§ 10. Хімічні формули речовин

Вам уже відомо, що речовини складаються зі структурних частинок: атомів і молекул, що атоми хімічних елементів мають здатність сполучатися між собою з утворенням простих і складних речовин.

Наведіть приклади речовин, молекули яких складаються:

Як записати склад молекули, користуючись хімічною мовою, тобто мовою символів, формул, понять, назв?

Склад речовини визначається тим, атоми яких елементів і в якій кількості входять до її структурної частинки, і на письмі позначається хімічною формулою.

Складання формул здійснюється за допомогою символів хімічних елементів. Вони ж визначають якісний склад речовини. Кількість атомів того чи іншого хімічного елемента в складі сполуки позначають індексами — числами, які проставляють унизу праворуч від символу. Наприклад, молекула простої речовини кисню складається з двох атомів Оксигену, тому її склад записується О₂ (читається о-два)·, молекула озону складається з трьох атомів Оксигену, тому її склад записується О₃ (о-три). Запис О₂ є хімічною формулою кисню, О₃ — озону.

Прості речовини, що складаються з атомів, позначають символом хімічного елемента. Наприклад, елемент Карбон утворює прості речовини графіт і алмаз, які позначаються символом С, як і сам елемент. Для металічних елементів символи Са, К, Zn, Mg, Fe, Cr, Al умовно вважають позначенням їх складу.

Більшість речовин у природі є складними. Наприклад, молекула води, що складається з двох атомів Гідрогену та одного атома Оксигену, має хімічну формулу Н₂О (індекс 1 не пишеться і не читається), яка читається аш-два-о·, молекула метану, що складається з одного атома Карбону й чотирьох атомів Гідрогену, має хімічну формулу СН₄ (це-аш-чотири).

До складу молекули сахарози (цукру) входять 12 атомів Карбону, 22 атоми Гідрогену й 11 атомів Оксигену, тому формула цього солодкого продукту — С₁₂Н₂₂О₁₁, читається так: це-дванадцять-аш-двадцять-два-о-одинадцять (рис. 47).

Рис. 47. Хімічна формула сахарози (цукру)

В атомних сполуках формули вказують на співвідношення атомів елементів у речовині. Найпростіша формула кальцій карбонату СаСО₃ вказує на те, що співвідношення атомів Са, С і О становить 1:1:3. Тому вчені Київського національного університету імені Т. Шевченка запропонували термін «формульна одиниця». Звідси те, що зображено хімічною формулою, називають загальною назвою — формульна одиниця.

Хімічна формула — це умовний запис складу речовини за допомогою символів та індексів.

Хімічна формула характеризує якісний (указує, які елементи входять до її складу) і кількісний склад речовини, зокрема:

• а) число атомів кожного елемента. У формулі вони позначаються індексами;
• б) співвідношення атомів у сполуках. Наприклад, у молекулі метану СН₄ один атом Карбону сполучений із чотирма атомами Гідрогену, тобто співвідношення атомів становить 1:4;
• в) масові співвідношення елементів у складі речовини. Простежимо це знову на молекулі метану. Відносна атомна маса Карбону — 12, Гідрогену — 1. Загальна маса атомів Гідрогену — 4. Тому на 12 масових частин Карбону припадає 4 масові частини Гідрогену, тобто масове співвідношення становить 3:1;
• г) відносну молекулярну масу речовини та інші характеристики, які ви будете згодом вивчати й цим самим поглиблювати свої знання про хімічні сполуки.

Для позначення певної кількості частинок використовують коефіцієнти.

Коефіцієнт — це число, яке записується перед формулою або хімічним символом і позначає кількість окремих молекул або атомів у речовині.

Наприклад, 5СО₂, 2Cu, 3Аl(ОН)₃. Тут числа 5, 2, 3 — коефіцієнти. Читаються записи так: п’ять-це-о-два (означає п’ять молекул вуглекислого газу); два-купрум (два атоми Купруму); три-алюміній-о-аш-тричі.

ПІДСУМОВУЄМО ВИВЧЕНЕ

• Хімічна формула — умовний запис складу речовини за допомогою символів та індексів.
• Індекс — число, що вказує на кількість атомів або груп атомів у хімічній сполуці.
• Коефіцієнт — це число, що записується перед формулою сполуки чи хімічним символом і позначає кількість молекул або атомів.
• Запис складу речовини за допомогою хімічної формули — це короткий вираз її якісного та кількісного складу.

ЗАВДАННЯ ДЛЯ САМОКОНТРОЛЮ

2. Напишіть формули речовин, до складу молекул яких входять:

• а) чотири атоми Фосфору;
• б) один атом Сульфуру й три атоми Оксигену;
• в) три атоми Гідрогену, один атом Фосфору й чотири атоми Оксигену;
• г) два атоми Карбону, шість атомів Гідрогену й один атом Оксигену.

3. Поясніть, що означають записи: 8О₂, 5O₃, 4Н₂О, 7Ва, 2N₂O₃(нітроген(ІІІ) оксид), 6H₂SO₄ (сульфатна кислота).

4. Уставте пропущені слова, щоб вираз став завершеним.

Найдрібніша частинка речовини, яка зберігає її . , називається . .

Хімічна формула — умовний запис складу . за допомогою . та . .

До складу речовин входять . , . .

Число атомів у складі . показує . .

Коефіцієнт — це яке записується . формулою або . і позначає кількість окремих . або . .

5. Поясніть, чим відрізняються позначення: a) S і SO₂; б) Р і Р₄.

6. Висловте власну думку про важливість використання хімічних формул.

§ 13. Хімічні формули речовин

Склад речовин хіміки всього світу відображають дуже красиво і лаконічно у вигляді хімічних формул. Хімічні формули — це аналоги слів, які записують за допомогою букв — символів хімічних елементів.

Виразимо за допомогою хімічних символів склад найпоширенішої речовини на Землі — води. Молекула води складається з двох атомів Гідроґену і одного атома Оксиґену. Тепер запишемо це речення хімічною формулою, використовуючи хімічні символи (Гідроґену — Н і Оксиґену — О). Число атомів у формулі запишемо за допомогою індексів — цифр, які розташовані внизу справа від хімічного символу (індекс 1 для атомів у формулах речовин не пишуть, тому після символу Оксиґену 1 не записуємо): Н₂О (читають «аш-два-о»).

Формули водню і кисню, молекули яких складаються з двох однакових атомів, записують так: Н₂ (читають «аш-два») і О₂ (читають «о-два») (мал. 64).

Мал. 64. Моделі молекул та формули кисню, водню і води

Хімічна формула — це позначення атома, молекули або речовини за допомогою символів хімічних елементів та індексів.

Щоб відобразити число молекул, використовують коефіцієнти, які пишуть перед хімічними формулами: наприклад, запис 2СО₂ (читають «два-це-о-два») означає: дві молекули вуглекислого газу, кожна з яких складається з одного атома Карбону і двох атомів Оксиґену.

Аналогічно записують коефіцієнти, коли вказують число вільних атомів хімічного елемента. Наприклад, нам потрібно записати вираз: п’ ять атомів Карбону і сім атомів Хлору. Роблять це таким чином: 5С і 7Cl. Якщо записують одну молекулу речовини чи один атом, то коефіцієнт 1 перед формулою не пишуть.

Мал. 65. Хімічні формули записують за допомогою символів хімічних елементів та індексів, а число молекул указують за допомогою коефіцієнтів

Кожна хімічна формула дає інформацію про якісний і кількісний склад речовини. Наприклад, формула природного газу метану СН₄. Що ж означає ця формула? Насамперед, те, що молекула метану складається з атомів двох хімічних елементів — Карбону і Гідроґену (це якісний склад молекули). До складу молекули входить один атом Карбону і чотири атоми Гідроґену (це кількісний склад молекули).

На мал. 65 відображено 5 молекул сульфатної кислоти H₂SO₄. Кожна молекула складається з двох атомів Гідроґену, одного атома Сульфуру і чотирьох атомів Оксиґену.

Проте не всі речовини складаються з молекул. У деяких речовинах атоми сполучено один з одним у нескінченні шари та каркаси. В такому разі можна виокремити лише структурний фрагмент, який безконечно повторюється. Речовин немолекулярної будови дуже багато — метали, алмаз, графіт, кварц, слюда, польовий шпат, мармур, кухонна сіль. Для них теж записують хімічні формули, але не молекули, а формульної одиниці, тобто найменшого повторюваного фрагмента. Наприклад, залізо, як і інші метали, складається з атомів (мал. 66, а), тому найменший повторюваний фрагмент (структурна одиниця) цієї речовини — атом. Отже, формула заліза — Fe. Кварц складається з хімічно зв’язаних атомів Силіцію і Оксиґену, причому на один атом Силіцію припадає два атоми Оксиґену (мал. 66, б), тому формула кварцу — SiO₂.

Мал. 66. Будова деяких речовин: а — заліза; б — кварцу

Якщо до складу речовини входить група атомів, яка повторюється два чи більше разів, то цю групу беруть у дужки і зазначають число груп за допомогою індексу, наприклад: Ca(OH)₂. Індекс 2 стосується усіх атомів у дужках, тому формульна одиниця кальцій гідроксиду Ca(OH)₂ складається із одного атома Кальцію, двох атомів Оксиґену і двох атомів Гідроґену. Формула Ca(OH)₂ читається: кальцій-о-аш-двічі; формула Ba(NO₃) ₂ читається: барій-ен-о-три — двічі, а формула Ca₃(PO4)₂ — кальцій-три-пе-о-чотири-двічі.

Якщо літерою n позначити число атомів, то співвідношення атомів Кальцію n(Ca), атомів Оксиґену n(O) і атомів Гідроґену n(H) у кальцій гідроксиді Ca(OH)₂ становитиме:

За хімічною формулою речовини можна обчислювати масове співвідношення елементів у речовині.

Масове співвідношення хімічних елементів у речовині дорівнює відношенню їхніх відносних атомних мас, помножених на кількість атомів кожного елемента у речовині. Знайдемо, наприклад, масове співвідношення хімічних елементів у кальцій карбонаті СаСО₃. Маси Кальцію, Карбону і Оксиґену позначимо як m(Ca), m(C) і т(О). Тоді:

m(Ca) : m(C) : т(О) = [A_r(Ca) • n(Ca)] : [A_r(C) • n(C)] : [A_r(О) x n(О)] = [40 • 1] : [12 • 1] : [16 • 3] = 40 : 12 : 48 = 10 : 3 : 12.

Щороку вчені синтезують тисячі нових речовин, кожна з яких має свою назву, тому хімічна мова розвивається так само стрімко, як і наука.

• Хімічна формула — це позначення атома, молекули або речовини за допомогою символів хімічних елементів та індексів. Хімічна формула відображає кількісний і якісний склад речовини.
• Індекси — числа, які вказують на кількість атомів або груп атомів у формулі речовини.
• Коефіцієнт — число, яке записують перед формулою або хімічним символом; воно означає кількість молекул, окремих атомів або груп атомів.
• За хімічною формулою можна визначити співвідношення атомів у молекулі чи формульній одиниці, а також обчислити їхнє масове співвідношення.

Початковий рівень

• 1. Прочитайте формули речовин і охарактеризуйте їхній якісний і кількісний склад: N₂, SO₃, HPO₃, Mg(NO₃)₂.
• 2. Що означають такі записи: 3NO₂, 4НСl, 8Zn, 7H₂S?

Середній рівень

• 3. Напишіть формули речовин, які читають так: пе-два-о-три, ен-два-о-п’ять, аш-два-силіцій-о-три, аш-три-пе-о-чотири, хром-ен-о-три-тричі.
• 4. Встановіть співвідношення атомів у таких речовинах:

Достатній рівень

A) озону (молекула складається з трьох атомів Оксиґену);

Б) карбонатної кислоти (молекула складається з двох атомів Гідроґену, одного атома Карбону і трьох атомів Оксиґену);

B) натрій ортофосфату, формульна одиниця якого складається з трьох атомів Натрію, одного атома Фосфору і трьох атомів Оксиґену. Знайдіть співвідношення атомів хімічних елементів в останніх двох речовинах.

Високий рівень

Додаткове завдання

А) Бору та Оксиґену у її молекулі дорівнює 2 : 3.

Б) Хлору та Оксиґену у її молекулі дорівнює 2 : 7.

• 9. Напишіть формулу речовини, якщо масове співвідношення Кальцію, Сульфуру і Оксиґену у її формульній одиниці становить 5 : 4 : 8.