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.

7. Как составить формулу по валентности

Способ 1: наименьшее общее кратное (НОК). Составим формулу Al(III) и O(II). НОК чисел 3 и 2 равно 6. Индекс алюминия: 6 : 3 = 2. Индекс кислорода: 6 : 2 = 3. Получаем Al₂O₃.

Способ 2: «крест-накрест». Валентность одного элемента становится индексом другого.

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

Если числа можно сократить, сокращаем: C(IV) и O(II) дают C₂O₄, делим на 2 и получаем CO₂. Индекс 1 не пишем.

Валентности	Формула
Na(I) и Cl(I)	NaCl
Mg(II) и Cl(I)	MgCl₂
Ca(II) и O(II)	Ca₂O₂ → CaO
S(VI) и O(II)	S₂O₆ → SO₃

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.

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.

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.

Валентность: сколько «ручек» у атома