Химические формулы

Вода в стакане, кислород в воздухе, сахар в сахарнице — знакомые вещества. Но как записать их состав, если атомы невозможно рассмотреть невооруженным глазом? Для этого используют химические формулы.

Как прочитать состав вещества

Вы уже знаете, что у каждого химического элемента есть свой символ. Например:

Символы элементов можно сравнить с буквами: из них составляют записи веществ. Однако в химии важны не только символы, но и числа рядом с ними.

Посмотрите на формулу воды: $H_2O$. Она показывает, что в молекуле воды есть $2$ атома водорода и $1$ атом кислорода.

В формуле $H_2O$ индекс $2$ относится к водороду. После символа кислорода числа нет: индекс $1$ принято не писать. Таким образом,

1. $H_2$ означает два атома водорода;
2. $O$ без индекса означает один атом кислорода;
3. всего в молекуле $H_2O$ три атома.

Расшифруйте формулу

{"questions":[{"instruction":"Формула углекислого газа — $\\mathrm{CO}_2$. Каков состав одной его молекулы?","content":"[[choice-1]]","widgets":{"choice-1":{"type":"choice","options":["Один атом углерода и два атома кислорода","Два атома углерода и два атома кислорода","Один атом углерода и один атом кислорода"],"answer":[0]}},"explanation":"Индекс $2$ стоит после $\\mathrm{O}$ и относится к кислороду. После $\\mathrm{C}$ индекса нет, поэтому атом углерода один.","hints":["Посмотрите, после какого символа стоит индекс $2$.","Индекс относится к символу перед ним. Если индекса нет, подразумевается один атом."]}]}

Что можно узнать по формуле

Формула позволяет описать состав вещества двумя способами.

• Качественный состав показывает, какие химические элементы входят в состав вещества.
• Количественный состав показывает, сколько атомов каждого элемента приходится на молекулу или формульную единицу вещества. С формульной единицей познакомимся немного позже.

Например, для воды $H_2O$:

Какие элементы входят в состав?

Какие элементы входят в состав?

Сколько атомов каждого элемента в молекуле?

Сколько атомов каждого элемента в молекуле?

Слово «качественный» здесь связано с видом элементов, а не с оценкой качества воды.

По формуле также можно определить, простое вещество или сложное.

Простое вещество состоит из атомов одного химического элемента. Сложное — из атомов разных элементов.

Например, кислород $O_2$ — простое вещество: оба атома относятся к одному элементу. Вода $H_2O$ — сложное: в ее состав входят водород и кислород.

Распределите вещества

{"questions":[{"instruction":"Распределите формулы по двум группам: простые вещества и сложные вещества","content":"[[grouper-1]]","widgets":{"grouper-1":{"type":"grouper","labels":["Простые вещества","Сложные вещества"],"items":[["$\\mathrm{O}_2$","$\\mathrm{O}_3$"],["$\\mathrm{H}_2\\mathrm{O}$","$\\mathrm{CO}_2$"]],"displayMode":"drag"}},"explanation":"Кислород $\\mathrm{O}_2$ и озон $\\mathrm{O}_3$ состоят из атомов одного элемента — кислорода. Разное число атомов в молекулах не делает их сложными веществами.","hints":["Считайте виды химических элементов, а не общее число атомов.","В $\\mathrm{O}_2$ и $\\mathrm{O}_3$ записан только символ $\\mathrm{O}$. В $\\mathrm{H}_2\\mathrm{O}$ и $\\mathrm{CO}_2$ есть символы двух разных элементов."]}]}

Как произносить формулы

При чтении формул используют названия символов и называют индексы.

Прочитать формулу и назвать вещество — разные действия. Например, $H_2O$ читают «аш-два-о», а название вещества — вода.

Индекс и коэффициент: два разных числа

Сравните записи: $H_2O$ и $2H_2O$.

Формула $H_2O$ описывает состав одной молекулы воды. Число $2$ перед формулой показывает, что в записи учитывают две такие молекулы.

В двух молекулах воды:

• атомов водорода: $2\cdot2=4$;
• атомов кислорода: $2\cdot1=2$.

Коэффициент относится ко всей формуле. Например, $5CO_2$ означает пять молекул углекислого газа. В них всего пять атомов углерода и десять атомов кислорода.

Изменение коэффициента меняет число учитываемых частиц. Изменение индекса меняет состав, описанный формулой. Например, $O_2$ — кислород, а $O_3$ — озон.

Посчитайте все атомы

{"questions":[{"instruction":"Что показывает запись $3\\mathrm{H}_2\\mathrm{O}$?","content":"[[choice-1]]","widgets":{"choice-1":{"type":"choice","options":["$3$ молекулы воды: всего $3$ атома водорода и $3$ атома кислорода","$1$ молекулу воды: $6$ атомов водорода и $3$ атома кислорода","$3$ молекулы воды: всего $6$ атомов водорода и $3$ атома кислорода.","$3$ молекулы воды: всего $2$ атома водорода и $1$ атом кислорода."],"answer":[2]}},"explanation":"В каждой молекуле два атома $\\mathrm{H}$ и один атом $\\mathrm{O}$. Поэтому всего $3\\cdot 2=6$ атомов $\\mathrm{H}$ и $3\\cdot 1=3$ атома $\\mathrm{O}$.","hints":["Сначала определите состав одной молекулы $\\mathrm{H}_2\\mathrm{O}$.","Умножьте число атомов каждого элемента в одной молекуле на коэффициент $3$."]}]}

Зачем в формулах нужны скобки

Иногда группа символов в формуле повторяется. Чтобы не записывать ее несколько раз, используют скобки.

Рассмотрим формулу гашеной извести: $Ca(OH)_2$. Символ $Ca$ обозначает кальций. Индекс $2$ после скобок относится ко всей группе $OH$:

• $O$ учитывается два раза;
• $H$ учитывается два раза.

Символ $Ca$ находится вне скобок, поэтому индекс после скобок на него не распространяется.

Таким образом, по формуле $Ca(OH)_2$ учитывается $1$ атом кальция, $2$ атома кислорода и $2$ атома водорода.

Что такое гашеная известь? 

Обычный белый порошок, который люди используют уже тысячи лет, чтобы белить стены, красить стволы деревьев весной и строить дома.

В химии у нее есть официальное «паспортное» имя — гидроксид кальция.

Если внутри скобок уже есть индекс, два индекса перемножают.
Например, в $Al(NO_3)_3$:

• $Al$ — $1$ атом алюминия;
• $N$ — $1\cdot3=3$ атома азота;
• $O$ — $3\cdot3=9$ атомов кислорода.

Индекс 3 после скобок показывает, что группа $NO_3$ учитывается три раза.

Прочитайте формулу со скобками

{"questions":[{"instruction":"Сколько атомов каждого элемента учитывают по формуле $\\mathrm{Ca(OH)}_2$?","content":"[[choice-1]]","widgets":{"choice-1":{"type":"choice","options":["$2$ атома $\\mathrm{Ca}$, $2$ атома $\\mathrm{O}$, $2$ атома $\\mathrm{H}$","$1$ атом $\\mathrm{Ca}$, $2$ атома $\\mathrm{O}$, $2$ атома $\\mathrm{H}$","$1$ атом $\\mathrm{Ca}$, $1$ атом $\\mathrm{O}$, $2$ атома $\\mathrm{H}$","$1$ атом $\\mathrm{Ca}$, $1$ атом $\\mathrm{O}$, $1$ атом $\\mathrm{H}$"],"answer":[1]}},"explanation":"Группа $\\mathrm{OH}$ учитывается дважды, а кальций — один раз.","hints":["Определите, какие символы находятся внутри скобок.","Индекс $2$ после скобок относится и к $\\mathrm{O}$, и к $\\mathrm{H}$. Кальций находится вне этой группы."]}]}

Если символ встречается несколько раз

Один и тот же символ может быть записан в разных частях формулы. В таком случае нужно сложить все относящиеся к нему количества атомов.

Рассмотрим $(NH_4)_2HPO_4$. Здесь $P$ — символ фосфора. Водород $H$ находится и внутри скобок, и вне их. Чтобы посчитать весь водород, сначала определяют его число в повторяющейся группе, затем прибавляют водород вне скобок.

Найдите весь водород

{"questions":[{"instruction":"Сколько атомов водорода учитывают по формуле $(\\mathrm{NH}_4)_2\\mathrm{HPO}_4$?","content":"[[choice-1]]","widgets":{"choice-1":{"type":"choice","options":["$4$","$8$","$9$","$10$"],"answer":[2]}},"explanation":"Индекс $4$ после $\\mathrm{O}$ относится к кислороду и не меняет число атомов водорода.","hints":["Найдите оба места, где в формуле записан символ $\\mathrm{H}$.","В группе $\\mathrm{NH}_4$ четыре атома $\\mathrm{H}$, а группа учитывается дважды. Затем прибавим атом $\\mathrm{H}$, записанный сразу после скобок."]}]}

Как читать формулы со скобками

Слово «дважды» помогает передать, что группа в скобках учитывается два раза.

Любая ли формула описывает молекулу

Вы уже знаете, что существуют вещества молекулярного и немолекулярного строения.

Для молекулярного вещества формула показывает состав молекулы. Например, $H_2O$ — состав молекулы воды.

Но поваренная соль $NaCl$ имеет немолекулярное строение. В ее кристалле ионы натрия и хлора образуют общую структуру. Отдельных молекул $NaCl$ в таком кристалле нет. Формула $NaCl$ показывает соотношение: на один ион натрия приходится один ион хлора.

Для описания состава немолекулярных веществ используют понятие формульной единицы.

Таким образом, при чтении формул нужно учитывать строение вещества: формула может описывать молекулу или формульную единицу.

{"questions":[{"instruction":"Как правильно объяснить формулу поваренной соли $\\mathrm{NaCl}$?","content":"[[choice-1]]","widgets":{"choice-1":{"type":"choice","options":["В кристалле соли находятся отдельные молекулы из одного атома натрия и одного атома хлора.","Соль представляет собой смесь простых веществ натрия и хлора.","В кристалле соли ионы натрия и хлора представлены в соотношении $1 : 1$.","В любом кристалле соли есть всего один ион натрия и один ион хлора."],"answer":[2]}},"explanation":"В кристалле очень много ионов, а $\\mathrm{NaCl}$ описывает их соотношение.","hints":["Поваренная соль имеет немолекулярное строение.","Формула показывает соотношение составляющих кристалла. Размер кристалла и общее число ионов могут быть разными."]}]}

Часто задаваемые вопросы