Валентность химических элементов
Валентность — способность атома химического элемента образовывать определённое число химических связей с другими атомами. Её обозначают римской цифрой: в воде H₂O водород одновалентен (I), кислород двухвалентен (II). Чтобы определить валентность по формуле бинарного соединения, пользуются правилом: произведение валентности на число атомов одинаково для обоих элементов.
Что такое валентность
Понятие валентности появилось в середине XIX века, когда химики заметили, что атомы соединяются в строгих соотношениях. За единицу приняли валентность водорода: он всегда образует одну связь. Атом, который присоединяет два атома водорода, двухвалентен, три — трёхвалентен.
Валентность хорошо видна в графических (структурных) формулах, где каждая связь — чёрточка:
- H–Cl — в HCl хлор одновалентен (I);
- H–O–H — в H₂O кислород двухвалентен (II);
- в NH₃ от атома азота идут три чёрточки к трём атомам водорода — азот трёхвалентен (III);
- в CH₄ четыре чёрточки от атома углерода — углерод четырёхвалентен (IV);
- O=C=O — в CO₂ связи двойные, у углерода снова четыре чёрточки (IV), у каждого кислорода две (II).
Валентность обозначают римскими цифрами над символом элемента или в скобках после названия: железо(III), сера(VI). Её проходят в 8 классе как основу для составления формул.
Постоянная и переменная валентность
У одних элементов валентность во всех соединениях одинакова — она постоянная. Другие проявляют разную валентность в зависимости от партнёра и условий реакции — переменную.
| Валентность | Постоянная — у элементов |
|---|---|
| I | H, F, Li, Na, K, Ag |
| II | O, Be, Mg, Ca, Ba, Zn |
| III | B, Al |
| Элемент | Переменная валентность | Примеры |
|---|---|---|
| Железо | II, III | FeO, Fe₂O₃ |
| Медь | I, II | Cu₂O, CuO |
| Сера | II, IV, VI | H₂S, SO₂, SO₃ |
| Углерод | II, IV | CO, CO₂ |
| Азот | I, II, III, IV | N₂O, NO, NH₃, NO₂ |
| Фосфор | III, V | PH₃, P₂O₅ |
| Хлор | I, III, V, VII | HCl, Cl₂O₃, KClO₃, Cl₂O₇ |
| Хром | II, III, VI | CrO, Cr₂O₃, CrO₃ |
| Марганец | II, IV, VI, VII | MnCl₂, MnO₂, K₂MnO₄, KMnO₄ |
| Свинец | II, IV | PbO, PbO₂ |
С азотом есть тонкость. В задачах 8 класса азоту в N₂O₅ и HNO₃ приписывают валентность V — так получается по формуле. На самом деле атом азота образует не больше четырёх связей; это уточняют в старших классах, когда проходят строение атома и степень окисления (у азота в N₂O₅ она +5).
Как определить валентность по формуле
Для бинарного соединения, то есть вещества из двух элементов, действует правило: произведение валентности элемента на число его атомов одинаково для обоих элементов. Если валентность одного элемента известна, вторую легко найти.
- Над элементом с известной валентностью (обычно кислород — II, водород — I) поставьте её римской цифрой.
- Умножьте валентность на индекс этого элемента — получится общее число единиц валентности.
- Разделите это число на индекс второго элемента — это и есть его валентность.
| Формула | Расчёт | Ответ |
|---|---|---|
| Fe₂O₃ | II · 3 = 6; 6 : 2 = 3 | железо(III) |
| SO₃ | II · 3 = 6; 6 : 1 = 6 | сера(VI) |
| Cu₂O | II · 1 = 2; 2 : 2 = 1 | медь(I) |
| P₂O₅ | II · 5 = 10; 10 : 2 = 5 | фосфор(V) |
| Mn₂O₇ | II · 7 = 14; 14 : 2 = 7 | марганец(VII) |
| H₂S | I · 2 = 2; 2 : 1 = 2 | сера(II) |
| FeCl₃ | I · 3 = 3; 3 : 1 = 3 | железо(III) |
Если в соединении есть кислотный остаток, его валентность равна числу атомов водорода в кислоте: Cl — I (HCl), SO₄ — II (H₂SO₄), PO₄ — III (H₃PO₄). Тогда в Fe₂(SO₄)₃ железо трёхвалентно: II · 3 = 6, 6 : 2 = 3.
Как составить формулу по валентности
Обратная задача — по известным валентностям записать формулу. Её решают через наименьшее общее кратное (НОК).
- Запишите символы элементов (металл или менее электроотрицательный элемент — первым) и проставьте над ними валентности.
- Найдите НОК валентностей.
- Разделите НОК на валентность каждого элемента — получите индексы.
- Проверьте: произведения валентности на индекс у обоих элементов равны.
- Алюминий(III) и кислород(II). НОК(3, 2) = 6; у алюминия 6 : 3 = 2, у кислорода 6 : 2 = 3 → Al₂O₃.
- Фосфор(V) и кислород(II). НОК(5, 2) = 10; 10 : 5 = 2, 10 : 2 = 5 → P₂O₅.
- Углерод(IV) и кислород(II). НОК(4, 2) = 4; 4 : 4 = 1, 4 : 2 = 2 → CO₂.
- Кальций(II) и хлор(I). НОК(2, 1) = 2; 2 : 2 = 1, 2 : 1 = 2 → CaCl₂.
- Азот(III) и водород(I). НОК(3, 1) = 3; у азота 1, у водорода 3 → NH₃ (в водородных соединениях азота и углерода водород по традиции пишут вторым).
- Кальций(II) и фосфат PO₄(III). НОК(2, 3) = 6; 6 : 2 = 3, 6 : 3 = 2 → Ca₃(PO₄)₂. Группу атомов с индексом берут в скобки.
Совет: если валентности равны — например, кальций(II) и кислород(II), — индексы не нужны: CaO. Если одна валентность делится на другую, НОК равен большей: сера(VI) и кислород(II) дают НОК 6 и формулу SO₃, а не S₂O₆.
Типичная ошибка — переносить валентности в индексы «крест-накрест» и не сокращать: из углерода(IV) и кислорода(II) получается C₂O₄ вместо CO₂. Метод НОК сразу даёт правильный ответ. Готовую формулу удобно проверить в справочнике веществ — у каждого вещества своя страница с составом частицы.
Валентность и номер группы
Таблица Менделеева подсказывает валентность без зубрёжки. У элементов главных подгрупп высшая валентность обычно равна номеру группы (в коротком варианте таблицы). У неметаллов есть ещё валентность в соединениях с водородом: она равна 8 минус номер группы.
| Группа | IV | V | VI | VII |
|---|---|---|---|---|
| Высшая валентность | IV | V | VI | VII |
| Высший оксид | CO₂, SiO₂ | P₂O₅ | SO₃ | Cl₂O₇ |
| Валентность в водородном соединении | IV | III | II | I |
| Водородное соединение | CH₄, SiH₄ | NH₃, PH₃ | H₂O, H₂S | HF, HCl |
Металлы главных подгрупп I–III групп имеют постоянную валентность, равную номеру группы: натрий — I, магний — II, алюминий — III. Исключения из правила номера группы — азот (высшая валентность IV), кислород (II) и фтор (I). У элементов побочных подгрупп валентность часто не совпадает с номером группы: железо в VIII группе проявляет II и III.
Таблица валентности элементов
В таблице — валентности элементов, которые встречаются в школьном курсе. Постоянную валентность лучше запомнить: с неё начинается любое определение валентности по формуле. Переменную каждый раз находят по формуле или по названию вещества — в названии оксид меди(II) она указана прямо.
| Элемент | Валентность | Вид |
|---|---|---|
| H — Водород | I | Постоянная валентность I |
| F — Фтор | I | Постоянная валентность I |
| Li — Литий | I | Постоянная валентность I |
| Na — Натрий | I | Постоянная валентность I |
| K — Калий | I | Постоянная валентность I |
| Ag — Серебро | I | Постоянная валентность I |
| O — Кислород | II | Постоянная валентность II |
| Be — Бериллий | II | Постоянная валентность II |
| Mg — Магний | II | Постоянная валентность II |
| Ca — Кальций | II | Постоянная валентность II |
| Ba — Барий | II | Постоянная валентность II |
| Zn — Цинк | II | Постоянная валентность II |
| Al — Алюминий | III | Постоянная валентность III |
| B — Бор | III | Постоянная валентность III |
| Fe — Железо | II, III | Переменная валентность |
| Cu — Медь | I, II | Переменная валентность |
| C — Углерод | II, IV | Переменная валентность |
| Si — Кремний | IV | Переменная валентность |
| S — Сера | II, IV, VI | Переменная валентность |
| N — Азот | I, II, III, IV | Переменная валентность |
| P — Фосфор | III, V | Переменная валентность |
| Cl — Хлор | I, III, V, VII | Переменная валентность |
| Br — Бром | I, III, V | Переменная валентность |
| I — Иод | I, III, V, VII | Переменная валентность |
| Cr — Хром | II, III, VI | Переменная валентность |
| Mn — Марганец | II, IV, VI, VII | Переменная валентность |
| Pb — Свинец | II, IV | Переменная валентность |
| Sn — Олово | II, IV | Переменная валентность |
| Hg — Ртуть | I, II | Переменная валентность |
| Co — Кобальт | II, III | Переменная валентность |
| Ni — Никель | II, III | Переменная валентность |
Валентность и степень окисления
В 9–11 классе вместо валентности чаще используют степень окисления — условный заряд атома со знаком. В бинарных соединениях числа часто совпадают: в Fe₂O₃ железо трёхвалентно и имеет степень окисления +3. Но совпадают не всегда:
- в простых веществах степень окисления 0, а валентность нет: в Cl₂ (Cl–Cl) хлор одновалентен, в O₂ (O=O) кислород двухвалентен;
- в ионе аммония NH₄⁺ азот образует четыре связи (валентность IV), а его степень окисления −3;
- в азотной кислоте HNO₃ атом азота образует четыре связи, а его степень окисления +5.
Валентность показывает, сколько связей образует атом, а степень окисления — куда и насколько смещены электроны этих связей. Природа связей описана на странице виды химической связи.
Проведите опыт онлайн
Эти опыты есть в виртуальной лаборатории: запустите прямо здесь или откройте на весь экран.
Ионы железа(III)
Роданид калия окрашивает раствор с ионами Fe³⁺ в кроваво-красный цвет.
Оксид меди(II) из гидроксида
Голубой осадок Cu(OH)₂ при нагревании на спиртовке чернеет — образуется CuO.
Читайте также
Частые вопросы
Как определить валентность элемента по формуле?
Возьмите элемент с известной валентностью (кислород — II, водород — I), умножьте её на его индекс и разделите на индекс второго элемента. В Fe₂O₃: II · 3 = 6, 6 : 2 = 3 — железо трёхвалентно.
Какие элементы имеют постоянную валентность?
Валентность I постоянна у H, F, Li, Na, K, Ag; II — у O, Be, Mg, Ca, Ba, Zn; III — у B и Al. У остальных элементов валентность обычно переменная.
Как составить формулу по валентности?
Найдите наименьшее общее кратное валентностей и разделите его на валентность каждого элемента — получатся индексы. Для алюминия(III) и кислорода(II): НОК = 6, индексы 2 и 3, формула Al₂O₃.
Как связана валентность с номером группы?
Высшая валентность элемента главной подгруппы обычно равна номеру группы, а валентность неметалла в соединении с водородом — 8 минус номер группы. Сера в VI группе: высшая валентность VI (SO₃), с водородом — II (H₂S).
Чем валентность отличается от степени окисления?
Валентность — число химических связей атома, без знака; степень окисления — условный заряд со знаком «+» или «−». В молекуле Cl₂ хлор одновалентен, а степень окисления у него 0.