§ 3. Молекулы и структурные формулы

Определения и обозначения

Молекула — наименьшая частица вещества, сохраняющая его химические свойства. Она состоит из одного или нескольких атомов, соединённых между собой. Это понятие нужно, чтобы объяснить, из каких частиц состоит вещество и почему оно проявляет свои свойства.

Химическая связь — взаимодействие, удерживающее атомы в молекуле. На схемах связь между атомами обозначают чертой. По таким чертам можно понять, какие атомы соединены и насколько прочно устроена молекула.

Молекулярная формула — запись качественного и количественного состава молекулы с помощью символов элементов и индексов. Символы показывают, какие элементы входят в состав, а индексы — сколько атомов каждого элемента содержится. Такая запись нужна для быстрого определения состава вещества.

Структурная формула — запись строения молекулы, показывающая, какие атомы соединены между собой и каким числом связей. Каждая черта соответствует одной связи. Поэтому структурная формула даёт больше сведений о внутреннем устройстве молекулы, чем молекулярная.

Как это устроено

Атомы объединяются в молекулы благодаря химическим связям, потому что отдельные атомы могут стать устойчивее при взаимодействии друг с другом. Связь удерживает частицы на определённых расстояниях и задаёт строение молекулы. Поэтому свойства молекулы зависят не только от набора атомов, но и от того, как они соединены.

Индекс в молекулярной формуле показывает число атомов данного элемента в одной молекуле, потому что он относится к символу, стоящему непосредственно слева. Например, в H₂O цифра 2 означает два атома водорода, а отсутствие цифры около O — один атом кислорода. Так по записи можно определить состав одной молекулы.

Молекулярная формула передаёт состав вещества, но не показывает порядок соединения атомов и число связей между ними. Например, одинаковый набор атомов может быть соединён по-разному. Чтобы увидеть внутреннее устройство молекулы, используют структурную формулу.

В структурной формуле каждая черта соответствует одной химической связи, поэтому по ней видна последовательность соединения атомов. Одна черта означает одинарную связь, две — двойную, а три — тройную. Так записи C–C, C=C и C≡C обозначают разное число связей между атомами углерода.

Число связей, которые атом образует с другими атомами, связано с его валентностью. Валентность помогает распределить связи так, чтобы каждый атом получил нужное для него число соединений. Например, водород обычно образует одну связь, кислород — две, а углерод — четыре, поэтому по этим значениям можно составлять простые структурные формулы.

Что показывают молекулярная и структурная формулы

Таблица помогает разделить сведения о составе и строении молекулы. Сначала определите, что именно нужно узнать: число атомов или способ их соединения. При чтении индекса смотрите на символ слева, а при чтении структурной формулы считайте черты между атомами.

Разбор задач

Задача 1. Число атомов по молекулярной формуле

Для молекул H₂O, CO₂ и NH₃ определим число атомов каждого элемента и общее число атомов. Нужно прочитать все индексы и помнить, что отсутствие индекса означает единицу. Общее число атомов найдём сложением количеств атомов всех элементов.

1. В H₂O содержатся 2 атома водорода и 1 атом кислорода: всего 2 + 1 = 3 атома.
2. В CO₂ содержатся 1 атом углерода и 2 атома кислорода: всего 1 + 2 = 3 атома.
3. В NH₃ содержатся 1 атом азота и 3 атома водорода: всего 1 + 3 = 4 атома.

Ответ: H₂O — H: 2, O: 1, всего 3; CO₂ — C: 1, O: 2, всего 3; NH₃ — N: 1, H: 3, всего 4 атома.

Задача 2. Составление структурных формул

Составим структурные формулы H₂, O₂, H₂O и CO₂ по валентностям водорода, кислорода и углерода. Нужно соединить атомы таким числом черт, чтобы валентность каждого атома была соблюдена. Поэтому сначала определим, сколько связей требуется каждому символу.

1. Водород одновалентен, значит два атома H соединяются одной чертой: H–H.
2. Кислород двухвалентен, поэтому два атома O образуют две связи: O=O.
3. В H₂O кислород связывается с каждым из двух атомов водорода: H–O–H.
4. Углерод четырёхвалентен, а каждый кислород двухвалентен, поэтому в CO₂ образуются две двойные связи: O=C=O.

Ответ: H₂ — H–H; O₂ — O=O; H₂O — H–O–H; CO₂ — O=C=O.

Задача 3. Восстановление формулы по строению

По схеме H–C–C–H с недостающими связями восстановим молекулярную формулу. Углерод образует четыре связи, а каждый крайний водород уже соединён с углеродом одной связью. Значит, между двумя углеродами должна быть одна связь, а к каждому углероду нужно добавить ещё по два атома водорода.

1. Подсчитываем уже указанные атомы: 2 атома углерода и 2 атома водорода.
2. У каждого C есть связь с соседним C и с крайним H, то есть заняты две из четырёх связей.
3. Добавляем к каждому углероду ещё по два H и получаем структурную запись H₃C–CH₃.
4. Складываем атомы: углерода 2, водорода 3 + 3 = 6.

Ответ: структурная формула — H₃C–CH₃, молекулярная формула — C₂H₆. У каждого углерода четыре связи, поэтому валентности соблюдены.

Типичные ошибки

Ошибка — считать индекс числом молекул. Так происходит, если не различать частицу вещества и число атомов в её составе. Проверьте себя вопросом: «Сколько атомов этого элемента находится в одной молекуле?»

Ошибка — путать коэффициент перед формулой с индексом. Коэффициент относится ко всем молекулам, а индекс — только к ближайшему символу элемента. Например, 2H₂O означает две молекулы воды, в каждой из которых по два атома H.

Ошибка — считать молекулярную формулу структурной. Молекулярная формула не сообщает порядок соединения атомов, поэтому по ней нельзя расставить связи без дополнительных сведений. Для проверки попробуйте найти в записи черты между символами: если их нет, строение не показано.

Ошибка — принимать любую черту за атом или химический элемент. Черта обозначает связь и не увеличивает число атомов в молекуле. Проверяйте себя подсчётом только буквенных символов и индексов, а черты считайте отдельно как связи.

Связь с другими темами

До изучения темы нужно уметь читать химические символы элементов, индексы и коэффициенты в формулах. Понимание валентности и простых химических связей помогает составлять структурные формулы. Эти знания понадобятся при изучении органических веществ, уравнений реакций и зависимости свойств вещества от строения молекул.

Что запомнить

• Молекула сохраняет химические свойства вещества.
• Индекс показывает число атомов элемента в одной молекуле.
• Молекулярная формула показывает состав, но не строение молекулы.
• Структурная формула показывает соединение атомов между собой.
• Одна черта в структурной формуле обозначает одну химическую связь.
• Число связей атома связано с его валентностью.