Раздел III. Соединения химических элементов

Определения и обозначения

Оксид — сложное вещество, состоящее из двух химических элементов, один из которых кислород. Например, MgO содержит магний и кислород, поэтому относится к оксидам. Чтобы распознать оксид, нужно проверить, что в формуле всего два элемента и один из них — кислород. Если элементов больше двух, вещество не является оксидом.

Основание — сложное вещество, состоящее из атома металла и одной или нескольких гидроксогрупп OH. Гидроксогруппа — это группа атомов кислорода и водорода, записываемая в формуле вместе: например, в NaOH она одна, а в Ca(OH)₂ их две. Число таких групп связано с валентностью металла. По OH в формуле можно отличить основание от других классов соединений.

Кислота — сложное вещество, в состав которого входят атомы водорода и кислотный остаток. Кислотный остаток — часть формулы, остающаяся после атомов водорода; например, в H₂SO₄ это SO₄. В записи формулы водород обычно стоит первым, а кислотный остаток — после него. Такое строение помогает отличать кислоты от оснований и солей.

Соль — сложное вещество, включающее катионы металла и анионы кислотного остатка. Катион — положительно заряженная частица, а анион — отрицательно заряженная; например, в Na₂SO₄ катионы натрия соединены с анионом SO₄. Число частиц в формуле обеспечивает общий нейтральный заряд вещества. Состав соли показывает, с каким металлом и каким кислотным остатком она связана.

Как это устроено

Вещества сначала различают по числу элементов: простое содержит атомы одного элемента, сложное — двух или более. Это деление основано на составе, а не на внешнем виде или агрегатном состоянии вещества. Среди сложных веществ выделяют классы с характерными сочетаниями атомов и групп. Поэтому формула часто позволяет распознать оксид, основание, кислоту или соль ещё до изучения свойств вещества.

Валентность показывает, сколько связей атом элемента может образовать с другими атомами. При составлении формулы индексы подбирают так, чтобы суммарные вклады валентностей двух элементов совпадали: иначе состав не будет соответствовать их валентностям. Например, алюминий имеет валентность III, а кислород — II, поэтому минимальное общее число связей равно шести. Получаются два атома алюминия и три атома кислорода, то есть Al₂O₃; индексы меньше уже не сократить.

Название вещества связано с его составом: в нём указывают элементы или частицы, из которых построено соединение. Названия вроде «оксид кальция» и «сульфат калия» сообщают, соответственно, что перед нами оксид кальция и соль с кислотным остатком сульфатом. Чтобы выбрать название и класс, сначала разбирают формулу: находят металл, кислород, водород, гидроксогруппу или кислотный остаток. Такой порядок уменьшает риск назвать вещество только по одному знакомому символу.

Относительную молекулярную массу обозначают Mr и находят сложением относительных атомных масс всех атомов в формуле. Каждый атом учитывают столько раз, сколько показывает его индекс: для H₂O это два атома водорода и один кислорода. Если в формуле есть скобки, индекс после скобок относится ко всей группе. Сумма даёт относительную массу формульной частицы вещества, а не массу отдельного атома.

Массовая доля элемента показывает, какая часть общей массы соединения приходится на этот элемент. Для расчёта сначала находят массу всех атомов элемента в формуле: Ar умножают на число его атомов, затем делят на Mr соединения. Чтобы представить долю в процентах, результат умножают на 100%. Такое вычисление позволяет сравнивать состав разных веществ количественно, а не только перечислять входящие в них элементы.

Основные классы неорганических соединений

Пользуйтесь таблицей как последовательностью проверок: определите, сколько элементов записано, и найдите характерные группы или части формулы. Общий вид показывает лишь схему состава, поэтому индексы у конкретного вещества могут быть разными. Если один признак кажется недостаточным, проверьте формулу по остальным особенностям состава.

Разбор задач

1. Формула соединения алюминия с кислородом

Дано: валентность алюминия III, кислорода II. Нужно определить индексы, чтобы в формуле соблюдалось соотношение валентностей. Запишем символы элементов рядом: Al и O. Проверим, можно ли получить наименьшие целые индексы без общего множителя.

1. Записываем валентности над символами: Al(III), O(II).
2. Наименьшее общее число для 3 и 2 — 6: на шесть приходится два атома Al и три атома O.
3. Ставим индексы 2 и 3: получаем Al₂O₃. Сократить их нельзя, потому что у них нет общего делителя, кроме 1.

Ответ: формула оксида алюминия — Al₂O₃. Проверка показывает, что два атома алюминия дают суммарный вклад 2 × 3 = 6, а три атома кислорода — 3 × 2 = 6. Вклады равны, значит соотношение элементов выбрано верно.

2. Класс и название веществ CaO, HCl, NaOH и K₂SO₄

Дано четыре формулы; для каждой нужно определить класс по составу и назвать вещество. Не следует считать кислород достаточным признаком оксида: важно проверить количество элементов. Начинаем с поиска характерных сочетаний — двух элементов, группы OH, водорода с остатком или металла с остатком. Затем составляем название по найденному составу.

1. CaO содержит два элемента, кальций и кислород: это оксид кальция.
2. HCl состоит из водорода и кислотного остатка Cl: это соляная кислота.
3. NaOH содержит металл натрий и группу OH: это основание, гидроксид натрия.
4. K₂SO₄ содержит калий и кислотный остаток SO₄: это соль, сульфат калия.

Ответ: CaO — оксид кальция; HCl — соляная кислота; NaOH — гидроксид натрия; K₂SO₄ — сульфат калия. Для проверки полезно назвать признак класса, а не только вспомнить название. В частности, кислород в K₂SO₄ не делает соль оксидом: формула содержит также калий и серу.

3. Массовая доля кислорода в MgO

Нужно узнать, какой процент массы оксида магния приходится на кислород. Используем относительные атомные массы: Ar(Mg) = 24, Ar(O) = 16. В формуле MgO по одному атому магния и кислорода. Сначала найдём общую относительную массу соединения, затем отдельно учтём кислород.

1. Находим относительную молекулярную массу: Mr(MgO) = 24 + 16 = 40.
2. Масса атомов кислорода в формуле равна 16, так как атом кислорода один.
3. Вычисляем долю: w(O) = 16 / 40 = 0,4; переводим в проценты: 0,4 × 100% = 40%.

Ответ: массовая доля кислорода в MgO равна 40%. Проверка: оставшиеся 60% приходятся на магний, и вместе доли дают 100%. Если бы в формуле было несколько атомов кислорода, в числителе пришлось бы умножить Ar(O) на их число.

Типичные ошибки

Индекс и коэффициент принимают за одно и то же, хотя они относятся к разным числам: индекс показывает количество атомов в частице, а коэффициент — количество частиц. Путаница возникает потому, что оба числа записывают рядом с формулой. Для проверки посмотрите на положение числа: индекс стоит внизу у символа, коэффициент — перед формулой. Например, 2H₂O означает две молекулы, в каждой из которых два атома водорода.

При составлении формулы иногда просто переносят валентности и оставляют полученные индексы, даже если их можно сократить. Так получают правильное соотношение, но не наименьшие целые индексы. Проверьте, есть ли у индексов общий делитель, и разделите на него оба числа. Например, отношение 2:2 нужно записать как 1:1, а единичные индексы в формуле не указывают.

Любое соединение, в формуле которого есть кислород, ошибочно называют оксидом. Причина — внимание только к знакомому символу O, без подсчёта остальных элементов. У оксида должны быть ровно два элемента, включая кислород. Поэтому CaO — оксид, а K₂SO₄, где присутствуют три элемента, — соль.

В массовой доле учитывают Ar элемента, но забывают умножить его на число соответствующих атомов. Ошибку легко допустить, если смотреть только на символ, не учитывая индекс. Перед делением на Mr посчитайте все атомы искомого элемента по формуле и найдите их суммарную массу. В результате массовые доли всех элементов соединения должны в сумме составлять 100%.

Связь с другими темами

Чтобы разбирать формулы соединений, нужно знать химические символы элементов, понятия атома и молекулы, относительную атомную массу и валентность. Эти знания помогают читать состав вещества и находить нужные индексы. Если одно из них забыто, затруднительным становится и распознавание класса, и расчёт массы. Поэтому полезно освежить значения символов и валентностей перед решением задач.

Классификация и составление формул понадобятся при изучении химических реакций: формулы веществ записывают в уравнениях, а по составу определяют реагенты и продукты. Позже свойства оксидов, кислот, оснований и солей помогут понять, почему одни вещества вступают в реакцию, а другие — нет. Умение находить массовую долю также пригодится при количественном описании состава соединений. Значит, формулы из этой темы станут основой для следующих разделов химии.

Что запомнить

• Оксид состоит из двух элементов, один из которых — кислород.
• Основания содержат гидроксогруппы, а кислоты — атомы водорода и кислотный остаток.
• Соль состоит из катионов металла и анионов кислотного остатка.
• Формулу соединения составляют с учётом валентностей элементов.
• Относительную молекулярную массу находят сложением относительных атомных масс всех атомов в формуле.
• Массовая доля показывает, какую часть массы соединения составляет данный элемент.