§ 8. Валентность

Свойство атомов одного химического элемента соединяться со строго определённым числом атомов другого химического элемента.

• Базируется на законе постоянства состава веществ молекулярного строения, открытом Жозефом Луи Прустом в 1799 году
• За эталонную единицу валентности принята валентность атома водорода, которая всегда строго равна I
• Валентность элемента в водородном соединении определяется числом связанных атомов водорода: в хлороводороде HCl хлор одновалентен (I), в воде H₂O кислород двухвалентен (II), в аммиаке NH₃ азот трёхвалентен (III), в метане CH₄ углерод четырёхвалентен (IV)

Графическая знаковая модель молекулы, в которой каждая химическая связь обозначается чёрточкой (валентным штрихом), наглядно отображая порядок соединения атомов.

• Число исходящих от символа элемента валентных штрихов строго равно его валентности в данном химическом соединении
• Показывает пространственную взаимную связь атомов (например, для углекислого газа: O=C=O)
• Позволяет судить о реальной геометрии молекулы и предотвращает химические ошибки при составлении уравнений

Классификация химических элементов по способности проявлять неизменное или варьирующееся число связей в различных соединениях.

• Элементы с постоянной валентностью: одновалентные I — H, F, Li, Na, K; двухвалентные II — O, Mg, Ca, Ba; трёхвалентные III — B, Al
• Элементы с переменной валентностью: Cu (I, II), Fe (II, III), S (II, IV, VI), N (I, II, III, IV), C (II, IV), P (III, V), Cl (I, III, V, VII), Si (II, IV)
• Понятие валентности распространяется также на сложные группы атомов — кислотные остатки (например, кислотный остаток PO₄ в ортофосфорной кислоте H₃PO₄ трёхвалентен)

Стехиометрический метод нахождения неизвестной валентности элемента в бинарном соединении на основе постоянной валентности партнёра.

• Алгоритм определения:
• Над символом элемента с известной постоянной валентностью записывают её значение римской цифрой (у кислорода — II)
• Находят суммарное число единиц валентности перемножением валентности на индекс данного элемента
• Делят полученное произведение на индекс элемента с неизвестной валентностью — частное даёт значение его искомой валентности

Международная номенклатурная система наименования химических веществ, состоящих строго из двух элементов.

• Первым словом записывается корень латинского названия второго элемента формулы с суффиксом «-ид» (оксид — O, хлорид — Cl, сульфид — S, фторид — F, бромид — Br, иодид — I, нитрид — N, фосфид — P, карбид — C)
• Вторым словом указывается русское название первого элемента в родительном падеже (например, хлорид натрия, сульфид цинка)
• Для элементов с переменной валентностью в конце названия в скобках римскими цифрами указывается численное значение его валентности без пробела перед скобкой (например, оксид железа(III), хлорид фосфора(V))

Французский химик, один из основоположников стехиометрии и аналитической химии, экспериментально открывший фундаментальный закон постоянства состава веществ.

• В 1799 году сформулировал фундаментальный закон постоянства состава, доказав, что всякое индивидуальное химическое вещество молекулярного строения обладает строго постоянным качественным и количественным составом независимо от способа его получения.
• Экспериментально исследовал оксиды и сульфиды металлов, показав, что соотношение масс элементов в чистых соединениях всегда неизменно, что стало важнейшим аргументом в пользу атомного строения материи и понятия валентности.
• В многолетней научной полемике с Клодом Бертолле отстоял вывод о постоянстве состава чистых химических соединений, заложив эмпирический фундамент для закона кратных отношений и химической атомистики.

Согласно схеме 3 учебника, хлор проявляет переменную валентность I, III, V и VII, а кислород во всех оксидах обладает постоянной валентностью II.

Применяя алгоритм составления формул через наименьшее общее кратное (НОК) валентностей:

• Хлор одновалентен (I): НОК(1, 2) = 2. Индекс Cl = 2 / 1 = 2, индекс O = 2 / 2 = 1. Формула: Cl₂O — оксид хлора(I);
• Хлор трёхвалентен (III): НОК(3, 2) = 6. Индекс Cl = 6 / 3 = 2, индекс O = 6 / 2 = 3. Формула: Cl₂O₃ — оксид хлора(III);
• Хлор пятивалентен (V): НОК(5, 2) = 10. Индекс Cl = 10 / 5 = 2, индекс O = 10 / 2 = 5. Формула: Cl₂O₅ — оксид хлора(V);
• Хлор семивалентен (VII): НОК(7, 2) = 14. Индекс Cl = 14 / 7 = 2, индекс O = 14 / 2 = 7. Формула: Cl₂O₇ — оксид хлора(VII).

1. Составление формул и названий:

Железо проявляет переменную валентность II и III, а сера в бинарных соединениях с металлами (сульфидах) проявляет постоянную валентность II:

• Для железа(II): валентности Fe(II) и S(II) совпадают, НОК = 2, формула — FeS (сульфид железа(II));
• Для железа(III): валентности Fe(III) и S(II), НОК = 6, индексы: у Fe = 6 / 3 = 2, у S = 6 / 2 = 3, формула — Fe₂S₃ (сульфид железа(III)).

2. Расчёт массовой доли железа в FeS:

Дано:

Вещество: FeS

$A_r(\text{Fe}) = 56$

$A_r(\text{S}) = 32$

Найти:

$w(\text{Fe}) - ?$

Решение:

Относительная молекулярная масса сульфида железа(II):

$$M_r(\text{FeS}) = A_r(\text{Fe}) + A_r(\text{S}) = 56 + 32 = 88$$

Массовая доля железа вычисляется по формуле:

$$w(\text{Fe}) = \frac{A_r(\text{Fe})}{M_r(\text{FeS})} \cdot 100\% = \frac{56}{88} \cdot 100\% \approx 63{,}64\%$$

Ответ: в FeS массовая доля железа $w(\text{Fe}) \approx 63{,}64\%$ (или 0,6364).

3. Расчёт массовой доли железа в Fe₂S₃:

Дано:

Вещество: $\text{Fe}_2\text{S}_3$

$A_r(\text{Fe}) = 56$

$A_r(\text{S}) = 32$

Найти:

$w(\text{Fe}) - ?$

Решение:

Относительная молекулярная масса сульфида железа(III):

$$M_r(\text{Fe}_2\text{S}_3) = 2 \cdot A_r(\text{Fe}) + 3 \cdot A_r(\text{S}) = 2 \cdot 56 + 3 \cdot 32 = 112 + 96 = 208$$

Массовая доля железа:

$$w(\text{Fe}) = \frac{2 \cdot A_r(\text{Fe})}{M_r(\text{Fe}_2\text{S}_3)} \cdot 100\% = \frac{112}{208} \cdot 100\% \approx 53{,}85\%$$

Ответ: в $\text{Fe}_2\text{S}_3$ массовая доля железа $w(\text{Fe}) \approx 53{,}85\%$ (или 0,5385).

1. Оксид углерода(II):

Валентность C(II), кислород O(II). НОК = 2. Формула: CO.

Систематическое название: оксид углерода(II) (тривиальное название — угарный газ).

Дано:

Вещество: CO

$A_r(\text{C}) = 12$

$A_r(\text{O}) = 16$

Найти:

$w(\text{C}) - ?$, $w(\text{O}) - ?$

Решение:

Относительная молекулярная масса:

$$M_r(\text{CO}) = A_r(\text{C}) + A_r(\text{O}) = 12 + 16 = 28$$

Массовые доли элементов:

$$w(\text{C}) = \frac{A_r(\text{C})}{M_r(\text{CO})} \cdot 100\% = \frac{12}{28} \cdot 100\% \approx 42{,}86\%$$

$$w(\text{O}) = 100\% - w(\text{C}) = 100\% - 42{,}86\% = 57{,}14\%$$

Ответ: для CO: $w(\text{C}) \approx 42{,}86\%$, $w(\text{O}) \approx 57{,}14\%$.

2. Оксид углерода(IV):

Валентность C(IV), кислород O(II). НОК = 4. Индекс C = 4 / 4 = 1, индекс O = 4 / 2 = 2. Формула: CO₂.

Систематическое название: оксид углерода(IV) (тривиальное название — углекислый газ).

Дано:

Вещество: $\text{CO}_2$

$A_r(\text{C}) = 12$

$A_r(\text{O}) = 16$

Найти:

$w(\text{C}) - ?$, $w(\text{O}) - ?$

Решение:

Относительная молекулярная масса:

$$M_r(\text{CO}_2) = A_r(\text{C}) + 2 \cdot A_r(\text{O}) = 12 + 2 \cdot 16 = 12 + 32 = 44$$

Массовые доли элементов:

$$w(\text{C}) = \frac{A_r(\text{C})}{M_r(\text{CO}_2)} \cdot 100\% = \frac{12}{44} \cdot 100\% \approx 27{,}27\%$$

$$w(\text{O}) = 100\% - w(\text{C}) = 100\% - 27{,}27\% = 72{,}73\%$$

Ответ: для $\text{CO}_2$: $w(\text{C}) \approx 27{,}27\%$, $w(\text{O}) \approx 72{,}73\%$.

По правилам номенклатуры бинарных соединений:

• PCl₃ — хлорид фосфора(III) (у хлора валентность I, $1 \times 3 = 3$, фосфор трёхвалентен);
• SO₂ — оксид серы(IV) (у кислорода валентность II, $2 \times 2 = 4$, сера четырёхвалентна);
• CS₂ — сульфид углерода(IV) (у серы в сульфидах валентность II, $2 \times 2 = 4$, углерод четырёхвалентен; тривиальное название — сероуглерод);
• Cu₂O — оксид меди(I) (у кислорода валентность II, $2 \times 1 = 2$, делим на 2 атома меди: медь одновалентна);
• KCl — хлорид калия (калий и хлор обладают постоянной валентностью I, поэтому значение валентности в названии не указывается);
• SO₃ — оксид серы(VI) (у кислорода валентность II, $2 \times 3 = 6$, сера шестивалентна).