Валентность и формулы: 25 упражнений
Составлять формулы химики учатся в начале 8 класса, и это умение нужно потом во всех темах. Основа одна: валентность, число связей, которые атом может образовать. Зная её, формулу можно не запоминать, а вывести. Разбираем правило креста и тренируемся.
Для 8–9 классов.
Валентности, которые надо помнить
- Постоянная I: водород H, натрий Na, калий K, литий Li, фтор F.
- Постоянная II: кислород O, магний Mg, кальций Ca, барий Ba, цинк Zn.
- Постоянная III: алюминий Al, бор B.
- Переменная: железо Fe (II и III), медь Cu (I и II), сера S (II, IV, VI), углерод C (II и IV), фосфор P (III и V), азот N (от I до V), хлор Cl (I в соединениях с металлами и водородом, бывает и выше).
В бинарном соединении с металлом или водородом неметалл обычно проявляет низшую валентность: сера II в сульфидах, хлор I в хлоридах, азот III в нитридах.
Правило креста
- Написать символы элементов и над ними валентности: Al(III) O(II).
- Валентность первого элемента стать индексом второго, и наоборот: Al₂O₃.
- Если индексы можно сократить, сократить: S(VI) O(II) даёт S₂O₆, сокращаем до SO₃.
- Индекс 1 не пишется.
Проверка: произведение валентности на индекс у обоих элементов должно совпадать. В Al₂O₃: 2 · 3 = 6 и 3 · 2 = 6. Сошлось.
Откуда правило креста? Каждый атом алюминия может образовать три связи, каждый атом кислорода две. Чтобы все связи замкнулись друг на друга, общее число «рук» у алюминия и у кислорода должно совпасть. Наименьшее общее кратное трёх и двух равно шести: значит, нужно два атома алюминия и три атома кислорода. Крест просто быстрый способ найти это число.
Упражнение: составьте формулы
Задача
Составьте формулы соединений: 1) натрий и кислород; 2) кальций и хлор; 3) алюминий и сера (II); 4) железо (III) и кислород; 5) углерод (IV) и кислород; 6) фосфор (V) и кислород; 7) азот (III) и водород; 8) магний и азот (III); 9) сера (VI) и кислород; 10) медь (I) и кислород.
1) Na(I) O(II): Na₂O.
2) Ca(II) Cl(I): CaCl₂.
3) Al(III) S(II): Al₂S₃.
4) Fe(III) O(II): Fe₂O₃.
5) C(IV) O(II): C₂O₄, сокращаем до CO₂.
6) P(V) O(II): P₂O₅.
7) N(III) H(I): NH₃.
8) Mg(II) N(III): Mg₃N₂.
9) S(VI) O(II): S₂O₆, сокращаем до SO₃.
10) Cu(I) O(II): Cu₂O.
Ответ: Na₂O, CaCl₂, Al₂S₃, Fe₂O₃, CO₂, P₂O₅, NH₃, Mg₃N₂, SO₃, Cu₂O.
Упражнение: определите валентность
Обратная задача: по формуле найти валентность. Считаем общее число единиц валентности по элементу с известной валентностью и делим на индекс другого элемента.
Задача
Определите валентность: 1) железа в FeCl₃; 2) марганца в Mn₂O₇; 3) меди в Cu₂O; 4) серы в H₂S; 5) хрома в CrO₃; 6) азота в N₂O₅; 7) серы в SO₂.
1) Хлор I, три атома: 3 единицы на один атом железа. Fe(III).
2) Кислород II, семь атомов: 14 единиц на два атома марганца. Mn(VII).
3) Кислород II, одна единица на атом: 2 на два атома меди. Cu(I).
4) Водород I, два атома: S(II).
5) Кислород II, три атома: 6 единиц. Cr(VI).
6) 5 · 2 = 10 единиц на два атома азота: N(V).
7) 2 · 2 = 4: S(IV).
Ответ: III, VII, I, II, VI, V, IV.
Формула и расчёты
Задача
1) Найдите молярную массу H₂SO₄ и CaCO₃. 2) Найдите массовую долю кислорода в воде. 3) Найдите массовую долю железа в Fe₂O₃.
1) H₂SO₄: 2 · 1 + 32 + 4 · 16 = 98 г/моль. CaCO₃: 40 + 12 + 3 · 16 = 100 г/моль.
2) M(H₂O) = 18. ω(O) = 16/18 ≈ 0,889, то есть 88,9 %.
3) M(Fe₂O₃) = 2 · 56 + 3 · 16 = 160. ω(Fe) = 112/160 = 0,7, то есть 70 %.
Ответ: 98 и 100 г/моль; 88,9 %; 70 %.
Массовая доля нужна, например, чтобы понять, какая руда выгоднее: из той, где доля железа больше, металла получится больше. Расчётные задачи следующего уровня разобраны в статье о расчётных задачах.
Валентность и степень окисления
В 8 классе говорят о валентности, а в 9 появляется степень окисления. Они похожи, но не одинаковы: у степени окисления есть знак, плюс или минус, а валентность всегда положительное число. В Al₂O₃ валентность алюминия III, а степень окисления +3; у кислорода валентность II, степень окисления −2.
Для составления формул бинарных соединений обе величины дают один результат. А вот для уравнивания окислительно-восстановительных реакций нужна именно степень окисления, об этом статья об электронном балансе.
Разберём на занятии
Занимаемся по всем школьным предметам с 4 по 11 класс: живые занятия, общая доска и домашка, которую проверяет тот же преподаватель.
Первое занятие бесплатное: можно посмотреть формат вместе с ребёнком и решить, подходит ли он.
Частые вопросы
Как запомнить валентности?
Постоянные валентности удобно связать с положением в таблице Менделеева: у элементов первой группы главной подгруппы I, второй II, у алюминия III. Переменные запоминаются через частые соединения: FeO и Fe₂O₃, CO и CO₂.
Как назвать полученное вещество?
Бинарные соединения называют по второму элементу с суффиксом -ид: оксид, хлорид, сульфид, нитрид. Если у металла переменная валентность, её указывают римской цифрой в скобках: оксид железа (III) для Fe₂O₃, а FeO называется оксидом железа (II).
Почему не H₂O₂ для воды?
H₂O₂ существует, это перекись водорода. Но в ней кислород связан с кислородом, и правило креста к ней не применяется. Правило работает для простых бинарных соединений, где атомы одного элемента не связаны между собой. Таких исключений в школьной программе единицы, их запоминают отдельно.