Глава третья. Соединения химических элементов

Определения и обозначения

Химическая формула показывает качественный и количественный состав вещества с помощью символов элементов и индексов. Символ сообщает, атомы какого элемента входят в состав, а индекс — сколько таких атомов приходится на частицу вещества. Формула нужна, чтобы кратко записывать состав и выполнять расчёты по нему.

Валентность характеризует способность атома элемента образовывать определённое число химических связей. Её обозначают римской цифрой над символом элемента, например II или III. Валентность помогает определить соотношение атомов, когда составляют формулу соединения.

Оксиды — сложные вещества, состоящие из двух элементов, один из которых — кислород. Например, CO₂ — оксид, потому что в нём есть только углерод и кислород. Это определение помогает не путать оксиды с соединениями, где кислород входит в состав более сложной группы атомов.

Соли — сложные вещества, состоящие из атомов металла и кислотных остатков. Кислотный остаток — группа атомов, которая остаётся от кислоты после удаления атомов водорода. По сочетанию металла и остатка можно связать состав соли с соответствующими кислотами и основаниями.

Как это устроено

В формуле символы записывают рядом, а число атомов показывают маленькой цифрой справа внизу — индексом. Если индекса нет, атом считается один; в H₂O, например, два атома водорода и один кислорода. Индекс относится к символу непосредственно перед ним, а индекс после скобок умножает число атомов всей группы: в Ca(OH)₂ есть две группы OH. Так запись сохраняет точный состав вещества, не требуя перечислять атомы по одному.

Чтобы составить формулу бинарного соединения — вещества из двух элементов, — сначала записывают символы и известные валентности. Индекс одного элемента подбирают так, чтобы общее число связей его атомов соответствовало валентности другого элемента; на практике валентности переносят крест-накрест в индексы. Если оба индекса делятся на одно и то же число, их сокращают до наименьшего целого отношения. Затем проверяют: произведение индекса на валентность должно давать одинаковое число для обоих элементов, иначе соотношение атомов неверно.

Классы соединений различают по составу, потому что у каждого есть характерная часть формулы. Оксид содержит два элемента, один из которых кислород; кислота начинается с водорода и включает кислотный остаток. В основании есть металл и группа OH, а соль состоит из металла и кислотного остатка. Эти признаки позволяют классифицировать вещество даже тогда, когда его название ещё незнакомо.

Название соединения связано с тем, какие элементы или группы образуют его формулу. В названии оксида указывают кислород и второй элемент, а если у элемента возможны разные валентности, её уточняют римской цифрой. Названия кислот и солей связаны с кислотным остатком: например, остаток SO₄ называется сульфатом, поэтому H₂SO₄ — серная кислота, а Na₂SO₄ — сульфат натрия. Такое соответствие помогает переходить от формулы к названию и обратно.

Формула позволяет находить относительную молекулярную массу Mr: складывают относительные атомные массы всех атомов, умножая каждую на её индекс. Например, в H₂O учитывают два атома водорода и один кислорода. Массовая доля элемента — отношение суммарной массы его атомов в формуле к общей массе вещества; её выражают дробью или процентом. Поэтому при расчёте важно учитывать все индексы, включая индекс после скобок.

Основные классы неорганических соединений

Сначала найди в формуле характерные группы и определи, сколько разных элементов или частей в ней есть. Затем сравни состав с признаками в таблице: особенно проверь, есть ли OH в составе основания или кислотный остаток в соли. Пример показывает типичную формулу, но индексы у других веществ того же класса могут отличаться.

Разбор задач

Задача 1. Составьте формулу соединения алюминия с кислородом, если валентность алюминия равна III, а кислорода — II. Нужно подобрать наименьшее целое соотношение атомов, при котором валентности уравновешены. После подбора проверьте, можно ли сократить индексы.

1. Запишем символы элементов и валентности: Al(III) и O(II). Валентность показывает число связей, поэтому у алюминия три связи, а у кислорода две. Чтобы уравнять их общее число, ищем наименьшее общее кратное 3 и 2 — это 6.
2. Шесть связей дают два атома алюминия и три атома кислорода: 2 × 3 = 3 × 2. Поэтому формула получается Al₂O₃. Индексы 2 и 3 не имеют общего делителя, значит сократить их нельзя.

Ответ: Al₂O₃. Формула содержит два атома алюминия на три атома кислорода.

Задача 2. Определите класс вещества и назовите H₂SO₄, Ca(OH)₂ и Na₂CO₃. Начинаем с распознавания характерных частей формулы, а не с угадывания по названию. Затем используем названия элементов и кислотных остатков.

1. В H₂SO₄ формула начинается с водорода и содержит остаток SO₄, значит это кислота. Остаток SO₄ называется сульфатом, а кислота имеет название серная кислота. Число атомов водорода не меняет принадлежности вещества к кислотам.
2. В Ca(OH)₂ есть металл кальций и две группы OH, поэтому это основание — гидроксид кальция. В Na₂CO₃ металл натрий соединён с остатком CO₃, значит это соль. Остаток CO₃ называется карбонатом, поэтому название вещества — карбонат натрия.

Ответ: H₂SO₄ — серная кислота; Ca(OH)₂ — гидроксид кальция; Na₂CO₃ — карбонат натрия. Их классы соответственно кислота, основание и соль.

Задача 3. Найдите относительную молекулярную массу и массовую долю кислорода в CaCO₃. Используем относительные атомные массы: Ar(Ca) = 40, Ar(C) = 12, Ar(O) = 16. Сначала находим массу всей формульной единицы, затем выделяем вклад кислорода.

1. В формуле один атом кальция, один атом углерода и три атома кислорода. Поэтому Mr(CaCO₃) = 40 + 12 + 3 × 16 = 100. Множитель 3 обязателен: он учитывает все атомы кислорода.
2. Масса атомов кислорода равна 3 × 16 = 48. Делим её на общую массу: w(O) = 48/100 = 0,48, или 48%. Проверка проста: доля меньше целого, поскольку кислород составляет не всю формульную массу.

Ответ: Mr(CaCO₃) = 100; массовая доля кислорода равна 0,48, или 48%.

Типичные ошибки

Первая ошибка — считать, что индекс после скобок относится только к последнему элементу внутри них. Так делают, потому что индекс написан справа от закрывающей скобки, но он умножает число атомов всей группы. В Ca(OH)₂ есть два атома кислорода и два атома водорода. Проверяй каждый символ внутри скобок: его индекс тоже умножается на индекс группы.

Вторая ошибка — просто переписать валентности как индексы, не проверяя формулу. При таком способе легко получить индексы, которые можно сократить, и оставить неверное соотношение атомов. Например, для валентностей II и II после сокращения получается отношение 1:1, а не 2:2. Проверь равенство произведений индексов на валентности и сократи общий делитель.

Третья ошибка — считать оксидом любое соединение, в котором есть кислород. Её допускают, если замечают кислород, но не проверяют остальные части формулы. В кислотах, основаниях и солях кислород тоже встречается, однако таких элементов или групп в составе больше двух. Убедись, что в веществе ровно два элемента и один из них кислород.

Четвёртая ошибка — забыть индекс при расчёте массовой доли или учесть массу только одного атома нужного элемента. Так происходит, когда формулу читают как название, а не как точный счёт атомов. Для проверки сначала выпиши общее число атомов каждого элемента и умножь его на относительную атомную массу. Затем сравни массу выбранного элемента с общей массой вещества: доля не должна быть больше 1, или 100%.

Связь с другими темами

Для чтения формул нужны символы элементов, базовые представления о строении атома, различие простых и сложных веществ и правила чтения индексов. Валентность и составление формул пригодятся при записи уравнений реакций и расчётах по формулам. Различение оксидов, кислот, оснований и солей станет основой для изучения их свойств и химических превращений.

Что запомнить

• Химическая формула показывает, какие элементы и в каком соотношении входят в состав вещества.
• Индекс указывает число атомов элемента или групп атомов.
• В бинарном соединении индексы подбирают с учётом валентностей элементов.
• Оксид состоит из двух элементов, один из которых — кислород.
• Кислоты, основания и соли различают по составу формулы.
• Относительную молекулярную массу находят сложением относительных атомных масс с учётом индексов.
• Массовая доля элемента — отношение массы его атомов в формуле к общей массе вещества.