§ 12. Химические формулы

Определения и обозначения

Химическая формула — условная запись состава вещества с помощью химических знаков и индексов. Например, H₂O показывает, что вещество состоит из водорода и кислорода. По символам узнают, какие элементы образуют вещество, а по индексам — сколько атомов каждого элемента входит в его частицу. Поэтому формула передаёт и качественный, и количественный состав.

Химический индекс — нижний числовой показатель у символа элемента, обозначающий число его атомов в частице вещества. В записи CO₂ индекс 2 относится к кислороду, значит, в частице два атома O. Индекс помогает точно задать состав вещества и отличить одну формулу от другой. Если индекс не указан, считают, что атом элемента один.

Коэффициент — число перед химической формулой, показывающее количество частиц или порций вещества. В записи 3H₂O цифра 3 означает три частицы воды, а не три атома водорода. Коэффициент относится ко всей формуле и нужен, например, чтобы показать количество частиц в уравнении реакции. Он не меняет состав каждой отдельной частицы.

Относительная молекулярная масса — сумма относительных атомных масс всех атомов, входящих в состав молекулы. Для её нахождения используют формулу вещества: учитывают, сколько атомов каждого элемента в ней указано, и складывают их относительные атомные массы. Эта величина позволяет сравнивать массы молекул и решать расчётные задачи. Её обычно обозначают Mr.

Как это устроено

Символы элементов дают качественную информацию: они отвечают на вопрос, какие именно элементы входят в вещество. Числовые индексы добавляют количественную информацию — указывают число атомов рядом стоящего элемента. Так, запись H₂O сообщает не просто о наличии водорода и кислорода, а о соотношении двух атомов водорода к одному атому кислорода. Без символов нельзя было бы узнать состав, а без индексов — количество атомов.

Индекс ставят сразу после символа, поэтому его относят только к этому символу. Например, в SO₃ цифра 3 относится к O, но не к S: серы одна, кислорода три. Если индекса нет, подразумевается единица, потому что запись без цифры уже имеет однозначное значение. Для нескольких связанных атомов используют скобки: индекс после скобок относится ко всей группе, ведь он стоит после её закрывающей границы.

Коэффициент и индекс стоят в разных местах и отвечают на разные вопросы. Индекс находится внизу у символа или после скобок и меняет состав одной частицы, а коэффициент ставят перед формулой и меняют количество частиц. Поэтому 2H₂O — это две частицы воды, каждая из которых содержит два атома H и один O. Всего в двух частицах четыре атома H и два O.

Чтобы правильно прочитать формулу, найдите все символы элементов, затем определите их индексы и учтите скобки. В Ca(OH)₂ одна группа OH повторена дважды, поэтому атомов O и H по два, а атом Ca один. Если перед формулой есть коэффициент, сначала можно посчитать состав одной частицы, а затем умножить каждый результат на коэффициент. Такой порядок помогает не смешать число атомов внутри частицы и число самих частиц.

Относительную молекулярную массу находят сложением относительных атомных масс всех элементов, умноженных на число их атомов. Например, для H₂O используют два атома водорода и один кислорода: Mr = 2·Ar(H) + Ar(O). Индексы нельзя пропускать, иначе расчёт будет относиться к другому составу. Если в формуле есть скобки, сначала учитывают, сколько раз повторяется группа, и только потом складывают массы.

Элементы записи химической формулы и их значение

Пользуйтесь таблицей по порядку: сначала найдите символы и их индексы, затем проверьте, есть ли скобки и коэффициент. Для подсчёта атомов в одной частице коэффициент не нужен, а для нескольких частиц он умножает каждый полученный результат. Индекс после скобок применяйте ко всем элементам внутри них.

Разбор задач

Задача 1. Прочитайте формулу Al₂(SO₄)₃ и определите число атомов алюминия, серы и кислорода в одной формульной единице. Нужно отдельно учесть индекс у алюминия и множитель у группы SO₄. Формульная единица здесь — один набор атомов, указанный формулой.

1. У Al стоит индекс 2, поэтому атомов алюминия два.
2. В скобках записана одна группа SO₄, а индекс 3 после скобок означает три такие группы. Значит, серы 1·3 = 3 атома.
3. В каждой группе четыре атома кислорода, а групп три. Получаем 4·3 = 12 атомов O.

Ответ: Al — 2 атома, S — 3 атома, O — 12 атомов. Проверка: индекс после скобок применён к каждому элементу группы, а не только к кислороду.

Задача 2. Запишите формулу вещества, состоящего из двух атомов водорода и одного атома серы, и вычислите его относительную молекулярную массу. Сначала составим запись по числу атомов, а затем сложим их относительные атомные массы. Используем значения Ar(H) = 1 и Ar(S) = 32.

1. Записываем символы водорода H и серы S. Поскольку атомов водорода два, ставим у H индекс 2.
2. У серы один атом, поэтому индекс 1 не записываем. Получаем формулу H₂S.
3. Вычисляем Mr: 2·Ar(H) + Ar(S) = 2·1 + 32 = 34.

Ответ: формула вещества — H₂S, относительная молекулярная масса Mr = 34. Учитываем только атомы, указанные формулой: два H и один S.

Задача 3. Вычислите относительную молекулярную массу 2Al₂(SO₄)₃ и определите общее число атомов кислорода в двух частицах вещества. Коэффициент 2 задаёт две частицы, но сначала найдём состав одной. Используем Ar(Al) = 27, Ar(S) = 32 и Ar(O) = 16.

1. В одной частице Al₂(SO₄)₃ содержатся 2 атома Al, 3 атома S и 12 атомов O.
2. Считаем относительную молекулярную массу одной частицы: Mr = 2·27 + 3·32 + 12·16 = 54 + 96 + 192 = 342.
3. Коэффициент не меняет Mr одной частицы. Для двух частиц кислорода будет 2·12 = 24 атома.

Ответ: Mr одной частицы равно 342, в двух частицах содержится 24 атома кислорода. Если требуется сумма Mr для двух частиц, она равна 2·342 = 684.

Типичные ошибки

Иногда у каждого элемента ставят индекс 1, хотя в формулах единицу не записывают. Так поступают, пытаясь явно показать все числа, но отсутствие индекса уже означает один атом. Проверьте запись: если у символа нет нижнего числа, считайте его за единицу. Например, в H₂O у кислорода один атом, хотя цифра не стоит.

Другая ошибка — распространять индекс на соседний элемент. В CO₂ индекс 2 относится только к O, потому что он стоит непосредственно после символа кислорода; углерод представлен одним атомом. Такая путаница возникает, если читать формулу как набор чисел без привязки к символам. Проверяйте каждый индекс отдельно и мысленно связывайте его только с тем, что стоит слева.

Индекс могут принять за коэффициент или наоборот. Например, 2H₂ означает две частицы, в каждой из которых по два атома H, тогда как H₂ — одна частица с двумя атомами H. Ошибка появляется из-за того, что обе цифры связаны с подсчётом, хотя стоят в разных местах и имеют разный смысл. Перед подсчётом уточните, спрашивают ли состав одной частицы или общее число атомов в нескольких.

При вычислении Mr можно забыть индексы или не умножить состав группы в скобках. Тогда часть атомов не попадёт в сумму, и результат окажется меньше нужного. Сначала выпишите число атомов каждого элемента, включая умножение на индекс после скобок, и только потом подставляйте Ar. В конце проверьте, что каждый символ формулы учтён.

Связь с другими темами

Для чтения формул нужны знания символов химических элементов, понятий атома и молекулы, а также относительных атомных масс. Формулы применяют при записи уравнений химических реакций: они показывают, какие вещества участвуют в реакции и из каких частиц они состоят. Позже эти умения помогут вычислять относительную молекулярную и молярную массу, массовые доли элементов и количество вещества. Поэтому точное чтение индексов и коэффициентов становится основой для многих расчётов в химии.

Что запомнить

• Химическая формула показывает качественный и количественный состав вещества.
• Индекс показывает число атомов элемента в одной частице.
• Если индекса нет, число атомов равно единице.
• Коэффициент относится ко всей формуле.
• Индекс после скобок умножает состав всей группы.
• Относительную молекулярную массу находят сложением относительных атомных масс с учётом индексов.