Валентность — Бензол

1. Зачем нужна валентность

В теме 1 мы писали формулы: H₂O, CO₂. Но почему вода именно H₂O, а не HO или H₃O? Почему углекислый газ CO₂, а не CO₅? Атомы соединяются не как попало: у каждого атома есть «ручки», которыми он держится за соседей. Число «ручек» у разных элементов разное, и оно определяет формулу вещества.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ

Валентность — число, которое показывает, сколько «ручек» (соединений с другими атомами) есть у атома данного элемента.

H₂у H одна ручка

H₂Oу O две ручки

NH₃у N три ручки

CH₄у C четыре ручки

Чем больше «ручек» у атома, тем больше соседей он может удержать: H держит одного, O двух, N трёх, C четырёх.

2. Чёрточка — это одна «ручка»

В химии соединение двух атомов рисуют чёрточкой. Такая запись называется графической формулой: формула H₂O показывает только состав, а графическая формула ещё и то, кто с кем соединён.

H–HH₂: валентность H равна I

Cl–ClCl₂: валентность Cl равна I

O=OO₂: две чёрточки, валентность II

N≡NN₂: три чёрточки, валентность III

Одна чёрточка — одна пара «ручек». Две чёрточки подряд (=) и три (≡) значат, что атомы держатся друг за друга сразу двумя и тремя «ручками».

ГЛАВНОЕ

Валентность атома = число чёрточек, которые от него отходят.

В воде H–O–H от каждого H отходит одна чёрточка, значит у H валентность I. От O отходят две чёрточки, значит у O валентность II. Валентность пишут над символом римской цифрой: H^I, O^II, N^III, C^IV.

Правила. 1) Римские цифры: I, II, III, IV… 2) У валентности нет знака «+» или «−», это просто число. 3) У каждой чёрточки два конца, и оба заняты атомами: свободных «ручек» не остаётся. 4) Валентность в соединении не бывает нулевой: атом держится хотя бы за одного соседа.

Слово «ион» и заряды Na⁺, Cl⁻ из темы 1 сюда не относятся. Это другой случай, мы разберём его в теме про химическую связь.

3. Постоянная валентность

У одних элементов валентность всегда одна и та же. Их нужно выучить.

Валентность	Элементы
I	H, Li, Na, K, F, Ag
II	O, Be, Mg, Ca, Ba, Zn
III	Al, B

Удобно помнить через таблицу Менделеева: у металлов главных подгрупп I, II и III групп валентность равна номеру группы. Na и K в группе IА, значит I. Mg и Ca в IIА, значит II. Al в IIIА, значит III. Два элемента из побочных подгрупп выучи отдельно: Ag (I) и Zn (II). Фтор F всегда I, хотя стоит в группе VIIА. Кислород O всегда II.

4. Переменная валентность

У многих элементов валентность в разных веществах разная. Вот самые важные:

Элемент	Возможные валентности
S	II, IV, VI
C	II, IV
N	I, II, III, IV, V (в школе чаще III и IV)
Cl	I, III, V, VII
Fe	II, III
Cu	I, II

COC(II): угарный газ

CO₂C(IV): углекислый газ

SO₂S(IV)

SO₃S(VI)

Один и тот же элемент в разных веществах: у углерода и серы число «ручек» разное.

Если у элемента переменная валентность, её вычисляют по формуле. В названии вещества валентность часто пишут в скобках: «железо (III)» значит, что у Fe валентность III. Подробнее о названиях будет в теме про классы веществ.

5. Главное правило: чёрточек с двух сторон поровну

Возьмём H₂O. Две чёрточки идут от двух атомов H (по одной от каждого) и от одного атома O (обе от него). С обеих сторон «ручек» поровну: это можно проверить умножением индекс × валентность.

Весы для H₂O: слева две «ручки» водорода, справа две «ручки» кислорода.

Весы для Al₂O₃: по шесть «ручек» с каждой стороны.

Для AₓBᵧ: x · (валентность A) = y · (валентность B)

Вещество	Первый элемент	Второй элемент
H₂O	H: 2 × I = 2	O: 1 × II = 2
CO₂	C: 1 × IV = 4	O: 2 × II = 4
NH₃	N: 1 × III = 3	H: 3 × I = 3
Al₂O₃	Al: 2 × III = 6	O: 3 × II = 6

Правило работает и для групп атомов, смотри раздел 8.

6. Как найти валентность по формуле

Пример: SO₃. 1) У O валентность II. 2) Считаем «ручки» кислорода: 3 × II = 6. 3) Столько же у серы: 1 × ? = 6. 4) Значит, S(VI).

H₂S. У H: 2 × I = 2. У серы: 1 × ? = 2, значит S(II).

Fe₂O₃. У O: 3 × II = 6. У железа: 2 × ? = 6, значит Fe(III).

Алгоритм

1. Подпиши известную валентность (O — II, H — I…).
2. Умножь её на индекс.
3. Раздели на индекс второго элемента.
4. Проверь: числа слева и справа совпали?

7. Как составить формулу по валентности

Дано: два элемента и их валентности. Нужно записать формулу так, чтобы «ручек» с обеих сторон было поровну: x · a = y · b. Для этого подбираем индексы, то есть сколько атомов каждого элемента взять. В этом помогает НОК.

Что такое НОК

НОК — наименьшее общее кратное. Это самое маленькое число, которое делится нацело и на одно, и на другое число. Здесь оно показывает, сколько «ручек» будет с каждой стороны формулы.

Как найти. Выпиши числа, которые делятся на каждое из двух (кратные), и найди первое одинаковое. Для 2 это 2, 4, 6, 8, 10, 12. Для 3 это 3, 6, 9, 12. Первое общее число — 6. Значит, НОК(2, 3) = 6.

Числа, кратные 2 (сверху) и кратные 3 (снизу). Первое число, которое есть в обоих рядах, это 6.

НОК(4, 6) = 12: первое число, кратное и 4, и 6.

Три быстрых случая. 1) Если одно число делится на другое, НОК равен большему: НОК(4, 2) = 4. 2) Если у чисел нет общих делителей, НОК равен их произведению: НОК(3, 2) = 6, НОК(5, 2) = 10. 3) Если одно из чисел 1, НОК равен второму числу: НОК(3, 1) = 3.

Алгоритм в шесть шагов

Шаг 1. Запиши символы рядом. Сначала тот, что левее в таблице (обычно металл), потом второй: Al O.

Шаг 2. Подпиши валентности. Постоянные берём из памяти (O — II, H — I…). Валентность Fe, Cu, S, C, N, Cl задаётся в условии, например Fe(III). Без неё формулу составить нельзя. Получилось: Al^III O^II.

Шаг 3. Найди НОК валентностей. НОК(3, 2) = 6. Это число «ручек» с каждой стороны.

Шаг 4. Раздели НОК на валентность каждого элемента. Al: 6 : 3 = 2, O: 6 : 2 = 3. Это индексы.

Шаг 5. Запиши формулу. Индекс 1 не пишем. Получилось Al₂O₃.

Шаг 6. Проверь. Индекс × валентность: Al 2 × 3 = 6, O 3 × 2 = 6. Совпало, формула верна.

Быстрый способ: крест-накрест

Валентность одного элемента становится индексом другого.

Крест-накрест: III уходит к кислороду, II к алюминию. Получилось Al₂O₃.

Но иногда нужно сократить: C(IV) и O(II) дают C₂O₄, делим на 2 и получаем CO₂. Если забыть сократить, формула будет неверной. Через НОК сокращение происходит само, поэтому в сомнительных случаях считай через НОК.

Четыре случая: по ним сразу видно, каким будет ответ

Случай 1. Валентности равны. Оба индекса равны 1 и не пишутся. Не пиши Ca₂O₂.

Дано	НОК	Индексы	Формула
Na(I) + Cl(I)	1	1 и 1	NaCl
Ca(II) + O(II)	2	1 и 1	CaO
Mg(II) + O(II)	2	1 и 1	MgO
Zn(II) + O(II)	2	1 и 1	ZnO
Ag(I) + Cl(I)	1	1 и 1	AgCl

Случай 2. Одна валентность делится на другую. Больший индекс получает элемент с меньшей валентностью.

Дано	НОК	Индексы	Формула
Mg(II) + Cl(I)	2	1 и 2	MgCl₂
Ca(II) + Cl(I)	2	1 и 2	CaCl₂
C(IV) + O(II)	4	1 и 2	CO₂
S(IV) + O(II)	4	1 и 2	SO₂
S(VI) + O(II)	6	1 и 3	SO₃
N(IV) + O(II)	4	1 и 2	NO₂

Случай 3. У валентностей нет общих делителей. Каждый элемент получает индекс, равный валентности соседа. Сокращать нечего.

Дано	НОК	Индексы	Формула
Al(III) + O(II)	6	2 и 3	Al₂O₃
Al(III) + Cl(I)	3	1 и 3	AlCl₃
P(V) + O(II)	10	2 и 5	P₂O₅
N(V) + O(II)	10	2 и 5	N₂O₅
Cl(VII) + O(II)	14	2 и 7	Cl₂O₇
Al(III) + S(II)	6	2 и 3	Al₂S₃
Ca(II) + N(III)	6	3 и 2	Ca₃N₂
Na(I) + S(II)	2	2 и 1	Na₂S

Случай 4. Переменная валентность. Одна и та же пара элементов даёт разные формулы. Какая именно, говорит валентность в условии.

Дано	Формула
Fe(II) + Cl(I)	FeCl₂
Fe(III) + Cl(I)	FeCl₃
Fe(II) + O(II)	FeO
Fe(III) + O(II)	Fe₂O₃
Cu(I) + O(II)	Cu₂O
Cu(II) + O(II)	CuO

Развёрнутые примеры

Фосфор(V) и кислород. P(V), O(II). НОК(5, 2) = 10. P: 10 : 5 = 2, O: 10 : 2 = 5. Формула P₂O₅. Проверка: 2 × 5 = 10, 5 × 2 = 10.

Кальций и азот(III). Ca(II), N(III). НОК(2, 3) = 6. Ca: 6 : 2 = 3, N: 6 : 3 = 2. Формула Ca₃N₂. Проверка: 3 × 2 = 6, 2 × 3 = 6.

Углерод(IV) и кислород, с сокращением. Крест-накрест: индекс C равен валентности O, то есть 2, а индекс O равен 4. Получаем C₂O₄. Делим оба индекса на 2: CO₂.

Железо(III) и хлор. Fe(III), Cl(I). НОК(3, 1) = 3. Fe: 3 : 3 = 1, Cl: 3 : 1 = 3. Формула FeCl₃.

Формулы с группами атомов (OH, SO₄ и другие) составляются так же, смотри раздел 8.

Тренажёр «Собери формулу»

Выбери два элемента или две группы атомов, и тренажёр покажет все шесть шагов. Сначала попробуй решить сам, потом проверь себя.

Частые ошибки при составлении

Не сократили индексы. C₂O₄ вместо CO₂, Ca₂O₂ вместо CaO.

Перепутали индексы. Индекс элемента равен НОК, делённому на его валентность. Проверь на шаге 6.

Взяли не ту валентность у Fe, Cu, S, C. Она всегда указана в условии.

Записали индекс 1. Пиши NaCl, а не Na₁Cl₁.

Потренируйся

1) Mg + O; Na + S; Al + Cl; K + O. 2) C(II) + O; N(III) + O; S(VI) + O; P(III) + Cl(I). 3) Fe(II) + O; Fe(III) + O; Cu(II) + Cl(I). 4) Найди ошибку и исправь: Na₂O₂, AlO₃, MgCl, Ca₂O₂.

Ответы

1) MgO, Na₂S, AlCl₃, K₂O. 2) CO, N₂O₃, SO₃, PCl₃. 3) FeO, Fe₂O₃, CuCl₂. 4) Na₂O; Al₂O₃; MgCl₂; CaO.

8. Группы атомов в формулах

Иногда атомы входят в формулу «командой». В Ca(OH)₂ есть блок OH: атомы O и H, которые всегда ходят вместе. Это группа атомов. Вся группа целиком имеет одну валентность, как будто это один большой атом.

OHвалентность I

NO₃валентность I

SO₄валентность II

CO₃валентность II

PO₄валентность III

Группа как один «осьминожек»: рамка общая, а «ручек» столько, какова валентность группы.

Где посмотреть валентность групп

Выучивать все группы не нужно: их валентность указана в таблице растворимости. Она есть в конце школьного учебника и разрешена на контрольных, ОГЭ и ЕГЭ. Рядом с каждой группой стоит число. Нам нужна только цифра, знак «плюс» или «минус» пока не учитываем: что он значит, узнаем в теме про химическую связь.

OH⁻NO₃⁻SO₄²⁻CO₃²⁻PO₄³⁻

Так группы выглядят в таблице. Берём только число: SO₄ значит II.

Правило скобок

Если группу нужно взять больше одного раза, её заключают в скобки, а индекс пишут справа от скобки: он относится ко всей группе. Если группа нужна один раз, скобки не ставят.

Формула	Сколько атомов
Ca(OH)₂	Ca — 1, O — 2, H — 2
Al₂(SO₄)₃	Al — 2, S — 3, O — 12
CaSO₄, NaOH	скобок нет: группа одна

Составляем формулу с группой

Алгоритм тот же, группа работает как один элемент.

Ca(II) и OH(I). НОК(2, 1) = 2. Ca: 2 : 2 = 1, OH: 2 : 1 = 2. Группу берём дважды, ставим скобки: Ca(OH)₂.

Al(III) и SO₄(II). НОК(3, 2) = 6. Al: 6 : 3 = 2, SO₄: 6 : 2 = 3. Получаем Al₂(SO₄)₃.

Na(I) и SO₄(II). Na: 2, SO₄: 1. Группа одна, скобок нет: Na₂SO₄.

Mg(II) и NO₃(I). Получаем Mg(NO₃)₂.

Ca(II) и PO₄(III). НОК = 6, Ca: 3, PO₄: 2. Получаем Ca₃(PO₄)₂.

Валентность металла в формуле с группой

Fe₂(SO₄)₃. SO₄ — II (из таблицы). Групп три: 3 × II = 6. У железа 2 × ? = 6, значит Fe(III).

Cu(NO₃)₂. NO₃ — I, групп две: 2 × I = 2. У меди 1 × ? = 2, значит Cu(II).

Ошибки с группами. 1) Забыли скобки: правильно Ca(OH)₂, а не CaOH₂. 2) Поставили скобки, когда группа одна: правильно CaSO₄, а не Ca(SO₄). 3) Меняют индексы внутри группы: SO₄ всегда S и 4 атома O, меняется только число групп. 4) Берут валентность одного атома из группы, а не всей группы: у SO₄ валентность II, а это не валентность серы.

9. Валентность в простых веществах

В молекулах простых веществ атомы одного элемента держатся друг за друга: H–H, Cl–Cl (валентность I), O=O (II), N≡N (III). Формулы двухатомных веществ из темы 1 — следствие валентности: у H, F, Cl, Br, I она равна I, поэтому они держатся парами одной чёрточкой.

10. Валентность и таблица Менделеева

Для элементов главных подгрупп есть полезная связь с номером группы. Высшая валентность (самая большая из возможных) обычно равна номеру группы: Na — I, Mg — II, Al — III, C — IV, N — V, S — VI, Cl — VII. В соединении с водородом у неметаллов валентность равна 8 минус номер группы.

Группа	IVА	VА	VIА	VIIА
Высшая валентность	IV	V	VI	VII
С водородом	IV	III	II	I

CH₄8 − 4 = 4

NH₃8 − 5 = 3

H₂S8 − 6 = 2

HCl8 − 7 = 1

Валентность неметалла с водородом: 8 минус номер группы.

Исключения: кислород всегда II, фтор всегда I. Почему получается именно так, объясним в теме про строение атома. Пока это правило, проверенное на многих веществах.

11. Разобранные задачи

Валентность N в N₂O₃. O: 3 × II = 6. N: 2 × ? = 6, значит N(III).

Валентность Cl в Cl₂O₇. O: 7 × II = 14. Cl: 2 × ? = 14, значит Cl(VII).

Формула P(V) и O. НОК(5, 2) = 10. P: 10 : 5 = 2, O: 10 : 2 = 5. Получаем P₂O₅.

Формула Ca и Cl(I). Ca(II), Cl(I) → CaCl₂.

Найди ошибку: CaO₂. Ca: 1 × II = 2, O: 2 × II = 4. Не равно, значит формула неверная. Правильно CaO.

12. Частые ошибки

Знак у валентности. Валентность — просто римское число, без «+» и «−».

Валентность и индекс. В H₂O индекс у водорода 2, а валентность I.

Не сократили. C₂O₄ нужно превратить в CO₂.

Индекс 1. Единицу не пишут: H₂O, а не H₂O₁.

Не проверили, постоянная ли валентность. У Fe, S, C, Cl её нужно вычислять по формуле.

Правило «номер группы» для побочных подгрупп. Для Fe, Cu, Ag оно не работает.

Группы атомов. Ошибки со скобками и индексами смотри в конце раздела 8.

Что запомнить

1. Валентность — число чёрточек, которые отходят от атома (число «ручек»).

2. Пишут римскими цифрами, без знака.

3. Постоянная: H, Li, Na, K, F, Ag — I; O, Be, Mg, Ca, Ba, Zn — II; Al, B — III.

4. Переменная: S, C, N, Cl, Fe, Cu — вычисляют по формуле.

5. Для AₓBᵧ верно: x · a = y · b.

6. Для главных подгрупп: высшая валентность = номер группы; с водородом = 8 − номер группы.

7. Группа атомов (OH, NO₃, SO₄, CO₃, PO₄) имеет одну валентность на всю группу. Её берут из таблицы растворимости. Если групп больше одной, их заключают в скобки.

Проверь себя

16 вопросов. В одних нужно выбрать ответ, в других ввести его. Валентность можно вводить римской или арабской цифрой, формулы пиши по-английски, индексы цифрами (например, Al2(SO4)3).

Что-то осталось непонятным?

Разберём тему один на один: объясню на рисунках и примерах, пока всё не станет понятно.

Записаться на занятие