Повний практичний довідник зі складання формул бінарних сполук та зворотного визначення валентності

• ← Назад до змісту довідника

Хімічна формула — це точний кулінарний рецепт молекули або кристала з конструктора LEGO. Вона безпомилково показує, які саме «детальки»-атоми та в якій кількості об’єдналися у стійку хімічну споруду. Головний закон, що керує цим будівництвом, — валентність. Це здатність атома подавати певну кількість хімічних «рук» для міцного рукостискання з іншими атомами.

У шкільних підручниках нерідко пропонують підбирати індекси через найменше спільне кратне (НСК). Це працює, але часто заплутує й забирає дорогоцінний час. На практиці хіміки користуються блискавичним і простим прийомом, який береже нерви та гарантує точний результат.

1. Складання хімічних формул сполук за валентністю

Бінарні сполуки — це хімічні ансамблі, складені з атомів лише двох різних хімічних елементів. Найчастіше ми зустрічаємо оксиди (сполуки з Оксигеном), а також солеподібні речовини металів із неметалами (хлориди, сульфіди) або сполуки неметалів між собою.

Щоб безпомилково збудувати формулу будь-якої бінарної сполуки, нам необхідно знати валентності обох учасників союзу.

Джерела підказок для швидкого визначення валентності:

Періодична система елементів: надійний путівник для елементів зі сталою валентністю. Для типових металів головних підгруп валентність збігається з номером групи: лужні метали ($\mathrm{Li}$, $\mathrm{Na}$, $\mathrm{K}$) сидять у I групі й мають валентність $\mathrm{I}$; метали II групи ($\mathrm{Mg}$, $\mathrm{Ca}$, $\mathrm{Ba}$, а також $\mathrm{Zn}$) мають сталу валентність $\mathrm{II}$; Алюміній ($\mathrm{Al}$) у III групі міцно тримає валентність $\mathrm{III}$.

Таблиця розчинності солей, кислот і основ: готова шпаргалка. Числове значення заряду катіона металу або кислотного залишку повністю відповідає його валентності! Йони $\mathrm{Na}^+$ чи $\mathrm{K}^+$ вказують на одновалентність ($\mathrm{I}$), йони $\mathrm{Ba}^{2+}$ чи $\mathrm{Zn}^{2+}$ — на двовалентність ($\mathrm{II}$), йон $\mathrm{Al}^{3+}$ — на тривалентність ($\mathrm{III}$), а сульфід-аніон $\mathrm{S}^{2-}$ підказує, що валентність Сульфуру в цій сполуці дорівнює $\mathrm{II}$.

Римська цифра в назві: якщо елемент має змінний хімічний характер і може витягувати різну кількість зв’язків, автор завдання прямо пише її в дужках: Ферум(III), Хлор(VII), Сульфур(IV).

Прийом «Правило діагоналей» («хрест-навхрест»)

Запишіть символи елементів поруч і вкажіть римськими цифрами їхні валентності вгорі. Тепер просто опустіть ці числа навхрест: валентність лівого елемента перетворюється на правий нижній індекс сусіда, а валентність правого — стає індексом лівого.

Залізний закон хімічного запису: одиницю опускаємо!

Одиниця в хімічних формулах — це атом-невидимка. Якщо в результаті діагоналі або скорочення виходить 1, ми її ніколи не пишемо. Сам символ елемента вже означає, що один атом тут присутній. Записи штибу $\mathrm{Na_2O_1}$ чи $\mathrm{C_1Cl_4}$ вважаються грубою безграмотністю.

Золоте правило парних індексів: скорочуй!

Хімічна формула любить гармонію та простоту. Якщо обидва отримані за діагоналлю індекси можна поділити на одне й те саме число (наприклад, обидва парні й діляться на 2), обов’язково скоротіть їх. Формула повинна фіксувати найпростіше співвідношення атомів у кристалі чи молекулі.

Обидва індекси парні, тому кожен скорочуємо на 2. Тобто у сірки 2 ділимо на 2 = індекс 1, а у кисню 4 ділимо на 2 = індекс 2.

Фінальний результат (одиничку не пишемо):

Запишемо покроковий алгоритм дій:

1. Запис символів: розташовуємо елементи поряд. На першому місці завжди пишеться метал або менш електронегативний елемент, на другому — неметал або всюдисущий Оксиген.

2. Розстановка валентностей: підписуємо римські цифри чітко над кожним хімічним знаком. Пам’ятаємо: Оксиген у переважній більшості сполук завжди має дві «руки» $\overset{\mathrm{II}}{\mathrm{O}}$.

3. Знесення навхрест: число валентності першого елемента летить у правий нижній кут другого, а валентність другого стає індексом першого.

4. Скорочення та чистовик: якщо індекси діляться на спільне число — ділимо, а одиниці просто стираємо з очей.

4 ключові випадки складання формул (розбір на схемах):

Випадок 1. Базовий: без скорочення індексів
Коли отримані за діагоналлю індекси не мають спільного дільника, вони залишаються без змін. Одиниці в хімічному записі завжди опускаємо:

• Алюміній оксид ($\mathrm{Al_2O_3}$): Алюміній має сталу валентність $\mathrm{III}$, Оксиген — завжди $\mathrm{II}$.
  

• Натрій оксид ($\mathrm{Na_2O}$): Натрій має валентність $\mathrm{I}$, Оксиген — $\mathrm{II}$. Одиницю біля Оксигену не записуємо:
  

• Хлор(VII) оксид ($\mathrm{Cl_2O_7}$): Хлор виявляє максимальну валентність $\mathrm{VII}$, Оксиген — $\mathrm{II}$:
  

Випадок 2. Скорочення однакових індексів ($2 : 2 = 1$)
Коли обидва елементи мають однакову валентність, діагональ дає однакові парні індекси. Обов’язково ділимо їх на $2$, а одиниці в чистовику не пишемо:

• Барій оксид ($\mathrm{BaO}$): Барій — метал II групи ($\overset{\mathrm{II}}{\mathrm{Ba}}$), Оксиген — двовалентний ($\overset{\mathrm{II}}{\mathrm{O}}$).
  

Випадок 3. Скорочення різних парних індексів ($2 : 4$ або $2 : 6$)
Якщо обидва отримані індекси парні, ділимо кожен із них на $2$:

• Сульфур(IV) оксид ($\mathrm{SO_2}$): Сульфур чотиривалентний, Оксиген — двовалентний. Знесення дає чернетку $\mathrm{S_2O_4}$, скорочуємо кожен індекс на $2$ ($2 : 2 = 1$, $4 : 2 = 2$) і стираємо одиницю:
  

Випадок 4. Бінарні сполуки без Оксигену (сульфіди, фосфіди, хлориди)
Правило діагоналей діє абсолютно однаково для будь-яких пар елементів. Неметал на другому місці виявляє найнижчу сталу валентність (Сульфур — $\mathrm{II}$, Фосфор — $\mathrm{III}$, Хлор — $\mathrm{I}$):

• Ферум(III) сульфід ($\mathrm{Fe_2S_3}$): Ферум тривалентний ($\overset{\mathrm{III}}{\mathrm{Fe}}$), Сульфур у сульфідах — двовалентний ($\overset{\mathrm{II}}{\mathrm{S}}$):
  

• Цинк фосфід ($\mathrm{Zn_3P_2}$): Цинк двовалентний ($\overset{\mathrm{II}}{\mathrm{Zn}}$), Фосфор із металами має валентність $\mathrm{III}$:
  

• Карбон(IV) хлорид ($\mathrm{CCl_4}$): Карбон чотиривалентний, Хлор одновалентний. Одиницю біля Карбону опускаємо:
  

2. Визначення валентності елементів за хімічними формулами

Зворотне завдання — це робота хімічного детектива: перед нами готова формула, і нам треба розшифрувати, скільки ж зв’язків задіяв кожен атом. Ця навичка життєво необхідна для складання рівнянь реакцій, правильного називання речовин та розстановки коефіцієнтів.

💡 Прийом «Еталонний маяк»
Ніколи не починайте розслідування з елементів, які мають змінну валентність. Знайдіть у формулі «маяк» — атом зі залізобетонною, наперед відомою валентністю. Оксиген у бінарних сполуках завжди має валентність $\mathrm{II}$, Гідроген і Флуор — завжди $\mathrm{I}$, лужні метали — $\mathrm{I}$, метали II групи (та Цинк) — $\mathrm{II}$. Саме цей еталонний маяк миттєво підкаже, чи скорочували формулу.

Правило підйому за діагоналлю та «домножування на 2»

Підніміть нижній індекс кожного атома навхрест угору до його сусіда. Тепер киньте погляд на наш маяк:

Якщо над Оксигеном опинилася законна валентність $\mathrm{II}$ (або над Гідрогеном — $\mathrm{I}$), формулу ніхто не скорочував, і всі валентності знайдені правильно!

Якщо ж над Оксигеном після підйому стоїть цифра $\mathrm{I}$, увімкніть тривогу: формула була скорочена на 2. Щоб відновити істинні значення валентностей, помножте обидва отримані числа на 2!

Група 1. Сполуки без скорочення індексів (чиста діагональ угору):

Якщо індекси біля елементів не мають спільного дільника, підйом навхрест одразу дає істинні валентності. Звіряємося з еталонним маяком: якщо значення зійшлося, нічого змінювати не треба.

• Фосфор(V) оксид ($\mathrm{P_2O_5}$): індекс 2 прямує вгору до Оксигену ($\overset{\mathrm{II}}{\mathrm{O}}$), а індекс 5 — до Фосфору ($\overset{\mathrm{V}}{\mathrm{P}}$). Маяк підтверджує: Оксиген двовалентний, усе сходиться:
  

• Ферум(III) сульфід ($\mathrm{Fe_2S_3}$): індекс 3 вирушає вгору до Феруму ($\overset{\mathrm{III}}{\mathrm{Fe}}$), а 2 — до Сульфуру ($\overset{\mathrm{II}}{\mathrm{S}}$). Маяк-Сульфур підтверджує свою сталу валентність $\mathrm{II}$:
  

• Інші приклади:

  • $\mathrm{Li_2O} \rightarrow$ підйом дає $\overset{\mathrm{I}}{\mathrm{Li}}_2\overset{\mathrm{II}}{\mathrm{O}}$ (Оксиген $\mathrm{II}$).
  • $\mathrm{Cl_2O_7} \rightarrow$ підйом дає $\overset{\mathrm{VII}}{\mathrm{Cl}}_2\overset{\mathrm{II}}{\mathrm{O}}_7$ (Хлор $\mathrm{VII}$).
  • $\mathrm{SF_6} \rightarrow$ підйом дає $\overset{\mathrm{VI}}{\mathrm{S}}\overset{\mathrm{I}}{\mathrm{F}}_6$ (Флуор завжди $\mathrm{I}$).
  • $\mathrm{CaH_2} \rightarrow$ підйом дає $\overset{\mathrm{II}}{\mathrm{Ca}}\overset{\mathrm{I}}{\mathrm{H}}_2$ (Гідроген завжди $\mathrm{I}$).

Група 2. Сполуки зі скороченими індексами (детектив із подвоєнням):

Якщо після перехресного підйому ви бачите, що над маяком опинилася вдвічі менша валентність (наприклад, $\mathrm{I}$ замість $\mathrm{II}$) — це означає, що формулу раніше скоротили на 2! Обов’язково домножуємо обидві знайдені цифри на 2:

• Сульфур(IV) оксид ($\mathrm{SO_2}$): підйом навхрест дає над Оксигеном $\mathrm{I}$, а над Сульфуром $\mathrm{II}$. Але Оксиген завжди $\mathrm{II}$! Множимо на 2: $1 \cdot 2 = \mathrm{II}$, $2 \cdot 2 = \mathrm{IV} \rightarrow \overset{\mathrm{IV}}{\mathrm{S}}\overset{\mathrm{II}}{\mathrm{O}}_2$:
  

• Барій сульфід ($\mathrm{BaS}$): видимих індексів немає ($1:1$). Підйом показує одиниці, проте Барій у II групі завжди має валентність $\mathrm{II}$! Множимо на 2: $\overset{\mathrm{II}}{\mathrm{Ba}}\overset{\mathrm{II}}{\mathrm{S}}$:
  

• Нітроген(II) оксид ($\mathrm{NO}$): індекси $1:1$. Оксиген вимагає подвоєння: $1 \cdot 2 = \mathrm{II}$, отже Нітроген тут теж двовалентний $\rightarrow \overset{\mathrm{II}}{\mathrm{N}}\overset{\mathrm{II}}{\mathrm{O}}$.