Химия Инфо

Определение валентности элементов по формулам их соединений. Составление химических формул по валентности

По формуле Fe2O3 можно определить школьное значение валентности железа, а по известным значениям для алюминия и кислорода — составить формулу Al2O3. В обоих случаях используют одно соотношение между индексами и валентностями. Важно понимать его условия, различать индексы и коэффициенты и проверять результат.

Для каких формул подходит приём

Бинарное соединение содержит два химических элемента. Это не обязательно два атома: в H2S три атома, но только два элемента. В простых школьных примерах, где задана одна валентность каждого элемента и нет дополнительных особенностей строения, можно сопоставить суммарные единицы валентности.

В простой бинарной формуле AxBy произведения индекса на соответствующую валентность равны: x · a = y · b. Здесь a и b — валентности, x и y — индексы.

x · a = y · b.

Валентности подставляют обычными числами, хотя обозначают римскими цифрами. Отсутствующий индекс равен единице. Например, в CuO по одному атому каждого элемента в простейшем соотношении; при валентности кислорода II для меди получается II.

Приём используют для обычных школьных оксидов, хлоридов, сульфидов и подобных соединений. В ионном кристалле он описывает состав формально и не задаёт число ближайших соседей. Для пероксидов, соединений со связями между одинаковыми атомами и веществ со смешанными состояниями элемента необходимо дополнительное рассмотрение.

Как определить неизвестную валентность

  1. Проверьте, что в формуле два элемента и применим указанный приём.
  2. Выберите известную валентность из условия или изученных свойств вещества.
  3. Умножьте её на индекс соответствующего элемента.
  4. Разделите результат на индекс второго элемента.
  5. Проверьте равенство произведений и запишите ответ римской цифрой.

Часто используют H — I, O — II, F — I, Na и K — I, Mg и Ca — II, Al — III в рассматриваемых простых соединениях. В хлоридах вроде FeCl3 хлор принимают одновалентным. Выбор значения должен соответствовать веществу; одного номера группы для любой задачи недостаточно.

Пример 1. H2S и Fe2O3

В сероводороде известна валентность водорода I. На один атом серы приходятся два атома H:

Валентность S = 2 · 1 / 1 = 2, то есть II.

Проверка: два одновалентных атома H соответствуют одному двухвалентному атому S. Теперь рассмотрим оксид железа Fe2O3. Три атома двухвалентного кислорода дают шесть единиц, приходящихся на два атома железа:

Валентность Fe = 3 · 2 / 2 = 3, то есть III.

Проверка: 2 · 3 = 3 · 2 = 6.

Fe2O3 — немолекулярное вещество, поэтому речь идёт о соотношении в формульной единице, а не об отдельной молекуле оксида.

Как составить формулу по валентностям

Для простейшей бинарной формулы находят наименьшее общее кратное валентностей. Разделив его на валентность каждого элемента, получают соответствующие наименьшие целые индексы.

Наименьшее общее кратное, НОК, — наименьшее положительное целое число, делящееся на оба заданных числа. Записав символы в принятом для соединения порядке, найдите НОК валентностей a и b. Для первого элемента индекс равен НОК/a, для второго — НОК/b. Индекс 1 в готовой формуле не пишут.

Пример 2. Оксиды алюминия и магния

Для алюминия дана валентность III, для кислорода — II. Наименьшее общее кратное равно шести:

НОК(3, 2) = 6; x(Al) = 6/3 = 2; y(O) = 6/2 = 3.

Формула: Al2O3; проверка: 2 · 3 = 3 · 2.

Для Mg и O заданы одинаковые значения II. Поэтому НОК равен двум, а оба индекса — единице:

НОК(2, 2) = 2; x(Mg) = 1; y(O) = 1; формула MgO.

Запись Mg2O2 имеет то же соотношение, но не является принятой простейшей формулой оксида магния. Если пользоваться приёмом «крест-накрест», индексы в таком случае нужно сократить.

Пример 3. Два хлорида железа

Если для железа задано II, а для хлора I, получаем один атом Fe на два атома Cl. При значении III для железа соотношение другое:

Fe(II), Cl(I): 1 · 2 = 2 · 1; формула FeCl2.

Fe(III), Cl(I): 1 · 3 = 3 · 1; формула FeCl3.

Это разные соединения. Если условие сообщает только «хлорид железа», нужно уточнить, какое соединение имеется в виду. Нельзя произвольно выбрать одно значение или объявить любую арифметически полученную комбинацию реально существующим веществом.

Индекс, коэффициент и молекулярная формула

Индекс задаёт состав частицы или соотношение в формульной единице. Коэффициент перед формулой задаёт число таких единиц и не меняет состав вещества.

В записи 2Al2O3 коэффициент относится ко всей формуле. Двум формульным единицам соответствуют четыре атома Al и шесть атомов O. Сам оксид по-прежнему имеет формулу Al2O3, а не новое соотношение элементов.

Метод НОК находит простейшее соотношение, но сам по себе не устанавливает молекулярную формулу. Уже известную молекулярную формулу нельзя сокращать как дробь. Например, H2O2 описывает молекулу пероксида водорода; замена её на HO теряет сведения о числе атомов в молекуле.

Почему правило не универсально

В H2O2 каждый кислород двухвалентен: он связан с водородом и с другим кислородом. Если механически разделить вклад H на число O, получится I — неверный вывод о валентности кислорода. Причина в том, что исходный простой подсчёт не учёл связь O—O.

Для формулы из трёх элементов тоже нельзя просто приравнять произведения любых двух индексов. Так, разбор H2SO4 требует учитывать связи со всеми элементами или использовать отдельные правила степени окисления. Валентность и степень окисления — разные понятия; совпадение чисел в некоторых школьных примерах не делает их взаимозаменяемыми.

Частые ошибки

  • Менять известный индекс вещества, чтобы получить удобный ответ: так меняется формула соединения.
  • Путать индексы и коэффициенты: в формуле состава нужны индексы.
  • Забывать скрытый индекс 1 в CuO или H2S.
  • Не сокращать индексы простейшей формулы, когда они имеют общий делитель.
  • Переносить алгоритм на пероксиды и сложные структуры без проверки условий.

Проверьте себя

  1. Найдите школьное значение валентности меди в Cu2O, принимая O — II.
  2. Найдите валентность углерода в CH4, если H — I.
  3. Составьте простейшую формулу фторида алюминия при Al — III, F — I.
  4. Для Mg — II и O — II ученик записал Mg2O2. Как исправить формулу обычного оксида магния?
  5. Проверьте запись Al3O2 для Al — III и O — II. Какое соотношение верно?

Ответы и объяснения

  1. На два атома Cu приходится один двухвалентный O, поэтому медь здесь одновалентна:

    Валентность Cu = 1 · 2 / 2 = 1, то есть I.

  2. Четыре атома одновалентного водорода соответствуют четырёхвалентному углероду:

    Валентность C = 4 · 1 / 1 = 4, то есть IV.

  3. НОК равен трём. Индексы алюминия и фтора соответственно 1 и 3:

    x(Al) = 3/3 = 1; y(F) = 3/1 = 3; формула AlF3.

  4. Индексы сокращают на два и получают MgO. Его простейшее соотношение Mg : O равно 1 : 1.
  5. Неверно: произведения 3 · 3 и 2 · 2 не равны. Правильные индексы 2 и 3:

    2 · 3 = 3 · 2 = 6; формула Al2O3.

Связанные темы

Основа метода — понятие валентности. Для чтения индексов повторите состав атомов, молекул и ионов. Коэффициенты используются в химических уравнениях.

Источники

Понятие валентности и ограничения моделей: IUPAC Gold Book. Молекулярная и простейшая формулы: OpenStax, Chemical Formulas. Состав ионных соединений: Open University, Valency and predicting formulas in ionic compounds.