§ 12. Химическая формула вещества

Определения и обозначения

Химическая формула — условная запись состава вещества с помощью символов элементов и индексов. Например, H₂O обозначает воду. Формула сообщает, из каких элементов состоит частица и сколько атомов каждого элемента в неё входит, поэтому позволяет описать состав вещества коротко и точно.

Индекс — число, записанное справа внизу от символа элемента. Он показывает число атомов этого элемента в частице вещества: в H₂ содержатся два атома водорода. Индекс помогает не перечислять атомы по одному, а сразу видеть их количество в записи.

Качественный состав вещества — перечень химических элементов, входящих в него. Чтобы его определить, находят все разные символы элементов в формуле: в CO₂ это углерод C и кислород O. Такой перечень отвечает на вопрос, из чего состоит вещество, но сам по себе не показывает соотношение атомов.

Количественный состав вещества — соотношение числа атомов разных элементов в его частице. Его читают по индексам: в CO₂ на один атом углерода приходятся два атома кислорода. Это соотношение нужно, чтобы сравнивать состав веществ и выполнять расчёты по формулам.

Как это устроено

Формулу составляют из химических символов элементов, которые входят в вещество. Порядок символов установлен правилами химической записи и зависит от состава вещества, поэтому его нельзя произвольно менять: другая последовательность или набор символов может обозначать другое вещество. Название элемента узнают по его символу, сверяясь с периодической таблицей, если обозначение незнакомо.

Индекс ставят сразу после символа, число атомов которого он показывает. Поэтому в CO₂ двойка относится к O, а C без индекса означает один атом углерода. Отсутствие числа не означает, что элемента нет: символ уже указывает на присутствие хотя бы одного его атома, а единицу обычно не записывают, чтобы формула оставалась короче.

Чтобы прочитать состав, сначала перечисляют все разные символы — так получают качественный состав, а затем определяют число атомов каждого элемента по индексам. Если индекса нет, записывают один атом; если он есть, берут указанное число. Например, в H₂O есть водород и кислород, причём атомов водорода два, а кислорода один. Так формула одновременно отвечает на вопросы «какие элементы?» и «сколько атомов?».

Скобки объединяют группу атомов, которая повторяется несколько раз. Индекс после скобок умножает число атомов каждого элемента внутри группы, потому что показывает, сколько таких групп входит в частицу. В Al₂(SO₄)₃ три группы SO₄: значит, серы три атома, а кислорода 4 · 3 = 12; алюминий стоит вне скобок, поэтому его индекс 2 считают отдельно.

По формуле можно найти относительную молекулярную массу — величину, равную сумме относительных атомных масс всех атомов в молекуле. Для каждого элемента его относительную атомную массу умножают на число атомов, а полученные значения складывают. Индексы при этом нельзя пропускать: иначе в сумму попадёт не то количество атомов. Для веществ с ионным строением, например Al₂(SO₄)₃, аналогичную сумму называют относительной формульной массой.

Как читать химические формулы

Сначала найдите символы элементов, затем прочитайте индексы и раскройте действие скобок, если они есть. Последний столбец показывает пример расчёта по относительным атомным массам H = 1, O = 16, C = 12, Al = 27 и S = 32. Для Al₂(SO₄)₃ это относительная формульная масса, поскольку вещество имеет ионное строение.

Разбор задач

Задача 1. Прочитайте формулу H₂O: назовите элементы и укажите число атомов каждого элемента в молекуле.

Нужно отделить сведения о том, какие элементы присутствуют, от сведений об их количестве. Буквы H и O — символы водорода и кислорода. Индекс есть только у H, а для O он не записан.

1. Выписываем разные символы: H и O. Это водород и кислород, то есть качественный состав воды.
2. Смотрим на индексы: у H стоит 2, значит, атомов водорода два.
3. У O индекса нет, поэтому число атомов кислорода равно одному.

Ответ: в молекуле H₂O есть два атома водорода и один атом кислорода.

Задача 2. Вычислите относительную молекулярную массу CO₂, используя относительные атомные массы элементов.

Относительная молекулярная масса — сумма масс всех атомов, входящих в молекулу. В CO₂ один атом углерода и два атома кислорода, поэтому массу кислорода нужно учесть дважды. Используем значения Ar(C) = 12 и Ar(O) = 16.

1. Определяем число атомов: у C индекса нет, значит, атом один; у O индекс 2, значит, атомов два.
2. Умножаем относительную атомную массу каждого элемента на число его атомов: для углерода 12 · 1 = 12, для кислорода 16 · 2 = 32.
3. Складываем полученные значения: Mr(CO₂) = 12 + 32 = 44.

Ответ: относительная молекулярная масса CO₂ равна 44.

Задача 3. Определите число атомов каждого элемента в формульной единице Al₂(SO₄)₃ и найдите относительную формульную массу.

Сначала выясним, сколько раз повторяется группа в скобках, а затем сложим относительные атомные массы всех атомов. Индекс 3 за скобками относится и к S, и к O. Возьмём Ar(Al) = 27, Ar(S) = 32 и Ar(O) = 16.

1. Алюминий находится вне скобок и имеет индекс 2, значит, атомов Al — два.
2. В одной группе SO₄ один атом S и четыре атома O. Умножаем их количества на 3: S — 1 · 3 = 3, O — 4 · 3 = 12.
3. Считаем массу: Mr = 2 · 27 + 3 · 32 + 12 · 16 = 54 + 96 + 192 = 342.

Ответ: Al — 2 атома, S — 3, O — 12; относительная формульная масса равна 342.

Типичные ошибки

Ошибка: считать, что элемент без индекса отсутствует. Она возникает, если воспринимать индекс как обязательную часть символа, хотя единицу в формулах просто не записывают. Чтобы проверить себя, пройдите по каждому символу: если рядом нет числа, поставьте мысленно 1; например, в CO₂ углерод есть в количестве одного атома.

Ошибка: относить индекс к следующему символу или ко всей формуле. Индекс относится только к символу непосредственно перед ним, а в записи со скобками — к группе в скобках. Проверяйте, к чему он прилегает: в H₂O двойка умножает только количество H, а не O и не всю формулу.

Ошибка: забывать умножить содержимое скобок на индекс после них. Так можно получить для Al₂(SO₄)₃ неверное число атомов серы и кислорода. Для самопроверки сначала посчитайте атомы внутри одной группы, затем умножьте каждый результат на индекс группы: S — 1 · 3, O — 4 · 3.

Ошибка: складывать относительные атомные массы, не учитывая индексы. Так получится сумма для другого количества атомов, а не для данной формулы. Перед вычислением выпишите число атомов каждого элемента и умножьте на него Ar; после сложения проверьте, что учтены все индексы и скобки.

Связь с другими темами

Чтобы читать формулы, нужно знать символы элементов и уметь находить их в периодической таблице. Там же можно узнать относительные атомные массы, необходимые для вычисления относительной молекулярной массы. Формулы служат основой для составления уравнений химических реакций: по ним устанавливают, какие атомы участвуют в реакции и в каком количестве. Поэтому умение читать индексы пригодится и при расчётах по уравнениям.

Что запомнить

• Формула вещества показывает, какие элементы входят в его состав.
• Индексы показывают число атомов элементов в частице вещества.
• Если индекс не указан, он равен единице.
• Индекс за скобками умножает число атомов каждого элемента внутри скобок.
• Относительную молекулярную массу находят сложением относительных атомных масс с учётом индексов.