Состав вещества

Определения и обозначения

Атом — мельчайшая электрически нейтральная частица химического элемента. Атомы одного элемента имеют одинаковый заряд ядра, хотя могут отличаться массой. Понятие атома помогает представить, из каких частиц построено вещество.

Химический элемент — вид атомов с одинаковым зарядом ядра. Например, название «кислород» может указывать на элемент, то есть на определённый вид атомов, а не обязательно на газ кислород. Это различие нужно, чтобы не путать состав вещества с веществом как отдельным материалом.

Молекула — частица вещества, состоящая из атомов, связанных между собой. Молекулы могут включать атомы одного элемента, как O₂, или разных элементов, как H₂O. Состав молекулы показывает, какие атомы соединены в частицу.

Химическая формула — запись состава вещества с помощью символов элементов и индексов. Буквы обозначают элементы, а маленькие цифры справа внизу показывают число их атомов в частице. Так формула передаёт состав кратко и единообразно.

Как это устроено

Состав вещества описывают на разных уровнях: вещество состоит из частиц, а частицы — из атомов. Названия и символы элементов помогают определить вид атомов, но элемент и атом не одно и то же: элемент объединяет множество атомов с одинаковым зарядом ядра. Молекула, в свою очередь, показывает, как атомы соединены в отдельную частицу. Эти понятия связаны, потому что без атомов нельзя описать состав, но каждое отвечает на свой вопрос.

В простом веществе атомы принадлежат одному химическому элементу: например, молекула водорода H₂ содержит два атома водорода, а кислород O₂ — два атома кислорода. В сложном веществе соединены атомы разных элементов, как в воде H₂O или углекислом газе CO₂. Различие зависит не от числа атомов, а от числа видов элементов в формуле. Поэтому O₂ — простое вещество, хотя в его частице два атома.

В формуле каждый символ сообщает, атомы какого элемента входят в состав вещества, а индекс после символа — сколько таких атомов приходится на одну частицу. Например, в CO₂ символы C и O обозначают углерод и кислород, а индекс 2 показывает два атома кислорода. Это соотношение нужно, чтобы точно отличать состав одной частицы от состава другой.

Если после символа индекса нет, подразумевается один атом: в H₂O у H стоит индекс 2, а у O индекс не написан, значит, кислородный атом один. Индекс относится только к символу непосредственно перед ним, потому что он уточняет число атомов именно этого элемента. Поэтому цифру нельзя переносить на соседний символ или считать общей для всей формулы.

Число перед формулой называется коэффициентом и показывает количество частиц, тогда как индекс показывает число атомов внутри одной частицы. Например, 3H₂O — это три молекулы воды: в каждой по два атома водорода и одному кислорода. Всего запись означает шесть атомов водорода и три атома кислорода. Коэффициент умножает весь состав формулы, а не заменяет индексы.

Как читать химические формулы

Сначала найдите символы элементов, затем проверьте индексы и только после этого учитывайте коэффициент, если он есть. В таблице собраны обозначения, которые помогают не смешивать элементы, атомы и частицы.

При чтении формулы сначала считайте атомы в одной частице по индексам, помня, что пропущенный индекс равен единице. Если перед формулой есть коэффициент, умножьте на него число атомов каждого элемента. Чтобы определить тип вещества, посчитайте разные символы элементов.

Разбор задач

Вода H₂O

Определите, атомы каких элементов входят в состав воды H₂O и сколько атомов каждого элемента приходится на одну молекулу.

1. Найдём символы: H обозначает водород, O — кислород.
2. У H указан индекс 2, поэтому в молекуле два атома водорода.
3. У O индекса нет, значит, кислород представлен одним атомом.

Ответ: в одной молекуле воды два атома водорода и один атом кислорода. Всего в ней три атома. Здесь важно считать атомы именно в одной молекуле, потому что перед формулой нет коэффициента.

Углекислый газ CO₂

Рассмотрите формулу углекислого газа CO₂. Укажите число атомов каждого элемента в одной молекуле и общее число атомов.

1. В формуле записаны углерод C и кислород O, то есть вещество содержит два элемента.
2. У C индекса нет, поэтому атом углерода один. У O стоит индекс 2, значит, атомов кислорода два.
3. Сложим число атомов: 1 + 2 = 3.

Ответ: одна молекула CO₂ содержит один атом углерода и два атома кислорода, всего три атома. Отсутствие цифры после C не означает, что углерода нет: оно означает один атом. По двум разным символам также видно, что углекислый газ — сложное вещество.

Три молекулы аммиака

Запишите формулу трёх молекул аммиака, если одна молекула имеет состав NH₃. Сколько всего атомов азота и водорода в этой записи?

1. В одной молекуле NH₃ есть один атом азота N и три атома водорода H.
2. Три молекулы записываем, поставив коэффициент 3 перед формулой: 3NH₃.
3. Умножаем состав одной молекулы на три: азота 1 × 3 = 3 атома, водорода 3 × 3 = 9 атомов.

Ответ: запись — 3NH₃; в ней всего три атома азота и девять атомов водорода. Коэффициент 3 относится ко всей формуле и задаёт число молекул. Индекс 3 после H, напротив, относится только к водороду внутри одной молекулы.

Типичные ошибки

• Ошибочно считать, что отсутствие индекса означает ноль атомов. Так можно решить, потому что цифра не видна, но в химической записи единицу просто не пишут. Проверьте себя: у каждого символа без индекса мысленно поставьте 1, например в CO₂ один атом C.

• Коэффициент перед формулой иногда принимают за индекс. Это происходит потому, что обе цифры связаны с количеством, однако коэффициент стоит перед всей формулой и показывает число частиц. Проверка: в 2H₂O две молекулы, в каждой из которых по два атома H и одному O.

• В H₂O можно ошибочно отнести индекс 2 и к кислороду. Индекс кажется общим для формулы, если не следить за его положением, но он относится только к ближайшему символу слева. Проверьте расположение: цифра стоит после H, значит, водорода два, а кислорода без индекса — один.

• Химический элемент путают с простым веществом, потому что оба понятия связаны с атомами одного вида. Элемент — это вид атомов, а простое вещество состоит из атомов одного элемента. Для проверки спросите себя, описывается ли вид атомов или конкретное вещество: кислород как элемент и газ O₂ — не одно и то же понятие.

Связь с другими темами

Для чтения формул нужно знать названия и символы распространённых химических элементов. Если символы пока незнакомы, сначала повторите, например, обозначения водорода H, кислорода O, углерода C и азота N. Понимание состава вещества помогает правильно составлять формулы и разбирать уравнения химических реакций. Оно также понадобится в расчётах по уравнениям, где важно учитывать число атомов и частиц.

Что запомнить

• Вещество состоит из частиц, а частицы — из атомов.
• Химический элемент — вид атомов с одинаковым зарядом ядра.
• В простом веществе содержатся атомы одного элемента.
• В сложном веществе содержатся атомы разных элементов.
• Символы в формуле показывают, атомы каких элементов входят в состав вещества.
• Индекс показывает число атомов элемента в частице; без индекса подразумевается единица.
• Коэффициент перед формулой показывает число частиц вещества.