§ 47. Соли содержат атомы металла

Определения и обозначения

Соль — сложное вещество, состоящее из атомов металла и кислотных остатков. Например, в NaCl есть натрий и остаток Cl, а в CaCO₃ — кальций и группа CO₃. Это определение помогает отличить соли от кислот и других веществ.

Атом металла в составе соли записывают в формуле первым. Металл образует положительно заряженные частицы, поэтому его атомы соответствуют положительной части общего заряда вещества. Положение металла в начале формулы помогает быстро найти его при чтении состава соли.

Кислотный остаток — часть молекулы кислоты, которая остаётся после удаления атомов водорода. Например, у серной кислоты H₂SO₄ остаток SO₄, а у азотной кислоты HNO₃ — NO₃. Это понятие нужно, чтобы узнавать в формуле соли группу, связанную с кислотой.

Формула соли показывает, какие частицы и в каком соотношении входят в состав вещества. Маленькие цифры внизу справа, называемые индексами, указывают число атомов элемента или групп в формульной единице. Если индекс не написан, его считают равным единице; это правило позволяет верно читать формулу.

Как это устроено

Состав соли связан с составом кислоты: при замене атомов водорода на атомы металла получается соль. Например, если в HCl место водорода занимает натрий, образуется NaCl. Такое представление показывает, откуда в соли берётся кислотный остаток и почему он сохраняет состав, характерный для кислоты.

Чтобы найти состав соли, сначала определяют металл, который обычно стоит в начале формулы, а затем выделяют кислотный остаток. В Na₂SO₄ металл — Na, остаток — SO₄; в CaCO₃ металл — Ca, остаток — CO₃. Группу из нескольких элементов нельзя разрывать при определении остатка: её атомы рассматривают вместе.

Количество атомов металла и остатков зависит от их зарядов, потому что соль в целом электрически нейтральна. Положительные и отрицательные заряды должны взаимно компенсироваться, иначе формула описывала бы заряженную частицу, а не нейтральную формульную единицу соли. Например, один Ca²⁺ уравновешивает один CO₃²⁻, а для Al³⁺ и SO₄²⁻ нужны два иона алюминия и три остатка: +6 и −6.

Формулу составляют, записывая сначала символ металла, затем формулу кислотного остатка и подбирая индексы по зарядам. Для Na⁺ и SO₄²⁻ нужны два иона натрия на один остаток, поэтому получается Na₂SO₄. Для Al³⁺ и SO₄²⁻ подбирают два атома Al и три группы SO₄, получая Al₂(SO₄)₃; скобки нужны, потому что индекс 3 относится ко всему остатку.

Число атомов находят по индексам: у элемента без индекса их один, а индекс за скобками умножают на индексы всех элементов внутри. В Ca(NO₃)₂ один атом Ca, два атома N и шесть атомов O. Такой подсчёт показывает полный состав формульной единицы и не позволяет принять индекс группы за число отдельных атомов.

Состав и чтение формул солей

В таблице указаны металл, кислотный остаток и количество каждого из них в формульной единице. При подсчёте помните: индекс после скобок относится ко всей группе, а не только к последнему элементу. Сравнивайте столбцы, чтобы увидеть, как одна формула может содержать несколько атомов металла или повторяющихся остатков.

Разбор задач

Задача 1. В формуле KNO₃ укажите атом металла и кислотный остаток. Нужно разделить формулу на металл и группу, оставшуюся от кислоты. Учитывайте, что остаток может включать несколько разных элементов.

1. В начале формулы стоит K — символ калия, металла.
2. После него записана группа NO₃, её атомы образуют кислотный остаток.
3. Следовательно, формулу читают как один атом K и один остаток NO₃; у элементов N и O свои индексы.

Ответ: металл — K, кислотный остаток — NO₃. Не следует считать N и O отдельными остатками, потому что в этой формуле они составляют одну группу.

Задача 2. Определите число атомов каждого элемента в Ca(NO₃)₂. Здесь индекс 2 стоит за скобками, поэтому сначала нужно определить, к чему он относится. Скобки объединяют атомы N и O в две одинаковые группы NO₃.

1. У кальция Ca индекса нет, значит, в формульной единице один атом Ca.
2. В одной группе NO₃ — один атом N и три атома O; индекс 2 удваивает оба количества.
3. Получаем N: 1 × 2 = 2, O: 3 × 2 = 6.

Ответ: Ca — 1 атом, N — 2 атома, O — 6 атомов. Проверка: индекс после скобок применён ко всем элементам внутри них, а не только к кислороду.

Задача 3. Составьте формулу соли из ионов Al³⁺ и SO₄²⁻. Заряды имеют разные модули, поэтому одного иона каждого вида недостаточно: суммарный заряд был бы +1. Нужно подобрать наименьшие целые количества частиц с равными по модулю зарядами.

1. Два иона Al³⁺ дают суммарный заряд +6.
2. Три иона SO₄²⁻ дают суммарный заряд −6; заряды компенсируются.
3. Записываем металл первым и ставим индексы: Al₂(SO₄)₃. Скобки показывают, что трижды повторяется весь кислотный остаток.

Ответ: Al₂(SO₄)₃. Формула нейтральна, потому что положительный заряд двух атомов алюминия уравновешен отрицательным зарядом трёх остатков.

Типичные ошибки

Ошибка — считать кислотный остаток одним атомом. Её допускают, потому что остаток в формуле записан рядом, как и символ отдельного элемента; однако SO₄ включает один атом S и четыре атома O. Проверьте себя: если в остатке несколько символов элементов и индексы, перечислите все входящие в него атомы.

Ошибка — не умножать индексы внутри скобок на индекс снаружи. Так происходит, когда внешний индекс ошибочно относят только к последнему элементу; в Ca(NO₃)₂ это дало бы неверное число атомов N. Для проверки умножьте каждый внутренний индекс, включая неуказанную единицу у N, на внешний индекс.

Ошибка — ставить индексы без учёта зарядов металла и остатка. Иногда формулу составляют по внешнему виду частиц, но тогда суммарный заряд может оказаться ненулевым. Проверьте произведения: число частиц каждого вида, умноженное на модуль её заряда, должно давать равные положительную и отрицательную части.

Ошибка — путать индекс с коэффициентом. Индекс относится к элементу или группе внутри формулы, а коэффициент перед формулой показывает число формульных единиц вещества. Например, в 2NaCl цифра 2 означает две формульные единицы, тогда как индекс в Na₂SO₄ указывает на два атома Na в одной единице. Проверьте положение цифры: индекс стоит внизу справа у символа или группы, коэффициент — перед формулой.

Связь с другими темами

Для чтения формул нужны символы химических элементов и умение понимать индексы: иначе нельзя определить состав соли. Знание состава кислот помогает находить кислотный остаток, потому что он остаётся после удаления атомов водорода. Понятие солей пригодится при изучении классов неорганических веществ, их названий и химических реакций; по формуле можно узнавать состав реагентов и продуктов.

Что запомнить

• Соль состоит из атомов металла и кислотных остатков.
• В формуле соли металл обычно записывают первым.
• Кислотный остаток — часть кислоты без атомов водорода.
• Индексы показывают число атомов или групп в формуле.
• Индекс за скобками относится ко всем атомам внутри скобок.
• Формула соли должна соответствовать электрически нейтральному составу вещества.