кислород), и количественный состав — сколько атомов каждого элемента в молекуле (два, один и четыре).

Индекс — маленькая цифра справа внизу от знака элемента. Он показывает число атомов этого элемента в формуле; индекс 1 не пишут. Если группа атомов заключена в скобки, индекс за скобкой умножает всю группу: в формуле \(\ce{Ca(OH)2}\) один атом кальция, два атома кислорода и два атома водорода.

Коэффициент — большая цифра перед формулой. Он показывает число молекул (или формульных единиц) и относится ко всей формуле. Запись \(\ce{3H2O}\) означает три молекулы воды, в которых всего шесть атомов водорода и три атома кислорода. Чтобы сосчитать атомы, коэффициент умножают на индекс: в записи \(\ce{2Ca(OH)2}\) два атома кальция, четыре атома кислорода и четыре атома водорода.

Валентность

Сравним формулы четырёх водородных соединений: \(\ce{HCl}\), \(\ce{H2O}\), \(\ce{NH3}\), \(\ce{CH4}\). Атом хлора удерживает один атом водорода, атом кислорода — два, азота — три, углерода — четыре. Значит, атомы разных элементов способны соединяться с разным числом других атомов. Эту способность называют валентностью.

Валентность — это способность атома образовывать определённое число химических связей с другими атомами. Валентность обозначают римской цифрой. Водород всегда образует одну связь, его валентность равна I, поэтому валентность другого элемента удобно определять по числу атомов водорода, которые присоединяет его атом. Связи можно показать чёрточками: в воде \(\ce{H-O-H}\) у кислорода две связи, значит, он двухвалентен.

У одних элементов валентность во всех соединениях одинакова, у других она меняется. Элементы с постоянной валентностью нужно запомнить:

Остальные элементы проявляют переменную валентность. Железо в одних соединениях двухвалентно (\(\ce{FeO}\), \(\ce{FeCl2}\)), в других трёхвалентно (\(\ce{Fe2O3}\), \(\ce{FeCl3}\)). Поэтому в названиях таких веществ валентность указывают в скобках: \(\ce{FeCl2}\) — хлорид железа(II), \(\ce{FeCl3}\) — хлорид железа(III). Типичные значения: у меди I и II, у серы II, IV и VI, у углерода II и IV, у фосфора III и V, у хлора I, III, V и VII, у азота от I до IV.

Для неметаллов есть два полезных правила. Высшая валентность неметалла обычно равна номеру его группы в Периодической системе: сера находится в VI группе и в \(\ce{SO3}\) шестивалентна, хлор — в VII группе и в \(\ce{Cl2O7}\) семивалентен. Валентность неметалла в соединении с водородом равна разности восьми и номера группы: сера (VI группа) в \(\ce{H2S}\) двухвалентна, азот (V группа) в \(\ce{NH3}\) трёхвалентен. Исключения — кислород (всегда II), фтор (всегда I) и азот, высшая валентность которого IV.

Составление формулы по валентности

Если валентности элементов известны, формулу бинарного вещества (состоящего из двух элементов) можно составить. Правило простое: у обоих элементов общее число связей должно совпадать, то есть произведение валентности на индекс у них одинаково. Отсюда получается алгоритм составления формулы по валентности:

1. записать знаки элементов и указать над ними валентности;
2. найти наименьшее общее кратное валентностей;
3. разделить его на валентность каждого элемента — получатся индексы.

Составим формулу оксида алюминия. Алюминий трёхвалентен, кислород двухвалентен, наименьшее общее кратное чисел 3 и 2 равно 6. Индекс алюминия \(6 : 3 = 2\), индекс кислорода \(6 : 2 = 3\), формула \(\ce{Al2O3}\). Для оксида фосфора(V): общее кратное чисел 5 и 2 равно 10, индексы \(10 : 5 = 2\) и \(10 : 2 = 5\), формула \(\ce{P2O5}\).

Той же логикой пользуются и в обратную сторону — чтобы найти валентность по формуле. В \(\ce{Fe2O3}\) у трёх атомов кислорода \(3 \cdot 2 = 6\) связей, они приходятся на два атома железа, поэтому валентность железа равна \(6 : 2 = 3\). В \(\ce{Cl2O7}\) на два атома хлора приходится \(7 \cdot 2 = 14\) связей, валентность хлора VII.