§ 8. Валентность

ЗАКОН ПОСТОЯНСТВА СОСТАВА ЖОЗЕФА ПРУСТА

Сравнивая формулы различных соединений водорода с неметаллами, легко заметить строгую закономерность: в молекуле хлороводорода HCl с одним атомом водорода связан один атом хлора; в воде H₂O с одним атомом кислорода соединены два атома водорода; в молекуле аммиака NH₃ к атому азота присоединены три атома водорода, а в метане CH₄ атом углерода удерживает четыре атома водорода. Возникает фундаментальный вопрос: почему атомы соединяются именно в таких строго фиксированных соотношениях, а не произвольно?

Ответ на этот вопрос даёт один из краеугольных законов химии, открытый в 1799 году французским химиком Жозефом Луи Прустом (1754–1826) — закон постоянства состава веществ:

• Формулировка закона: состав вещества молекулярного строения остаётся строго постоянным независимо от способа его получения.

Чистая вода, полученная конденсацией из пара, собранная из тающего ледника или синтезированная в химической лаборатории реакцией горения водорода в кислороде, всегда будет иметь неизменный качественный и количественный состав — ровно два атома водорода на один атом кислорода (H₂O). Способность атомов образовывать химические соединения строго определённого состава обусловлена особым фундаментальным свойством — валентностью.

СУЩНОСТЬ ВАЛЕНТНОСТИ И СТРУКТУРНЫЕ ФОРМУЛЫ

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

За историческую и расчётную единицу валентности в химии принята валентность атома водорода: водород всегда одновалентен (валентность равна I). Следовательно, атом водорода способен присоединить к себе ровно один атом другого одновалентного элемента. По этой причине валентность любого другого элемента в соединении с водородом можно легко определить по числу присоединённых атомов водорода:

• В соединении HCl хлор одновалентен (I);
• В молекуле H₂O кислород двухвалентен (II);
• В молекуле NH₃ азот трёхвалентен (III);
• В молекуле CH₄ углерод четырёхвалентен (IV).

Взаимное расположение атомов в молекуле и порядок их связывания наглядно отражает структурная формула. В структурных формулах каждая единица валентности условно изображается чёрточкой — валентным штрихом:

• H—H (молекула водорода H₂, каждый атом одновалентен);
• H—O—H (молекула воды H₂O, от двухвалентного кислорода отходят две связи к атомам водорода);
• В молекуле углекислого газа CO₂ четырёхвалентный атом углерода образует по две двойные связи с каждым из двух двухвалентных атомов кислорода: O=C=O (все валентности взаимно насыщены).

ЭЛЕМЕНТЫ С ПОСТОЯННОЙ И ПЕРЕМЕННОЙ ВАЛЕНТНОСТЬЮ

В химических реакциях разные элементы проявляют себя неодинаково. Одни элементы во всех своих химических соединениях сохраняют неизменную валентность, тогда как другие могут менять её в зависимости от партнёра по реакции:

• Элементы с постоянной валентностью (необходимо знать наизусть):
  • Валентность I: водород H, фтор F, щелочные металлы (литий Li, натрий Na, калий K);
  • Валентность II: кислород O, магний Mg, кальций Ca, барий Ba (щелочноземельные металлы);
  • Валентность III: бор B, алюминий Al.
• Элементы с переменной валентностью:
  • Медь Cu: I, II;
  • Железо Fe: II, III;
  • Углерод C: II, IV;
  • Сера S: II, IV, VI;
  • Фосфор P: III, V;
  • Азот N: I, II, III, IV;
  • Хлор Cl: I, III, V, VII.

В формулах соединений значение валентности традиционно обозначают римскими цифрами над знаками соответствующих элементов (например, над Fe и O).

АЛГОРИТМ СОСТАВЛЕНИЯ ФОРМУЛ БИНАРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ ПО ВАЛЕНТНОСТИ

Вещества, состоящие ровно из двух химических элементов, называют бинарными соединениями. Составление химической формулы бинарного соединения по известным валентностям элементов выполняется по строгому 4-шаговому алгоритму:

1. Запись символов элементов: Записывают рядом знаки образующих вещество элементов (металл всегда ставится на первое место; в соединениях неметаллов на первом месте стоит менее электроотрицательный элемент): например, P и O.
2. Указание валентностей: Над каждым символом римской цифрой надписывают его валентность: над фосфором — V, над кислородом — II.
3. Поиск наименьшего общего кратного (НОК): Находят НОК для числовых значений валентностей обоих элементов. Для чисел 5 и 2 НОК равно 10.
4. Вычисление индексов: НОК поочерёдно делят на валентность каждого элемента:
   • Индекс фосфора: 10 / 5 = 2;
   • Индекс кислорода: 10 / 2 = 5.
   • Получаем итоговую формулу: P₂O₅ (оксид фосфора(V)). Если индекс равен 1, его опускают (например, при составлении формулы хлорида фосфора(III): для P(III) и Cl(I) НОК = 3; 3 / 3 = 1, 3 / 1 = 3 → PCl₃).

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ВАЛЕНТНОСТИ ПО ФОРМУЛЕ И НАЗВАНИЯ ВЕЩЕСТВ

Зная формулу бинарного соединения и помня элементы с постоянной валентностью, можно безошибочно определить валентность второго элемента с переменной валентностью (обратная задача):

1. Над элементом с постоянной валентностью указывают её значение (например, в оксиде азота NO₂ кислород всегда двухвалентен — над O пишем II).
2. Находят суммарное число единиц валентности этого элемента, перемножая его валентность на индекс: 2 · 2 = 4.
3. Делят полученное произведение на индекс второго элемента (у азота индекс 1): 4 / 1 = 4.
4. Записывают найденную валентность над первым элементом: валентность азота в NO₂ равна IV.

Правила образования названий (номенклатура) бинарных соединений:

• Название образуется справа налево: сначала произносится сокращённый латинский корень второго элемента с добавлением суффикса -ид (кислород — оксид, хлор — хлорид, сера — сульфид, азот — нитрид, углерод — карбид, водород — гидрид);
• Затем в родительном падеже называется русский термин первого элемента (оксид кальция, хлорид натрия);
• Если первый элемент обладает переменной валентностью, значение его валентности обязательно указывается в конце названия в скобках римской цифрой без пробела:
  • CaCl₂ — хлорид кальция (у кальция валентность постоянна, цифра не пишется);
  • N₂O — оксид азота(I);
  • NO — оксид азота(II);
  • N₂O₃ — оксид азота(III);
  • NO₂ — оксид азота(IV);
  • PCl₅ — хлорид фосфора(V).

ВАЛЕНТНОСТЬ ГРУПП АТОМОВ И КИСЛОТНЫХ ОСТАТКОВ

Понятие валентности применимо не только к изолированным атомам, но и к устойчивым группам атомов, переходящим из одних соединений в другие без изменения состава — кислотным остаткам.

• Валентность любого кислотного остатка численно равна числу атомов водорода в соответствующей кислоте:
  • В азотной кислоте HNO₃ остаток NO₃ одновалентен (I);
  • В серной кислоте H₂SO₄ остаток SO₄ двухвалентен (II);
  • В фосфорной кислоте H₃PO₄ остаток PO₄ трёхвалентен (III).

Пример составления формулы фосфата кальция:

1. Записываем символ кальция и группу кислотного остатка: Ca PO₄.
2. Надписываем валентности: кальций двухвалентен (II), остаток фосфат трёхвалентен (III).
3. НОК для 2 и 3 равно 6.
4. Находим индексы: для кальция 6 / 2 = 3; для группы PO₄ 6 / 3 = 2.
5. Записываем готовую формулу: Ca₃(PO₄)₂. Группу атомов, повторяющуюся в формуле дважды или более, обязательно заключают в круглые скобки.