§ 7. Химические формулы

ЯЗЫК ХИМИИ: ХИМИЧЕСКИЕ ФОРМУЛЫ, ИНДЕКСЫ И КОЭФФИЦИЕНТЫ

Если символы химических элементов справедливо называют буквами химического алфавита, то составленные из них химические формулы представляют собой полноценные слова химического языка. Химическая формула — это знаковая модель, служащая для обозначения состава вещества с помощью символов химических элементов и числовых индексов.

В живой речи описание состава громоздко: например, «одна молекула углекислого газа включает один атом углерода и два атома кислорода». Химический язык предельно лаконичен — он отбрасывает слова «одна» и «один», записывая сущность в виде краткого выражения: CO₂.

В химической формуле строго разграничивают две принципиально разные цифры:

• Индекс — маленькая цифра, стоящая внизу справа от символа элемента (например, 2 в молекуле CO₂ или 3 в молекуле O₃). Индекс показывает число атомов данного химического элемента в молекуле или формульной единице вещества. Если атом в молекуле один, цифру 1 никогда не пишут.
• Коэффициент — крупная цифра, которая ставится перед всей химической формулой (например, 5CO₂). Коэффициент обозначает число отдельных обособленных молекул или формульных единиц (запись 5CO₂ означает ровно пять свободных молекул углекислого газа).

ПРАВИЛА ЧТЕНИЯ И ИНФОРМАЦИЯ, КОТОРУЮ НЕСЁТ ФОРМУЛА

Произношение химических формул подчиняется чётким правилам. Для большинства простых и бинарных веществ формула читается как последовательность названий элементов или букв с добавлением количественного числительного:

• Кислород O₂ читается как «о-два»;
• Озон O₃ — «о-три»;
• Вода H₂O — «аш-два-о»;
• Углекислый газ CO₂ — «цэ-о-два»;
• Метан CH₄ — «цэ-аш-четыре»;
• Аммиак NH₃ — «эн-аш-три».

Если в состав вещества входят повторяющиеся группы атомов, их заключают в круглые скобки, а стоящий за скобками индекс произносят с добавлением кратности:

• Гашёная известь Ca(OH)₂ читается как «кальций-о-аш-дважды» (на один атом кальция приходятся две гидроксогруппы OH);
• Кальциевая селитра Ca(NO₃)₂ читается как «кальций-эн-о-три-дважды»;
• Минеральное удобрение аммофос (NH₄)₂HPO₄ читается как «эн-аш-четыре-дважды-аш-пэ-о-четыре».

Каждая химическая формула несёт в себе исчерпывающий объём качественной и количественной информации о веществе:

1. Называет конкретное индивидуальное вещество;
2. Показывает тип вещества — простое оно (состоит из атомов одного элемента, как O₂ или O₃) или сложное (состоит из атомов разных элементов, как H₂O или Ca(OH)₂);
3. Обозначает одну молекулу (для веществ молекулярного строения) либо одну формульную единицу (для кристаллов с немолекулярным строением);
4. Отражает качественный состав — какие именно химические элементы образовали данное соединение;
5. Отражает количественный состав — точное число атомов каждого элемента в составе одной структурной единицы вещества.

ОТНОСИТЕЛЬНАЯ МОЛЕКУЛЯРНАЯ МАССА (Mr): СУЩНОСТЬ И ПРИМЕРЫ РАСЧЁТА

Поскольку молекула состоит из атомов, её суммарная масса закономерно складывается из масс всех входящих в неё атомов. По аналогии с относительной атомной массой Ar в химию введена относительная молекулярная масса (Mr) (индекс r — от англ. relative — относительный). Это безразмерная величина, показывающая, во сколько раз масса молекулы данного вещества больше 1/12 массы эталонного атома углерода-¹²C.

Для веществ ионного или кристаллического строения, не состоящих из отдельных изолированных молекул (например, поваренная соль NaCl или гашёная известь Ca(OH)₂), методически точнее использовать термин «относительная формульная масса», однако алгоритм расчёта остаётся совершенно одинаковым.

Чтобы найти относительную молекулярную массу вещества, необходимо сложить значения относительных атомных масс (Ar) всех элементов, входящих в состав формулы, предварительно умножив Ar каждого элемента на его индекс:

• Углекислый газ (CO₂):

Mr(CO₂) = Ar(C) + 2 · Ar(O) = 12 + 2 · 16 = 12 + 32 = 44

• Сернистый газ (SO₂):

Mr(SO₂) = Ar(S) + 2 · Ar(O) = 32 + 2 · 16 = 32 + 32 = 64

• Серная кислота (H₂SO₄):

Mr(H₂SO₄) = 2 · Ar(H) + Ar(S) + 4 · Ar(O) = 2 · 1 + 32 + 4 · 16 = 2 + 32 + 64 = 98

• Кальциевая селитра Ca(NO₃)₂:

В этой формуле индекс за скобками умножается на индексы внутри скобок: азота становится 2 атома, а кислорода — 2 · 3 = 6 атомов:

Mr(Ca(NO₃)₂) = Ar(Ca) + 2 · Ar(N) + 6 · Ar(O) = 40 + 2 · 14 + 6 · 16 = 40 + 28 + 96 = 164

МАССОВАЯ ДОЛЯ ХИМИЧЕСКОГО ЭЛЕМЕНТА В СЛОЖНОМ ВЕЩЕСТВЕ (w)

Химическая формула позволяет определить не только число атомов, но и массовое соотношение элементов в соединении. Массовая доля элемента (w, читается «дубль-вэ») — это отношение массы, приходящейся на данный химический элемент, к общей относительной молекулярной массе всего вещества.

Массовая доля выражается в долях единицы или в процентах и вычисляется по базовой расчётной формуле:

где n — число атомов данного химического элемента в формуле (его индекс), Ar(Э) — его относительная атомная масса, а Mr(вещества) — относительная молекулярная масса всего соединения.

Пример расчёта для сернистого газа SO₂:

1. Находим относительную молекулярную массу:

Mr(SO₂) = 32 + 2 · 16 = 64

1. Вычисляем массовую долю серы:

w(S) = (1 · 32 / 64) · 100% = 50%

1. Вычисляем массовую долю кислорода:

w(O) = (2 · 16 / 64) · 100% = (32 / 64) · 100% = 50%

(либо через вычитание из 100%: w(O) = 100% - 50% = 50%)

Сумма массовых долей всех входящих в сложное вещество элементов всегда строго равна 100% (или единице при расчёте в долях). Это свойство служит надёжным способом самопроверки при решении задач.