Состав вещества. Химические формулы.

Определения и обозначения

Состав вещества — набор химических элементов, образующих вещество, и количественное соотношение их атомов. Иными словами, он отвечает на два вопроса: какие элементы присутствуют и сколько атомов каждого приходится на частицу. Это описание помогает отличать одно вещество от другого. Например, вода и пероксид водорода состоят из водорода и кислорода, но соотношение атомов в них разное.

Химический элемент в составе вещества обозначают химическим символом, например H — водород, а O — кислород. Символ указывает на атомы этого элемента, а не просто на его название. Такое обозначение позволяет кратко записывать состав вещества. Число атомов рядом с символом задаётся индексом, если он есть.

Химическая формула — условная запись качественного и количественного состава вещества с помощью символов и индексов. Символы сообщают, какие элементы входят в состав, а индексы — в каком количестве они представлены. Формула нужна, чтобы точно описывать вещество и выполнять расчёты. Например, по ней можно находить массу частицы или долю элемента.

Индекс — цифра справа внизу от символа, показывающая число атомов элемента в частице вещества; отсутствие индекса означает один атом. В записи H₂O нижняя двойка относится только к водороду, а у кислорода индекс не указан. Значит, в частице воды два атома водорода и один атом кислорода. Индекс помогает прочитать количественный состав, не меняя символов элементов.

Как это устроено

Формулу составляют из символов элементов, входящих в вещество, поэтому она передаёт его качественный состав. Если в записи есть символы Na и Cl, значит, в веществе присутствуют натрий и хлор. Символы выбирают по названиям элементов и записывают по принятым правилам химического языка. Благодаря этому формулы понятны химикам независимо от того, на каком языке они говорят.

Индекс показывает число атомов элемента в частице, а по совокупности индексов определяют количественное соотношение атомов. Так, формула CO₂ означает один атом углерода и два атома кислорода. Если индексы отсутствуют у нескольких элементов, для каждого из них принимают единицу. Это позволяет не путать состав частицы с простым перечнем элементов.

Если индекс стоит после скобок, он относится ко всей группе символов внутри скобок. Причина в том, что скобки объединяют атомы в повторяющуюся группу, а индекс показывает число таких групп. Например, в Al₂(SO₄)₃ группа SO₄ повторяется три раза. При раскрытии скобок число атомов каждого элемента внутри группы умножают на три: получается 3 атома S и 12 атомов O.

В формулах простых веществ указывают число атомов в молекуле, если вещество молекулярное: например, O₂ — молекула из двух атомов кислорода. У немолекулярных веществ отдельные молекулы не выделяют, поэтому их формула выражает простейшее соотношение частиц. Например, формула NaCl показывает соотношение ионов натрия и хлора 1:1, а не отдельную молекулу. Это различие нужно учитывать, когда формулу используют для описания строения вещества.

По химической формуле находят состав вещества и рассчитывают относительную молекулярную или формульную массу. Для этого относительную атомную массу каждого элемента умножают на число его атомов, затем результаты складывают. Индексы учитывают, потому что они показывают, сколько атомов каждого вида входит в частицу или формульную единицу. Такой расчёт также служит основой для определения массовой доли элемента.

Что сообщает химическая формула

Сначала найдите в формуле все символы: они показывают, какие элементы присутствуют. Затем прочитайте индексы, помня, что ненаписанная единица равна одному атому. Если встретились скобки, умножьте индексы внутри них на число после скобок.

Разбор задач

1. Прочитайте формулу H₂O и укажите элементы и их соотношение

Нужно установить, какие элементы обозначены символами, а затем определить число их атомов. Учитывайте, что индекс относится к символу перед ним, а если цифры нет — атом один. Соотношение записывают в том же порядке, что и числа атомов элементов.

1. В формуле есть символы H и O, то есть водород и кислород.
2. У H стоит индекс 2, поэтому атомов водорода два.
3. У O индекса нет, значит, атом кислорода один; соотношение H:O равно 2:1.

Ответ: водород и кислород входят в состав воды в соотношении 2:1.

2. Определите число атомов каждого элемента в Al₂(SO₄)₃

В формуле алюминий записан отдельно, а сера и кислород объединены в группу в скобках. Индекс 3 после скобок относится и к S, и к O, поэтому сначала нужно учесть повторение всей группы. Для алюминия этот множитель не действует, так как его символ находится вне скобок.

1. Символ Al имеет индекс 2: в формульной единице два атома алюминия.
2. Группа SO₄ повторяется три раза, поэтому серы: 1·3 = 3 атома.
3. Кислорода: 4·3 = 12 атомов.

Ответ: Al — 2 атома, S — 3 атома, O — 12 атомов.

3. Вычислите Mr(H₂SO₄) и массовую долю кислорода

Относительная молекулярная масса показывает, во сколько раз масса молекулы больше 1/12 массы атома углерода-12. Для расчёта складывают относительные атомные массы всех атомов, поэтому индексы превращаются в множители. Массовая доля кислорода — отношение суммарной относительной массы его атомов к общей относительной молекулярной массе.

1. В H₂SO₄ содержатся 2 атома H, 1 атом S и 4 атома O. Используем относительные атомные массы: Ar(H) = 1, Ar(S) = 32, Ar(O) = 16.
2. Считаем Mr: 2·1 + 1·32 + 4·16 = 2 + 32 + 64 = 98.
3. Масса кислорода в расчёте равна 4·16 = 64. Доля кислорода: 64/98 ≈ 0,653; в процентах это примерно 65,3%.

Ответ: Mr(H₂SO₄) = 98, массовая доля кислорода составляет около 65,3%.

Типичные ошибки

Ошибка — считать, что символ элемента всегда означает только один атом. Символ называет элемент, а число атомов определяют по индексу; если индекса нет, подразумевается один атом. Путаница возникает, когда символ и индекс воспринимают как одно обозначение. Проверьте себя: отдельно назовите элемент, затем прочитайте стоящую после него цифру.

Индекс после скобок иногда относят только к последнему символу внутри группы. Так происходит, если не учитывать, что скобки объединяют все входящие в них символы. На самом деле множитель действует на каждый индекс внутри скобок, включая ненаписанную единицу. Для проверки мысленно раскройте скобки, умножив число атомов каждого элемента на индекс снаружи.

Индекс в формуле можно спутать с коэффициентом перед формулой. Индекс относится к составу одной частицы, а коэффициент показывает число частиц, поэтому эти числа выполняют разные роли. Ошибка часто возникает при чтении записи реакции, где встречаются оба вида чисел. Проверьте положение цифры: нижняя справа от символа — индекс, цифра перед формулой — коэффициент.

При уравнивании химической реакции нельзя менять индексы в формулах веществ. Индекс задаёт состав вещества, и его изменение означало бы запись другого вещества; для изменения числа частиц используют коэффициенты. Желание менять индексы возникает, когда пытаются уравнять число атомов напрямую. Проверьте себя: после уравнивания формулы исходных веществ должны остаться неизменными.

Связь с другими темами

Для чтения формул нужно знать названия и символы химических элементов и уметь находить их в таблице Менделеева. Относительные атомные массы из таблицы используют для вычисления относительной молекулярной или формульной массы. Формулы затем применяют при составлении уравнений реакций и расчётах по ним. По ним также определяют массовые доли элементов в веществе.

Что запомнить

• Формула показывает качественный и количественный состав вещества.
• Индекс относится к символу элемента перед ним.
• Если индекса нет, число атомов равно одному.
• Индекс после скобок умножает числа атомов всех элементов внутри скобок.
• Индекс нельзя менять без изменения состава вещества.
• При расчёте относительной массы учитывают все атомы по индексам.