Валентність і складання формул бінарних сполук

Поняття валентності — одне з ключових у шкільній хімії. У найпростішому шкільному описі валентність — це число ковалентних хімічних зв'язків, якими даний атом сполучений з іншими атомами в молекулі. Якщо зв'язок кратний (подвійний або потрійний), він ураховується за своєю кратністю: кожна лінія в графічній формулі — це один зв'язок.

Валентність завжди записують римською цифрою без знака «плюс» або «мінус». Наприклад, I, II, III, IV, V, VI, VII. У йонних сполуках (як-от NaCl) шкільна хімія послуговується сполучними здатностями, що відповідають зарядам йонів: для Na⁺ валентність I, для Cl⁻ теж I.

Постійні й змінні валентності

Якщо елемент має змінну валентність, потрібне значення або вказане в умові задачі, або випливає з формули сполуки.

Графічні формули й зв'язки Оксигену

Графічна (структурна) формула допомагає побачити валентність кожного атома. Розгляньмо дві найважливіші:

• Вода H₂O: H–O–H — Оксиген утворює два зв'язки (дві риски), тому його валентність II. Кожен Гідроген утворює один зв'язок — валентність I.

• Вуглекислий газ CO₂: O=C=O — Карбон утворює чотири зв'язки (два подвійні), отже, його валентність IV. Кожен Оксиген — два зв'язки (валентність II).

Важливо не плутати індекс і валентність. У H₂O індекс Оксигену — 1 (його не пишуть), а валентність — II. Індекс показує число атомів, валентність — число зв'язків одного атома.

Щоб скласти найпростішу формулу бінарної сполуки за відомими валентностями, використовують алгоритм через найменше спільне кратне (НСК).

Алгоритм

1. Запиши символи елементів (першим — метал або менш електронегативний елемент).

2. Над символами постав їхні валентності римськими цифрами.

3. Знайди НСК цих валентностей.

4. Поділи НСК на кожну валентність — отримаєш індекс для відповідного елемента.

5. Індекс 1 не записуй.

Розгляньмо на прикладі алюміній оксиду. Алюміній має валентність III, Оксиген — II. НСК(3, 2) = 6. Ділимо: 6 : 3 = 2 (індекс Al), 6 : 2 = 3 (індекс O). Отже, формула — Al₂O₃.

Приклади складання формул оксидів

Формула P₂O₅ — це найпростіша (емпірична) формула. Справжня молекула фосфор(V) оксиду має склад P₄O₁₀, але для визначення валентності й складання формул на НМТ достатньо найпростішого запису.

Зворотний розрахунок: валентність за формулою

Якщо формула відома, а валентність одного з елементів треба визначити, використовують рівність добутків:

Індекс₁ · Валентність₁ = Індекс₂ · Валентність₂

• У Fe₂O₃ валентність Оксигену II. Маємо: 2 · V(Fe) = 3 · II → 2 · V(Fe) = 6 → V(Fe) = III.

• У CO₂ валентність Оксигену II. Маємо: 1 · V(C) = 2 · II → V(C) = IV.

• У NH₃ валентність Гідрогену I. Маємо: 1 · V(N) = 3 · I → V(N) = III.

Алгоритм через НСК працює для типових бінарних сполук, але має обмеження. Щойно складена формула потребує перевірки: добутки індексу на валентність для обох елементів мають збігатися.

Скорочення до найпростіших індексів

Розгляньмо сполуку Кальцію з Оксигеном. Кальцій має валентність II, Оксиген — II. НСК(2, 2) = 2. Ділимо: 2 : 2 = 1 для Ca, 2 : 2 = 1 для O. Отримуємо CaO, а не Ca₂O₂. Запис Ca₂O₂ був би правильним лише за співвідношенням добутків, але порушував би вимогу найменших цілих індексів — тому його обов'язково скорочують, і формула набуває вигляду CaO.

Запам'ятай: найпростіша формула завжди має найменші можливі цілі індекси. Ca₂O₂ — неправильний запис.

Виняток — пероксиди (H₂O₂)

Правило НСК не відновлює будь-яку молекулярну формулу. Класичний приклад — гідроген пероксид H₂O₂. Його графічна формула H–O–O–H містить зв'язок O–O, тому валентність кожного Оксигену дорівнює II (два зв'язки: один з H, один з другим O). За валентностями H(I) і O(II) правило НСК дає формулу H₂O, а не H₂O₂. Якщо ж скоротити індекси H₂O₂ до найпростішого співвідношення 1 : 1, вийде «формула» HO, яка не відображає реальної будови молекули. Молекулярну формулу H₂O₂ скорочувати не можна.

Валентність проти ступеня окиснення

Валентність і ступінь окиснення — різні поняття, хоча їх часто плутають. Валентність — число зв'язків (без знака), ступінь окиснення — умовний заряд атома в молекулі (зі знаком + або −).

Зверни увагу: валентність Оксигену всюди II, а ступінь окиснення щоразу інший. Алгоритм визначення ступенів окиснення детально розглянуто в окремому уроці (тема 1.3 програми НМТ).

Приклад 1. Найпростіша формула оксиду

Завдання: Визнач найпростішу формулу оксиду, у якому елемент E проявляє валентність III.

Кроки розв'язання:

• Записуємо символи: E та O.

• Валентності: E(III), O(II).

• НСК(3, 2) = 6.

• Індекс E: 6 : 3 = 2.

• Індекс O: 6 : 2 = 3.

• Формула: E₂O₃.

Правильна відповідь: E₂O₃.

Чому інші варіанти неправильні:

• EO₃ — відповідає валентності E = VI (1 · 6 = 3 · 2).

• E₃O₂ — індекси переставлено місцями: 3 · V(E) = 2 · II = 4, ціла валентність E не виходить, тож ця формула не відповідає жодній валентності E.

• EO — відповідає валентності E = II (1 · 2 = 1 · 2).

Приклад 2. Валентність Сульфуру

Завдання: У якій зі сполук Сульфур має валентність IV?

Кроки розв'язання. Перевіряємо кожну сполуку через рівність добутків:

• H₂S: 2 · I = 2, отже 1 · V(S) = 2 → V(S) = II.

• SO₂: 2 · II = 4, отже 1 · V(S) = 4 → V(S) = IV.

• SO₃: 3 · II = 6, отже 1 · V(S) = 6 → V(S) = VI.

• SCl₂: Хлор має валентність I. 2 · I = 2, отже 1 · V(S) = 2 → V(S) = II.

Правильна відповідь: SO₂.

Чому інші неправильні: H₂S дає V(S) = II, SO₃ дає V(S) = VI, SCl₂ дає V(S) = II. Лише в SO₂ валентність Сульфуру дорівнює IV.

Приклад 3. Валентність і ступінь окиснення O в H₂O₂

Завдання: Визнач пару «валентність Оксигену; ступінь окиснення Оксигену» в H₂O₂.

Кроки розв'язання:

• Графічна формула H₂O₂: H–O–O–H. Кожен атом Оксигену утворює два зв'язки (один з H, один з другим O), отже, валентність O = II.

• Ступінь окиснення: загальний заряд молекули 0. H має +1, двох H — сума +2. На два атоми O припадає −2, тому на кожен O — −1.

Правильна відповідь: II; −1.

Чому інші неправильні:

• «I; −1» — валентність O не I, а II.

• «II; −2» — ступінь окиснення −2 був би у H₂O, а не в H₂O₂.

• «0; 0» — нульовий ступінь окиснення характерний для простої речовини O₂, а не для H₂O₂.

• Писати знак + або − біля валентності. Валентність — беззнакова римська цифра. Знак + або − ставлять біля ступеня окиснення (наприклад, +2, −1). Не пиши «валентність +II».

• Переносити валентності в індекси без скорочення: Ca₂O₂ замість CaO. Якщо обидві валентності однакові, НСК дорівнює цьому числу, а після ділення індекси стають 1. Запис Ca₂O₂ — неправильний; правильний — CaO.

• Скорочувати молекулярну формулу H₂O₂ до HO. H₂O₂ має зв'язок O–O, тому його не можна зводити до найпростішого співвідношення 1:1. Молекулярна формула H₂O₂ — правильна, HO — хибна.

• Вважати число атомів у формулі валентністю. Наприклад, у H₂O індекс 2 біля H, але валентність H — I, а не II. Валентність визначають за числом зв'язків, а не за індексом.

Відповідно до програми НМТ з хімії, тема 1.1 «Основні хімічні поняття» вимагає вміння визначати валентність за формулою та складати найпростіші формули бінарних сполук. Тема 1.3 програми передбачає, зокрема, розрізнення валентності й ступеня окиснення.

Формат завдань

Завдання з цієї теми належать до групи 1–18 тесту та мають формат вибору однієї правильної відповіді з чотирьох (А–Г). Максимальна оцінка — 0 або 1 бал.

Стратегія виконання

• Спочатку перевір, чи сполука типова (без O–O, S–S тощо). Якщо типова — застосовуй правило НСК або рівність добутків.

• Пам'ятай: добутки індексу на валентність для обох елементів мають бути рівними.

• Ніколи не підмінюй валентність зарядом йона. Валентність — римська цифра без знака, ступінь окиснення — арабська зі знаком.

• Якщо в завданні є H₂O₂ — це пастка на скорочення індексів. H₂O₂ не скорочують.

• Валентність показує число хімічних зв'язків атома в молекулі; записують римською цифрою без знака.

• Найменше спільне кратне (НСК) валентностей допомагає отримати найпростішу формулу типової бінарної сполуки.

• Зворотно: валентність невідомого елемента знаходять за індексами й відомою валентністю другого елемента через рівність добутків.

• Валентність і ступінь окиснення — не тотожні поняття. H₂O₂ — важливий приклад, де валентність O = II, а ступінь окиснення O = −1.

• Молекулярну формулу H₂O₂ не скорочують до HO через наявність зв'язку O–O.