§ 11. Определение состава вещества и вывод химической формулы

Определения и обозначения

Химическая формула — запись состава вещества с помощью символов химических элементов и индексов. Она сообщает, какие элементы входят в вещество и в каком численном соотношении находятся их атомы. Формула нужна, чтобы описывать состав коротко и проводить расчёты по веществу.

Качественный состав вещества — перечень химических элементов, входящих в его состав. Например, в H₂SO₄ есть водород, сера и кислород. Такой перечень отвечает на вопрос «из чего состоит вещество», но не говорит, сколько атомов каждого элемента в нём содержится.

Количественный состав вещества — число атомов каждого элемента или их соотношение в составе вещества. В формуле H₂SO₄ на один атом серы приходятся два атома водорода и четыре атома кислорода. Количественный состав нужен для расчёта массы вещества и сравнения формул.

Массовая доля элемента — отношение массы данного элемента к массе всего вещества. Её можно выразить десятичной дробью, например 0,40, или в процентах: 40%; чтобы перевести долю в проценты, её умножают на 100%. Эта величина помогает сравнивать состав веществ и находить формулу по результатам анализа.

Как это устроено

Чтобы определить качественный состав по формуле, найдите в ней все разные символы элементов. Их названия и составляют перечень элементов вещества. Для количественного состава прочитайте индексы у каждого символа: например, формула H₂SO₄ означает два атома H, один S и четыре O, поэтому соотношение атомов равно 2:1:4.

Индекс — маленькое число справа внизу от символа элемента. Он относится к стоящему перед ним символу или к группе атомов, если скобки используются в формуле. Если числа нет, принято считать индекс равным единице: иначе формула не сообщала бы, входит ли этот элемент в состав вообще.

Массовая доля зависит и от числа атомов элемента, и от массы каждого атома. Поэтому для элемента сначала находят его вклад в относительную массу формулы: относительную атомную массу умножают на число атомов этого элемента. Затем этот вклад делят на относительную молекулярную (или формульную) массу всего вещества; долю можно умножить на 100%, чтобы получить проценты.

Чтобы восстановить формулу по массовым долям, сначала переведите доли в условные количества атомов. Для этого каждую долю разделите на относительную атомную массу соответствующего элемента: более тяжёлых атомов при той же массе будет меньше. Полученные значения разделите на наименьшее, чтобы сравнить их в простейшем соотношении; при необходимости умножьте все части на одно число, чтобы получить целые индексы.

После вычислений формулу нужно проверить, потому что округление или ошибка в делении могут изменить соотношение атомов. По полученной формуле заново рассчитайте относительную массу и массовые доли элементов. Если расчётные доли соответствуют исходным данным, а индексы образуют найденное соотношение, формула согласуется с условием.

Состав вещества и способы его определения

В таблице собраны основные понятия и действия, которые помогают читать формулы и находить состав. Сначала определите, какую именно величину требуется получить: перечень элементов, соотношение атомов или их массовые доли. Затем выберите подходящий способ и проверьте результат на примере.

Разбор задач

Задача 1. По формуле H₂SO₄ определить качественный и количественный состав вещества.

Здесь нужно отдельно назвать элементы и установить число атомов каждого из них. Это удобно делать в два шага: сначала выписать все символы, затем прочитать индексы. Отсутствующий индекс принимают за единицу.

1. В формуле встречаются символы H, S и O, значит, вещество содержит водород, серу и кислород.
2. У H стоит индекс 2, поэтому атомов водорода два; у S индекса нет, поэтому атом серы один; у O стоит индекс 4, поэтому атомов кислорода четыре.
3. Записываем количественное соотношение H:S:O = 2:1:4.

Ответ: качественный состав — водород, сера и кислород; количественный состав — 2 атома H, 1 атом S и 4 атома O, соотношение 2:1:4.

Задача 2. Вычислить массовые доли кальция, углерода и кислорода в CaCO₃.

Сначала найдём относительную формульную массу вещества, сложив вклады всех атомов. Затем разделим вклад каждого элемента на общую массу. Используем относительные атомные массы: Ar(Ca) = 40, Ar(C) = 12, Ar(O) = 16.

1. В CaCO₃ один атом Ca, один атом C и три атома O. Поэтому Mr(CaCO₃) = 40 + 12 + 3·16 = 100.
2. Для кальция вклад равен 40, значит, w(Ca) = 40/100 = 0,40 = 40%.
3. Для углерода вклад равен 12, поэтому w(C) = 12/100 = 0,12 = 12%.
4. Для кислорода вклад равен 3·16 = 48, поэтому w(O) = 48/100 = 0,48 = 48%.
5. Проверяем сумму: 40% + 12% + 48% = 100%.

Ответ: массовая доля кальция — 40%, углерода — 12%, кислорода — 48%.

Задача 3. Вещество содержит 40% углерода, 6,67% водорода и 53,33% кислорода. Вывести его простейшую химическую формулу.

Проценты показывают массовый состав, но формула задаёт соотношение атомов. Поэтому сравнивать проценты напрямую нельзя: нужно учесть, что относительные атомные массы элементов различаются. Возьмём значения Ar(C) = 12, Ar(H) = 1 и Ar(O) = 16.

1. Разделим каждую массовую долю на Ar элемента: C — 40/12 ≈ 3,33; H — 6,67/1 = 6,67; O — 53,33/16 ≈ 3,33.
2. Разделим все полученные значения на наименьшее, примерно 3,33. Получим отношение C:H:O ≈ 1:2:1.
3. Запишем простейшее целочисленное соотношение индексами: один атом C, два H и один O. Отсутствующие единичные индексы не пишем.
4. Проверим расчёт: для CH₂O масса равна 12 + 2·1 + 16 = 30. Доли составляют 12/30 = 40% для C, 2/30 ≈ 6,67% для H и 16/30 ≈ 53,33% для O.

Ответ: простейшая формула вещества — CH₂O.

Типичные ошибки

Путают качественный и количественный состав. Перечень элементов отвечает только на вопрос, какие атомы есть в веществе, но не указывает их число. Такую путаницу допускают, когда считают, что запись символов уже описывает весь состав. Проверьте себя: можете ли вы назвать и элементы, и отдельное соотношение их атомов?

Не учитывают индекс 1 у символа без числа. Отсутствие индекса не означает ноль или неизвестное количество атомов: это условная запись одного атома. Ошибку легко заметить, если сверить формулу с правилом чтения индексов. Например, в H₂SO₄ серы одна, а не ноль.

Сравнивают только массовые проценты при выводе формулы. Проценты характеризуют массы, а для формулы нужно соотношение числа атомов. Поскольку атомные массы неодинаковы, прямое сравнение процентов даёт неверные индексы. Перед поиском соотношения обязательно разделите долю каждого элемента на его относительную атомную массу.

Оставляют соотношение нецелым или не проверяют результат. После деления на наименьшее число могут получиться дроби, которые нужно привести к простейшим целым значениям; при этом нельзя округлять произвольно. Ошибка возникает из-за спешки или чрезмерного округления. Проверьте индексы и заново рассчитайте массовые доли: они должны совпасть с исходными данными с учётом округления.

Связь с другими темами

Для работы с составом вещества нужно знать символы элементов и их относительные атомные массы. Также пригодятся умение составлять формулы бинарных соединений и вычислять относительную молекулярную массу. Эти знания позволяют перейти от записи формулы к численным расчётам.

Найденные состав и массовые доли используют при расчётах по химическим формулам, составлении уравнений реакций и определении неизвестных веществ. Способ вывода формулы помогает восстановить соотношение атомов по данным анализа. Далее эти приёмы применяют при расчётах массовых отношений веществ и решении задач по уравнениям реакций.

Что запомнить

• Химическая формула показывает, какие элементы входят в вещество и в каком соотношении находятся их атомы.
• Качественный состав — это перечень элементов, а количественный состав — соотношение их атомов.
• Индекс в формуле относится только к символу элемента или группе, стоящей перед ним.
• Массовая доля элемента равна отношению массы этого элемента в веществе к массе всего вещества.
• Для вывода формулы массовые доли сначала делят на относительные атомные массы.
• Полученное соотношение атомов приводят к простейшим целым числам.
• Правильность формулы проверяют по исходным массовым долям.