Как правильно написать химическую формулу

CharChem
^:

Система описания химических формул для WEB.

Химические формулы для «чайников»

Научно-популярная статья о химических формулах.
Обсуждаются структурные развёрнутые, упрощенные и скелетные формулы. А так же истинные и рациональные формулы.

Изначально сайт был задуман, как ресурс для профессиональных химиков.
Но в реальности из поисковых систем происходит очень много обращений от людей, только начинающих изучать химию.
Специально для них создан этот раздел, чтобы в доступной форме рассказать о том, как составляются химические формулы.

Содержание

Структурные формулы — это просто!

Я думаю, что знакомство с формулами лучше всего начать со структурных формул органических веществ.
Считается, что они сложны для понимания, поэтому в школе их изучают в выпускных классах.
Но я уверен, что через 10 минут вы разберетесь, как легко составлять структурные формулы.

Перед нами структурная формула метана — самого простого органического вещества.

H-C-H;H|#2|H

Что мы видим? В центре латинская буква C, а от неё четыре палочки, на концах которых четыре латинских буквы H.
C означает углерод, а H — водород. Это два самых важных элемента, которые входят в состав любых органических веществ.
А что означают палочки? Это химические связи. В них кроется практически весь секрет органической химии.
Фокус в том, что валентность углерода равна 4. Поэтому у каждой буквы C должно быть 4 палочки.
А валентность водорода равна 1, поэтому у него палочка должна быть только одна.
По-моему, палочки отлично демонстрируют такие «страшные» понятия, как химические связи и валентность.

Структурные формулы могут слегка менять свой внешний вид.
В них главное — количество элементов и наличие нужных связей.
Например, формула метана может иметь и такой вид:

H-C-H; H|#2|H =
$slope(45)H/C/H;H#CH$slope() = HC/H; H/#CH =
C<_(x-1.5,y1)H><_(x-.5,y1)H><_(x.5,y1)H>_(x1.5,y1)H

Все эти картинки означают одно и то же. И считаются одинаковыми формулами.

В общем, структурные формулы не являются какими-то жесткими конструкциями.
Если вдруг Вам захотелось бы сделать модель молекулы из подручных материалов,
то для этого лучше всего подошли бы шарики, соединённые пружинками или резинками.
Под шариками я конечно подразумеваю атомы, а резинки — химические связи.

Но в химии приняты не только структурные формулы. И здесь мы познакомимся с некоторыми из них.
Достаточно распространены так называемые истинные формулы.
Для метана истинная формула записывается так:

CH4

Палочки исчезли, а вместо четырёх букв H осталась одна, но с маленькой цифрой 4, которая указывает количество атомов.
Иногда такие формулы называют брутто-формулами.
Мне почему-то такое название нравится больше, поэтому я буду чаще пользоваться именно таким термином.

Обе формулы — структурная и истинная — означают одно и то же вещество.
Структурная конечно более понятна, но брутто-формула проще записывается.

Стоит упомянуть, что метан — это природный газ, который знаком всем, у кого есть газовая плита.
Но не будем на нём долго задерживаться. Пора посмотреть, какие ещё бывают варианты органических структур.

Углеводороды

Прежде, чем мы начнём знакомство с многочисленными органическими соединениями, хочу напомнить —
мы здесь изучаем химические формулы. А все упоминаемые вещества служат для иллюстрации.

Вещество	Развёрнутая структурная формула	Упрощенная структурная формула	Брутто-формула
Этан	H-C-C-H; H\|#2\|H; H\|#3\|H	CH3-CH3
Пропан	H-C-C-C-H; H\|#2\|H; H\|#3\|H; H\|#4\|H	CH3-CH2-CH3
Бутан	H-C-C-C-C-H; H\|#2\|H; H\|#3\|H; H\|#4\|H; H\|#5\|H	CH3-CH2-CH2-CH3
Пентан	H-C-C-C-C-C-H;H\|#2\|H;H\|#3\|H;H\|#4\|H;H\|#5\|H;H\|#6\|H	CH3-CH2-CH2-CH2-CH3
Гексан	H-C-C-C-C-C-C-H;H\|#2\|H;H\|#3\|H;H\|#4\|H;H\|#5\|H;H\|#6\|H;H\|#7\|H	CH3-CH2-CH2-CH2-CH2-CH3 или то же самое, но короче: CH3-(CH2)4-CH3	C6H14

Здесь представлены органические вещества, называемые углеводородами.
Название означает, что они состоят только из углерода и водорода.
Эти вещества в различной мере входят в состав нефти. И это далеко не полный список.
Но сначала смотрим ту колонку, которая называется Развёрнутая структурная формула.
Мы видим уже знакомые буквы C и H, соединённые химическими связями — палочками.
Главное правило по-прежнему в силе: у каждой буквы C четыре палочки, а у каждой H — одна.
Что здесь нового? Появились химические связи между атомами углерода.
И в результате оказалось, что молекулы органических веществ могут строиться при помощи таких цепочек,
где звеньями являются атомы углерода с прилипшими к ними водородами.

Теперь посмотрим на колонку, где представлены упрощённые структурные формулы.
Несложно догадаться, что они призваны экономить время людей, которые постоянно пишут формулы.
Особенно, если эти формулы достаточно большие.
Правила здесь довольно простые — убираем палочки между углеродом и водородом и пишем число атомов водорода в виде числа.
Таким образом, звенья цепочки становятся видны гораздо более отчётливо. По-научному они называются функциональные группы.
Можно даже довольно быстро понять некоторые более хитрые закономерности.
Например, группа на конце цепочки записывается CH3,
а в середине цепочки — CH2.
А для ещё большей экономии повторяющиеся группы можно объединить в скобочках, подписав количество повторов.
Это показано в последней строке таблицы для формулы гексана: CH3-(CH2)4-CH3.

Некоторые функциональные группы получают собственные названия и даже специальные обозначения.
Например, группа CH3 называется метильная группа (от названия метана)
и имеет собственное обозначение: Me. Если Вам попадётся, к примеру, такая формула: {Me}-CH2-{Me},
то ничего страшного тут нет. Это то же самое, что CH3-CH2-CH3, то есть — пропан.

Двойные и тройные связи

Итак, за короткое время мы уже разобрались, что такое структурные формулы и выяснили, что они бывают развёрнутые и упрощённые.
Но пока что мы познакомились только с одинарными химическими связями.
Но на самом деле существуют двойные и даже тройные связи. Посмотрим на следующую таблицу.

Вещество	Развёрнутая формула	Упрощённая формула
Этен (Этилен)	$slope(55)HC<`/H>_(x1,N2)C<H>/H	CH2=CH2
Пропен (Пропилен)	$slope(45)HC-C/C/H; H#-3H;H/#2-#3H	CH2=CH-CH3
Бутен (Бутилен)	HC<`/H>=C<\|H>-C<`\|H><\|H>-C-H; H\|#-3\|H	CH2=CH-CH2-CH3
Этин (Ацетилен)	H-C%C-H	CH%CH
Пропин (Метилацетилен)	H-C%C-C-H; H\|#-3\|H	CH%C-CH3
Бутин (Этилацетилен)	H-C%C-C<`\|H><\|H>-C-H; H\|#-3\|H	CH%C-CH2-CH3

Представленные здесь вещества тоже относятся к углеводородам.
Если хорошенько присмотреться, то можно увидеть определённое сходство с веществами из первой таблицы.
Названия формируются заменой буквы в конце названия: этан — этен — этин или
пропан — пропен — пропин. Сходство не ограничивается названиями.
Главное — одинаковое количество атомов углерода. А значит — одинаковое количество звеньев в цепи.
Различие кроется в наличии двойных и тройных связей.
Углеводороды в первой таблице называются предельными.
Это означает, что к ним больше ничего нельзя добавить.
А во второй таблице представлены непредельные углеводороды.
То есть, при определённых условиях к ним можно добавить по парочке атомов водорода.

Кроме того, появились дополнительные названия. Тут тоже нет ничего страшного.
Верхние названия, которые без скобок — это научные названия.
А в скобках даны традиционные названия, которые тоже довольно часто употребляются как в научной литературе, так и в быту.

Циклические углеводороды

Продолжим знакомство с формулами углеводородов. Они ещё не раскрыли нам всех своих секретов.
Оказывается, что цепочки могут быть замкнутыми. То есть, атомы углерода соединяются друг с другом циклически.

Вещество	Развёрнутая формула	Упрощённая формула
Циклопропан	$slope(60)H`/C`/C:a`/H; H#CC:bH; H-#a-#b-H	H2C_(x1.4)CH2_q3CH2_q3
Циклобутан	H\|C\|C\|H; H\|C\|C\|H; H-#2-#6-H; H-#3-#7-H	H2C-CH2`\|CH2`-H2C_#1
Циклопентан	C_(x1.1)C@:H2()<_(a24)H><_(a84)H>@()_qC@H2()_qC@H2()_qC@H2()_q@H2()	H2C_(x1.4)CH2_qCH2_qCH2_qH2C_q
Циклогексан	CC@:H2()<_(a-30)H><_(a-90)H>@()\|C@H2()`/C@H2()`C@H2()`\|C@H2()/@H2()	$L(1.3)CH2CH2\|CH2`/CH2`H2C`\|H2C/

Изомеры

До сих пор мы не особенно обращали внимания на последнюю колонку, где выведены брутто-формулы.
Но может возникнуть вполне законный вопрос: зачем вообще нужны структурные формулы?
Ведь брутто-формулы гораздо проще записывать. Может быть, достаточно было бы пользоваться только ими?
Но оказывается, что без структурных формул обойтись не получится.
Например, если сравнить брутто-формулы из двух предыдущих таблиц, то мы увидим,
что циклопропан имеет абсолютно тот же состав, что и пропен (C3H6).
А брутто-формула циклобутана совпадает с бутеном (C4H8).
Но это разные вещества! И разница заключается в структуре.
То есть, имеет большое значение, в каком порядке элементы соединены друг с другом.
А значит, именно структурные формулы позволяют точно описать нужное вещество.

В химии существует такое понятие как изомеры.
Так называют разные вещества, которые имеют одинаковый состав. Это не редкость.
И в этом нет ничего странного. Ведь бывают же совершенно разные слова, состоящие из одинаковых букв.

Классическими изомерами среди углеводородов можно назвать бутан и изобутан. Посмотрим на их формулы:

Вещество	Развёрнутая структурная формула	Упрощенная структурная формула	Брутто-формула
Бутан	H-C-C-C-C-H; H\|#2\|H; H\|#3\|H; H\|#4\|H; H\|#5\|H	CH3-CH2-CH2-CH3
Метилпропан (Изобутан)	HCC/C/H; H\|#2`/H; H\|#4H; H\|#3\|C\|H; H/#-3H	CH3-CH<\|CH3>-CH3

Изобутан является изомером бутана. Обратите внимание, что брутто-формулы одинаковы.
Но хотя они близки по свойствам, это разные вещества.

Как видно, разнообразие углеводородов не перестаёт удивлять.
Оказывается, они могут состоять не только из линейных цепочек, но могут образовывать разветвлённые структуры.
И чем длиннее исходная цепочка, тем больше вариантов.
Если у бутана возможны только два изомера, то у пентана их уже три:

Вещество	Упрощённая формула	Брутто-формула
Пентан	CH3-CH2-CH2-CH2-CH3
2-метилбутан (Изопентан)	CH3-CH<`\|CH3>-CH2-CH3
2,2-диметилпропан (Неопентан)	CH3-C<`\|CH3><\|CH3>-CH3

А у вещества декан, имеющего формулу C10H22, существует 75 изомеров.
Но мы не будем их здесь рассматривать.

Обратите внимание, что научное название зависит от числа звеньев в прямой цепочке,
а традиционное название просто учитывает количество атомов углерода в молекуле.
Так получилось из-за того, что химики, которые только начинали исследовать углеводороды,
первым делом научились определять состав веществ.
То есть, сначала люди смогли получить лишь брутто-формулы.
А из них невозможно понять, какова длина самой длинной цепочки. Поэтому названия учитывали общее число атомов углерода.
Затем наука дошла до того, что люди смогли исследовать структуру молекул, придумали структурные формулы
и переименовали уже известные вещества в соответствии с новыми знаниями.
Но старые названия уже успели прижиться и существуют до сих пор.

Бензол и скелетные формулы

Думаю, что пора познакомиться ещё с одним весьма примечательным представителем углеводородов.
Это вещество называется бензол. Вот его формулы:

Развёрнутая формула	Упрощённая формула	Скелетная формула	Брутто-формула
H\|CC\|C<H>`//C<\|H>`C<`/H>`\|\|C<`H>//H	H_(y.5)C\CH\|CH`//C<_(y.5)H>`HC`\|\|HC/	\\|`//«\|\|/

Чем же этот бензол так примечателен? Дело в том, что это шестиугольное колечко входит в состав огромного
числа органических веществ.
И вот на примере бензола предлагаю ознакомиться с ещё одним очень важным способом записи структурных формул — скелетными формулами.
Как видно из таблицы, скелетная формула бензола представляет собой правильный шестиугольник без каких-либо букв,
зато изображения химических связей выглядят одинаково.
В общем, правила составления скелетных формул отличаются от уже знакомых нам развёрнутых всего двумя особенностями:

Буквы C не пишутся. Предполагается, что каждый угол изображаемой геометрической фигуры содержит атом углерода.
Буквы H тоже не пишутся. Если в углу сходятся меньше четырёх линий, то это означает, что все оставшиеся заняты водородом.

Конечно, скелетные формулы не так просты, как развёрнутые, но зато их гораздо легче записывать.
Поэтому в органической химии это самый популярный вид формул. И мне кажется, Вам тоже будет несложно к ним привыкнуть.

Давайте посмотрим, как выглядят формулы других веществ, производных от бензола.

Вещество	Развёрнутая формула	Скелетная формула	Смешанный вариант	Брутто-формула
Нафталин	C/C<`\|H>\C</H>\|C<H>`//C<\|H>`C`\|`\C<`\|H>`/C<`H>\|\|C<`/H>C/`/\|H	/\\|`//«\|`\`/\|\|//		C10H8
Толуол	H\|C\|CC\|C<H>`//C<\|H>`C<`/H>`\|\|C<`H>//H; H-#2-H	\|\\|`//«\|\|/	CH3\|\\|`//«\|\|/
Кумол	HCC/C/H; H\|#2\|H; H\|#4\|H; H\|#3\|CC\|C<H>`//C<\|H>`C<`/H>`\|\|C<`H>//H	</>\|\\|`//«\|\|/	H3C</CH3>\|\\|`//«\|\|/

Как видите, появился ещё и смешанный вариант. Опять какой-то новый вид формул? На этот раз уже нет.
Просто иногда внутри одной формулы удобно сочетать различные способы.

А вот скелетная формула углеводорода, который называется коронен. Причём, другие варианты здесь уже использовать нет смысла.

|/`/|«/|`|«|/`/«||/\/\|||`/|`//«/`\`|/`/«||/

Впечатляет? Но это далеко не самая сложная структура для органического вещества.
Так что теперь Вы понимаете, почему скелетные формулы так популярны….

Скелетные формулы существуют не только для циклических молекул.
Понятно, что метан и этан имеют слишком мало узлов, поэтому для них не стоит пытаться использовать скелетные формулы.
А вот какая-нибудь длинная молекула изображается довольно легко.
Только не в виде прямой цепочки, а при помощи ломаной линии, ведь атомы углерода изображаются углами.

Бутан	Бутен	Изобутан	Гексан
//	///	\|`\|0/	///

Трехмерные изображения

Иногда плоского изображения становится недостаточно.
Поэтому для изображения трехмерных структурных формул используют особое изображение для химических связей:

{A}<`wB><\|wB>/wB	Такая химическая связь означает, что А находится в плоскости листа, а В расположено ближе к наблюдателю.
{A}<`dB><\|dB>/dB	а здесь В расположено от наблюдателя дальше, чем плоскость листа. То есть, А ближе, чем В

В качестве примера посмотрим на формулы уже известных нам углеводородов:

Метан	Пропан	Циклопропан	Циклопентан
H\|C<`/H><_(A65,w+)H>_(A20,d+)H	$slope(45)H\|C<_(A170,d+)H><`/wH>C<`/wH><dH>/C<wH><_(A10,d+)H>`\|H	C_(x1.3)C_q3C_q3; H_(A-20,w-)#1_(A110,d+)H; H_(A-160,w-)#2_(A80,d+)H; H_(A65,w-)#3_(A-65,d+)H	_(x1,y.5,W+)_(x1.5)_(x.5,y-1.5,W-)_(x-1.3,y1.1)_#1; $slope(60)H#1`/H; H#2`/H; H_(A140)#3H; H\|#4-H; H#5_(y1.2)H

Конечно, здесь потребуется включать воображение, чтобы представить трёхмерную структуру.
Но зато теперь Вы не растеряетесь, увидев подобную запись.

Формулы с окружностью

Думаю, что стоит упомянуть ещё одну интересную конструкцию, которая нередко встречается при изображении циклических структур.
Вот перед Вами несколько скелетных формул уже известного нам бензола:

/\|`//«|| <-> /=`//`-`\ <-> //||`/`\`| <-> /|`/«|_o <-> H|</H>|<H>`/<|H>`<`/H>`|<`H>/_o

Само собой, все они означают одно и то же. Но первые три отличаются только поворотом вокруг собственного центра.
Тут нет ничего необычного, ведь молекулы не стоят на одном месте.
А вот дальше мы видим кружок вместо трёх двойных связей.
Причём, я намеренно изобразил все атомы водорода в последней формуле.
Чтобы было хорошо видно, что каждый угол фактически лишился одной чёрточки. Их заменил кружок.
Он как бы означает, что все двойные связи равномерно распределены внутри кольца.

Формулы бензола, где используется чередование одинарных и двойных связей называются формулами Кекуле в честь немецкого учёного,
который внёс значительный вклад в исследование структуры бензола.

На самом деле, среди химиков нет единого мнения по поводу того, насколько правильно использование формул с кружком.
Некоторые авторы категорически против. Но есть масса публикаций, где такая запись широко употребляется.
Моя задача состоит в том, чтобы Вы узнали о существовании подобных формул и не удивлялись, увидев их.

Вот пара примеров записи уже для уже знакомых нам веществ:

Нафталин:

/|`/«|_o«/|/_o

Толуол:

`/`-`/-_o-CH3

Знакомство с кислородом. Спирты

До сих пор мы знакомились со структурными формулами углеводородов, которые состоят только из углерода и водорода.
Думаю, пора познакомиться с новым элементом — кислородом. Он обозначается латинской буквой O.
Его валентнсть равна 2. То есть, каждая буква O в структурных формулах должна снабжаться двумя палочками.

Кислород — очень распространённый элемент на нашей планете.
Он входит в состав большого количества органических и неорганических веществ.
Но мы начнём знакомство с группы веществ, называемых спиртами:

Вещество	Развёрнутая структурная формула	Упрощенная структурная формула	Скелетная формула
Метанол (метиловый спирт)	H-C-O-H; H\|#C\|H	CH3-OH	OH
Этанол (этиловый спирт)	H-C-C-O-H; H\|#2\|H; H\|#3\|H	CH3-CH2-OH	/OH
1-Пропанол (пропиловый спирт)	H-C-C-C-O-H; H\|#2\|H; H\|#3\|H; H\|#4\|H	CH3-CH2-CH2-OH	//OH
2-Пропанол (изопропиловый спирт)	H-C-C-C-H; H\|#2\|H; H\|#3\|O\|H; H\|#4\|H	CH3-CH<\|OH>-CH3	<\|OH>/

Не правда ли, что в этом есть что-то знакомое? Метан — метанол, этан — этанол, пропан — пропанол.
Да, можно сказать, что спирт получается из углеводорода, если заменить один атом -H на группу -O-H
(или -OH в упрощенных структурных формулах).
Химики называют её: гидроксильная группа, по латинским названиям водорода и кислорода.
А иногда она даже называется спиртовой группой.

Все спирты можно описать в виде обобщённой формулы {R}-OH,
где OH — гидроксильная группа, а R — остальная часть молекулы органического вещества.

Конечно же стоит упомянуть, что этанол — это тот самый спирт, который входит в состав алкогольных напитков.
Другие представленные здесь спирты по запаху, цвету и даже вкусу довольно похожи на этиловый спирт.
Но они очень вредны для здоровья человка. Например, один глоток метанола может оставить человека слепым на всю жизнь.
А если выпить больше, то это можеть оказаться фатальным для жизни.

Ещё здесь из четырёх спиртов есть два изомера: 1-пропанол и 2-пропанол.
У них одинаковые брутто-формулы, хотя вещества это разные.
Их молекулы отличаются номером углеродного атома, к которому крепится группа OH.
Возможно, Вы спросите, почему у 1-пропанола гидроксильная группа присоединена к третьему, а не к первому атому углерода?
Тут следует вспомнить, что молекулы не находятся в одном положении. Они постоянно крутятся. И вполне могут развернуться как угодно:

CH3-CH2-CH2-OH = $slope(45)CH3CH2CH2OH = CH3|CH2|CH2|OH = HO/CH2/CH2/CH3 =
HO-CH2-CH2-CH3; @:Cx(n,t)#&n_(y.7,N0)$itemColor1(gray)»&t»@(2,1); @Cx(3,2); @Cx(4,3)

Поэтому первый номер — тот, который ближе к гидроксильной группе.

Все спирты, с которыми мы уже успели познакомиться, имеют в своём составе одну гидроксильную группу.
Химики называют их одноатомные спирты. Но существуют вещества с различным количеством гидроксильных групп.
Они соответственно называются двухатомные спирты, трёхатомные спирты и так далее…
В качестве примера трёхатомного спирта можно привести достаточно известное вещество — глицерин:

Развёрнутая формула	Упрощённая формула	Скелетная формула	Брутто-формула
H-C-C-C-H; $slope(45)H`/O\|#2\|H; H`/O\|#3\|H; H`/O\|#4\|H	OH\|CH2-CH<`\|OH>-CH2`\|OH	HO/<`\|OH>/OH

Ну и чтобы завершить знакомство со спиртами, приведу ещё формулу другого известного вещества — холестерина.
Далеко не все знают, что он является одноатомным спиртом!

|`/`\`|<`|w>«/|<`/w$color(red)HO$color()>/`|0/`|/<`|w>|_q_q_q<-dH>:a_q|0<|dH>`/<`|wH>`|dH;
#a_(A-72)<_(A-120,d+)>-/-/<->`

Гидроксильную группу в нём я обозначил красным цветом.

Карбоновые кислоты

Любой винодел знает, что вино должно храниться без доступа воздуха. Иначе оно скиснет.
Но химики знают причину — если к спирту присоединить ещё один атом кислорода, то получится кислота.

Посмотрим на формулы кислот, которые получаются из уже знакомых нам спиртов:

Вещество	Развёрнутая структурная формула	Упрощенная структурная формула	Скелетная формула
Метановая кислота (муравьиная кислота)	H/C`\|O\|OH	HCOOH	O//OH
Этановая кислота (уксусная кислота)	H-C-C<//O>O-H; H\|#C\|H	CH3-COOH	/`\|O\|OH
Пропановая кислота (метилуксусная кислота)	H-C-C-C<//O>O-H; H\|#2\|H; H\|#3\|H	CH3-CH2-COOH	/`\|O\|OH
Бутановая кислота (масляная кислота)	H-C-C-C-C<//O>O-H; H\|#2\|H; H\|#3\|H; H\|#4\|H	CH3-CH2-CH2-COOH	//`\|O\|OH
Обобщённая формула	{R}-C<//O>O-H	{R}-COOH или {R}-CO2H	{R}/`\|O\|OH

Отличительной особенностью органических кислот является наличие карбоксильной группы (COOH),
которая и придаёт таким веществам кислотные свойства.

Все, кто пробовал уксус, знают что он весьма кислый. Причиной этого является наличие в нём уксусной кислоты.
Обычно столовый уксус содержит от 3 до 15% уксусной кислоты, а остальное (по большей части) — вода.
Употребление в пищу уксусной кислоты в неразбавленном виде представляет опасность для жизни.

Карбоновые кислоты могут иметь несколько карбоксильных групп.
В этом случае они называются: двухосновная, трёхосновная и т.д…

В пищевых продуктах содержится немало других органических кислот. Вот только некоторые из них:

Щавелевая кислота	Молочная кислота	Яблочная кислота	Лимонная кислота
HOOC-COOH	H3C<\|OH>/COOH	HOOC/<`\|OH>COOH	HOOC/<`\|COOH><\|OH>/COOH
двухосновная карбоновая кислота	оксикарбоновая кислота	Двухосновная оксикарбоновая кислота	Трёхосновная оксикарбоновая кислота

Название этих кислот соответствует тем пищевым продуктам, в которых они содержатся.
Кстати, обратите внимание, что здесь встречаются кислоты, имеющие и гидроксильную группу, характерную для спиртов.
Такие вещества называются оксикарбоновыми кислотами (или оксикислотами).
Внизу под каждой из кислот подписано, уточняющее название той группы органических веществ, к которой она относится.

Радикалы

Радикалы — это ещё одно понятие, которое оказало влияние на химические формулы.
Само слово наверняка всем известно, но в химии радикалы не имеют ничего общего с политиками, бунтовщиками и прочими гражданами с активной позицией.
Здесь это всего лишь фрагменты молекул. И сейчас мы разберёмся, в чём их особенность и познакомимся с новым способом записи химических формул.

Выше по тексту уже несколько раз упоминались обобщённые формулы: спирты — {R}-OH и
карбоновые кислоты — {R}-COOH. Напомню, что -OH и -COOH — это функциональные группы.
А вот R — это и есть радикал. Не зря он изображается в виде буквы R.

Если выражаться более определённо, то одновалентным радикалом называется часть молекулы, лишённая одного атома водорода.
Ну а если отнять два атома водорода, то получится двухвалентный радикал.

Радикалы в химии получили собственные названия.
Некоторые из них получили даже латинские обозначения, похожие на обозначения элементов.
И кроме того, иногда в формулах радикалы могут быть указаны в сокращённом виде, больше напоминающем брутто-формулы.
Всё это демонстрируется в следующей таблице.

Название	Структурная формула	Обозначение	Краткая формула	Пример спирта
Метил	CH3-{}	Me	CH3	{Me}-OH	CH3OH
Этил	CH3-CH2-{}	Et	C2H5	{Et}-OH	C2H5OH
Пропил	CH3-CH2-CH2-{}	Pr	C3H7	{Pr}-OH	C3H7OH
Изопропил	H3CCH(`/H3C)-{}	i-Pr	C3H7	{i-Pr}-OH	(CH3)2CHOH
Фенил	`/`=`//-\-{}	Ph	C6H5	{Ph}-OH	C6H5OH

Думаю, что здесь всё понятно. Хочу только обратить внимание на колонку, где приводятся примеры спиртов.
Некоторые радикалы записываются в виде, напоминающем брутто-формулу, но функциональная группа записывается отдельно.
Например, CH3-CH2-OH превращается в C2H5OH.
А для разветвлённых цепочек вроде изопропила применяются конструкции со скобочками.

Существует ещё такое явление, как свободные радикалы.
Это радикалы, которые по каким-то причинам отделились от функциональных групп.
При этом нарушается одно из тех правил, с которых мы начали изучение формул:
число химических связей уже не соответствует валентности одного из атомов.
Ну или можно сказать, что одна из связей становится незакрытой с одного конца.
Обычно свободные радикалы живут короткое время, ведь молекулы стремятся вернуться в стабильное состояние.

Знакомство с азотом. Амины

Предлагаю познакомиться с ещё одним элементом, который входит в состав многих органических соединений. Это азот.
Он обозначается латинской буквой N и имеет валентность, равную трём.

Посмотрим, какие вещества получаются, если к знакомым нам углеводородам присоединить азот:

Вещество	Развёрнутая структурная формула	Упрощенная структурная формула	Скелетная формула
Аминометан (метиламин)	H-C-N</H>H;H\|#C\|H	CH3-NH2	NH2
Аминоэтан (этиламин)	H-C-C-N</H>H;H\|#C\|H;H\|#3\|H	CH3-CH2-NH2	/NH2
Диметиламин	H-C-N<`\|H>-C-H; H\|#-3\|H; H\|#2\|H	$L(1.3)H/N<_(A80,w+)CH3>dCH3	/N<_(y-.5)H>
Аминобензол (Анилин)	HN</H>\|C\C</H>\|C<H>`//C<\|H>`C<`/H>`\|\|C<`H>/	NH2\|C\CH\|CH`//C<_(y.5)H>`HC`\|\|HC/	NH2\|\|`/«\|/_o
Триэтиламин	$slope(45)H-C-C/NC-C-H;H\|#2\|H; H\|#3\|H; H\|#5\|H;H\|#6\|H; #N`\|C<`-H><-H>`\|C<`-H><-H>`\|H	CH3-CH2-N<`\|CH2-CH3>-CH2-CH3	/N<`\|/>\|

Как Вы уже наверное догадались из названий, все эти вещества объединяются под общим названием амины.
Функциональная группа {}-NH2 называется аминогруппой.
Вот несколько обобщающих формул аминов:

По числу замещённых атомов водорода	По числу аминогрупп в молекуле
Первичный амин {R}-NH2	Моноамин {R}-NH2
Вторичный амин {R1}-NH-{R2}	Диамин H2N-{R}-NH2
Третичный амин {R1}-N<`\|{R3}>-{R2}	Триамин H2N-{R}(`\|NH2)-NH2

В общем, никаких особых новшеств здесь нет.
Если эти формулы Вам понятны, то можете смело заниматься дальнейшим изучением органической химии,
используя какой-нибудь учебник или интернет.
Но мне бы хотелось ещё рассказать о формулах в неорганической химии.
Вы убедитесь, как их легко будет понять после изучения строения органических молекул.

Рациональные формулы

Не следует делать вывод о том, что неорганическая химия проще, чем органическая.
Конечно, неорганические молекулы обычно выглядят гораздо проще, потому что они не склонны к образованию таких сложных структур, как углеводороды.
Но зато приходится изучать более сотни элементов, входящих в состав таблицы Менделеева.
А элементы эти имеют склонность объединяться по химическим свойствам, но с многочисленными исключениями.

Так вот, ничего этого я рассказывать не буду. Тема моей статьи — химические формулы.
А с ними как раз всё относительно просто.
Наиболее часто в неорганической химии употребляются рациональные формулы.
И мы сейчас разберёмся, чем же они отличаются от уже знакомых нам.

Для начала, познакомимся с ещё одним элементом — кальцием. Это тоже весьма распространённый элемент.
Обозначается он Ca и имеет валентность, равную двум.
Посмотрим, какие соединения он образует с известными нам углеродом, кислородом и водородом.

Вещество	Структурная формула	Рациональная формула
Оксид кальция	Ca=O	CaO
Гидроксид кальция	H-O-Ca-O-H	Ca(OH)2
Карбонат кальция	$slope(45)Ca`/OC\|O`\|/O`#1	CaCO3
Гидрокарбонат кальция	HO/`\|O\|O/CaO/`\|O\|OH	Ca(HCO3)2
Угольная кислота	H\|OC\|O`\|/O`\|H	H2CO3

При первом взгляде можно заметить, что рациональная формула является чем то средним между структурной и брутто-формулой.
Но пока что не очень понятно, как они получаются.
Чтобы понять смысл этих формул, нужно рассмотреть химические реакции, в которых участвуют вещества.

Кальций в чистом виде — это мягкий белый металл. В природе он не встречается.
Но его вполне возможно купить в магазине химреактивов. Он обычно хранится в специальных баночках без доступа воздуха.
Потому что на воздухе он вступает в реакцию с кислородом. Собственно, поэтому он и не встречается в природе.
Итак, реакция кальция с кислородом:

2Ca + O2 -> 2CaO

Цифра 2 перед формулой вещества означает, что в реакции участвуют 2 молекулы.
Из кальция и кислорода получается оксид кальция.
Это вещество тоже не встречается в природе потому что он вступает в реакцию с водой:

CaO + H2O -> Ca(OH2)

Получается гидроксид кальция. Если присмотреться к его структурной формуле (в предыдущей таблице), то видно,
что она образована одним атомом кальция и двумя гидроксильными группами, с которыми мы уже знакомы.
Таковы законы химии: если гидроксильная группа присоединяется к органическому веществу, получается спирт,
а если к металлу — то гидроксид.

Но и гидроксид кальция не встречается в природе из-за наличия в воздухе углекислого газа.
Думаю, что все слыхали про этот газ. Он образуется при дыхании людей и животных, сгорании угля и нефтепродуктов,
при пожарах и извержениях вулканов.
Поэтому он всегда присутствует в воздухе. Но ещё он довольно хорошо растворяется в воде, образуя угольную кислоту:

CO2 + H2O <=> H2CO3

Знак <=> говорит о том, что реакция может проходить в обе стороны при одинаковых условиях.

Таким образом, гидроксид кальция, растворённый в воде, вступает в реакцию с угольной кислотой
и превращается в малорастворимый карбонат кальция:

Ca(OH)2 + H2CO3 -> CaCO3″|v» + 2H2O

Стрелка вниз означает, что в результате реакции вещество выпадает в осадок.
При дальнейшем контакте карбоната кальция с углекислым газом в присутствии воды происходит обратимая
реакция образования кислой соли — гидрокарбоната кальция, который хорошо растворим в воде

CaCO3 + CO2 + H2O <=> Ca(HCO3)2

Этот процесс влияет на жесткость воды.
При повышении температуры гидрокарбонат обратно превращается в карбонат.
Поэтому в регионах с жесткой водой в чайниках образуется накипь.

Из карбоната кальция в значительной степени состоят мел, известняк, мрамор, туф и многие другие минералы.
Так же он входит в состав кораллов, раковин моллюсков, костей животных и т.д…
Но если карбонат кальция раскалить на очень сильном огне, то он превратится в оксид кальция и углекислый газ.

Этот небольшой рассказ о круговороте кальция в природе должен пояснить, для чего нужны рациональные формулы.
Так вот, рациональные формулы записываются так, чтобы были видны функциональные группы. В нашем случае это:

OH	Гидроксильная группа
CO3	Карбонат — соль угольной кислоты
HCO3	Гидрокарбонат — кислая соль угольной кислоты

Кроме того, отдельные элементы — Ca, H, O(в оксидах) — тоже являются самостоятельными группами.

Ионы

Думаю, что пора знакомиться с ионами. Это слово наверняка всем знакомо.
А после изучения функциональных групп, нам ничего не стоит разобраться, что же представляют собой эти ионы.

В общем, природа химических связей обычно заключается в том, что одни элементы отдают электроны, а другие их получают.
Электроны — это частицы с отрицательным зарядом. Элемент с полным набором электронов имеет нулевой заряд.
Если он отдал электрон, то его заряд становится положительным, а если принял — то отрицатеньным.
Например, водород имеет всего один электрон, который он достаточно легко отдаёт, превращаясь в положительный ион.
Для этого существует специальная запись в химических формулах:

H2O <=> H^+ + OH^-

Здесь мы видим, что в результате электролитической диссоциации вода распадается на положительно заряженный
ион водорода и отрицательно заряженную группу OH.
Ион OH^- называется гидроксид-ион.
Не следует его путать с гидроксильной группой, которая является не ионом, а частью какой-то молекулы.
Знак + или — в верхнем правом углу демонстрирует заряд иона.
А вот угольная кислота никогда не существует в виде самостоятельного вещества.
Фактически, она является смесью ионов водорода и карбонат-ионов (или гидрокарбонат-ионов):

H2CO3 = H^+ + HCO3^- <=> 2H^+ + CO3^2-

Карбонат-ион имеет заряд 2-. Это означает, что к нему присоединились два электрона.

Отрицательно заряженные ионы называются анионы. Обычно к ним относятся кислотные остатки.
Положительно заряженные ионы — катионы. Чаще всего это водород и металлы.

И вот здесь наверное можно полностью понять смысл рациональных формул. В них сначала записывается катион, а за ним — анион.
Даже если формула не содержит никаких зарядов.

Вы наверное уже догадываетесь, что ионы можно описывать не только рациональными формулами.
Вот скелетная формула гидрокарбонат-аниона:

O^-|O`|/OH

Здесь заряд указан непосредственно возле атома кислорода, который получил лишний электрон, и поэтому лишился одной чёрточки.
Проще говоря, каждый лишний электрон уменьшает количество химических связей, изображаемых в структурной формуле.
С другой стороны, если у какого-то узла структурной формулы стоит знак +, то у него появляется дополнительная палочка.
Как всегда, подобный факт нужно продемонстрировать на примере.
Но среди знакомых нам веществ не встречается ни одного катиона, который состоял бы из нескольких атомов.
А таким веществом является аммиак. Его водный раствор часто называется нашатырный спирт и входит в состав любой аптечки.
Аммиак является соединением водорода и азота и имеет рациональную формулу NH3.
Рассмотрим химическую реакцию, которая происходит при растворении аммиака в воде:

NH3 + H2O <=> NH4^+ + OH^-

То же самое, но с использованием структурных формул:

H|N<`/H>H + H-O-H <=> H|N^+<_(A75,w+)H><_(A15,d+)H>`/H + O`^-# -H

В правой части мы видим два иона.
Они образовались в результате того, что один атом водорода переместился из молекулы воды в молекулу аммиака.
Но этот атом переместился без своего электрона. Анион нам уже знаком — это гидроксид-ион.
А катион называется аммоний. Он проявляет свойства, схожие с металлами.
Например, он может объединиться с кислотным остатком.
Вещество, образованное соединением аммония с карбонат-анионом называется карбонат аммония:
(NH4)2CO3.
Вот уравнение реакции взаимодействия аммония с карбонат-анионом, записанное в виде структурных формул:

2H|N^+<`/H><_(A75,w+)H>_(A15,d+)H + O^-C|O`|/O^- <=>
H|N^+<`/H><_(A75,w+)H>_(A15,d+)H`|0O^-C|O`|/O^-|0H_(A-15,d-)N^+<_(A105,w+)H><H>`|H

Но в таком виде уравнение реакции дано в демонстрационных целях.
Обычно уравнения используют рациональные формулы:

2NH4^+ + CO3^2- <=> (NH4)2CO3

Система Хилла

Итак, можно считать, что мы уже изучили структурные и рациональные формулы.
Но есть ещё один вопрос, который стоит рассмотреть подробнее.
Чем же всё-таки отличаются брутто-формулы от рациональных?
Мы знаем почему рациональная формула угольной кислоты записывается H2CO3, а не как-то иначе.
(Сначала идут два катиона водорода, а за ними карбонат-анион).
Но почему брутто-формула записывается CH2O3 ?

В принципе, рациональная формула угольной кислоты вполне может считаться истинной формулой,
ведь в ней нет повторяющихся элементов. В отличие от NH4OH или
Ca(OH)2.
Но к брутто-формулам очень часто применяется дополнительное правило, определяющее порядок следования элементов.
Правило довольно простое: сначала ставится углерод, затем водород, а дальше остальные элементы в алфавитном порядке.
Вот и выходит CH2O3 — углерод, водород, кислород.
Это называется системой Хилла. Она используется практически во всех химических справочниках. И в этой статье тоже.

Вместо заключения мне хотелось бы рассказать о системе CharChem.
Она разработана для того, чтобы все те формулы, которые мы тут обсуждали,
можно было легко вставить в текст.
Собственно, все формулы в этой статье нарисованы при помощи CharChem.

Зачем вообще нужна какая-то система для вывода формул?
Всё дело в том, что стандартный способ отображения информации в интернет-браузерах — это язык гипертекстовой разметки (HTML).
Он ориентирован на обработку текстовой информации.

Рациональные и брутто-формулы вполне можно изобразить при помощи текста.
Даже некоторые упрощённые структурные формулы тоже могут быть записаны текстом,
например спирт CH3-CH2-OH.
Хотя для этого пришлось бы в HTML использовать такую запись:
CH<sub>3</sub>-CH<sub>2</sub>-OH.
Это конечно создаёт некоторые трудности, но с ними можно смириться. Но как изобразить структурную формулу?
В принципе, можно использовать моноширинный шрифт:

    H H
    | |
  H-C-C-O-H
    | |
    H H

Выглядит конечно не очень красиво, но тоже осуществимо.

Настоящая проблема возникает при попытке изобразить бензольные кольца и при использовании скелетных формул.
Здесь не остаётся иного пути, кроме подключения растрового изображения.
Растры хранятся в отдельных файлах. Браузеры могут подключать изображения в формате gif, png или jpeg.
Для создания таких файлов требуется графический редактор. Например, Фотошоп.
Но я более 10 лет знаком с Фотошопом и могу сказать точно, что он очень плохо подходит для изображения химических формул.
Гораздо лучше с этой задачей справляются
молекулярные редакторы.
Но при большом количестве формул, каждая из которых хранится в отдельном файле, довольно легко в них запутаться.
Например, число формул в этой статье равно .
Из них выведены виде графических изображений (остальные при помощи средств HTML).

Система CharChem позволяет хранить все формулы прямо в HTML-документе в текстовом виде. По-моему, это очень удобно.
Кроме того, брутто-формулы в этой статье вычисляются автоматически.
Потому что CharChem работает в два этапа: сначала текстовое описание преобразуется в информационную структуру (граф),
а затем с этой структурой можно выполнять различные действия.
Среди них можно отметить следующие функции: вычисление молекулярной массы, преобразование в брутто-формулу,
проверка на возможность вывода в виде текста, графическая и текстовая отрисовка.

Таким образом, для подготовки этой статьи я пользовался только текстовым редактором.
Причём, мне не пришлось думать, какая из формул будет графической, а какая — текстовой.

Вот несколько примеров, раскрывающих секрет подготовки текста статьи:

Текстовое описание CharChem	Выводимый результат	Сгенерированная брутто-формула
(NH4)2CO3	(NH4)2CO3
H-C-C-O-H; H\|#2\|H; H\|#3\|H	H-C-C-O-H; H\|#2\|H; H\|#3\|H
CH3\|\\|`//«\|\|/	CH3\|\\|`//«\|\|/

Описания из левого столбца автоматически превращаются в формулы во втором столбце.
В первой строчке описание рациональной формулы очень похоже на отображаемый результат.
Разница только в том, что числовые коэффициенты выводятся подстрочником.
Во второй строке развёрнутая формула задана в виде трёх отдельных цепочек, разделённых символом ;
Я думаю, нетрудно заметить, что текстовое описание во многом напоминает те действия,
которые потребовались бы для изображения формулы карандашом на бумаге.
В третьей строке демонстрируется использование наклонных линий при помощи символов и /.
Значок ` (обратный апостроф) означает, что линия проводится справа налево (или снизу вверх).

Здесь есть гораздо более подробная документация по использованию системы CharChem.

На этом разрешите закончить статью и пожелать удачи в изучении химии.

Краткий толковый словарь использованных в статье терминов

Углеводороды: Вещества, состоящие из углерода и водорода. Отличаются друг от друга структурой молекул.
Структурные формулы: схематические изображения молекул, где атомы обозначаются латинскими буквами, а химические связи — чёрточками.
Структурные формулы бывают развёрнутыми, упрощёнными и скелетными.
Развёрнутые структурные формулы: — такие структурные формулы, где каждый атом представлен в виде отдельного узла.
Упрощённые структурные формулы: — такие структурные формулы, где атомы водорода записаны рядом с тем элементом,
с которым они связаны. А если к одному атому крепится больше одного водорода, то количество записывается в виде числа.
Так же можно сказать, что в качестве узлов в упрощённых формулах выступают группы.
Скелетные формулы: — структурные формулы, где атомы углерода изображаются в виде пустых узлов.
Число атомов водорода, связанных с каждым атомом углерода равно 4 минус число связей, которые сходятся в узле.
Для узлов, образованных не углеродом, применяются правила упрощённых формул.
Брутто-формула: (она же истинная формула) — список всех химических элементов,
которые входят в состав молекулы, с указанием количества атомов в виде числа (если атом один, то единица не пишется)
Система Хилла: — правило, определяющее порядок следования атомов в брутто-формуле:
первым ставится углерод, затем водород, а далее остальные элементы в алфавитном порядке.
Это а система используется очень часто. И все брутто-формулы в этой статье записаны по системе Хилла.
Функциональные группы: Устойчивые сочетания атомов, которые сохраняются в процессе химических реакций.
Часто функциональные группы имеют собственные названия, влияют на химические свойства и научное название вещества

Источник

Одной из самых главных задач в химии является правильное составление химических формул. Химическая формула – это письменное представление состава химического вещества с помощью латинского обозначения элемента и индексов. Для правильного составления формулы нам обязательно понадобится таблица Менделеева и знание простых правил. Они достаточно простые и запомнить их смогут даже дети.

Как составлять химические формулы

Основным понятием при составлении химических формул является “валентность“. Валентность – это свойство одного элемента удерживать определенное число атомов в соединении. Валентность химического элемента можно посмотреть в таблице Менделеева, а также нужно помнить и уметь применять простые общие правила.

Валентность металла всегда равна номеру группы, при условии, что он находится в главной подгруппе. Например, калий имеет валентность 1, а кальций – 2.
С неметаллами немного сложнее. Неметалл может иметь высшую и низшую валентности. Высшая валентность равна номеру группы. Низшую валентность можно определить вычтя номер группы элемента из восьми. При соединении с металлами неметаллы всегда имеют низшую валентность. Кислород всегда имеет валентность 2.
В соединении двух неметаллов низшую валентность имеет тот химический элемент, который находится в таблице Менделеева правее и выше. Однако, фтор всегда имеет валентность 1.
И еще одно важное правило при расстановке коэффициентов! Общее число валентностей одного элемента всегда должно быть равно общему количеству валентностей другого элемента!

Закрепим полученные знания на примере соединения лития и азота. Металл литий имеет валентность, равную 1. Неметалл азот располагается в 5 группе и имеет высшую валентность 5 и низшую – 3. Как мы уже знаем, в соединениях с металлами неметаллы всегда имеют низшую валентность, поэтому азот в данном случае будет иметь валентность равную трем. Расставляем коэффициенты и получаем искомую формулу: Li₃N.

Вот так, достаточно просто, мы научились составлять химические формулы! А для лучшего запоминания алгоритма составления формул мы подготовили его графическое представление.

Составление химических формул: алгоритм

Алгоритм составления химических формул

Источник

Chemical compound formulas provide a shorthand communication for the structure of molecules and compounds. Reading and writing the chemical formula of compounds requires just a little understanding of the language of chemistry.

Definitions of Terms

Science depends on precision of language to communicate effectively. The following definitions will help you learn how to write the chemical formula for different compounds.

Atoms are the smallest particles of an element. Atoms cannot be broken down further and still retain the unique characteristics of the element. Atoms have three major sub-particles: Protons (positive particles) and neutrons (particles without any charge) form the nucleus or center of the atom, and electrons (which have negative charges) move around the nucleus. These tiny electrons play a critical role in forming compounds.

Elements contain only one kind of atom. Elements may be metals, nonmetals or semimetals.

Compounds form when atoms chemically combine. When metals combine (react) with nonmetals, ionic compounds usually form. When nonmetals combine, covalent compounds usually form.

Molecules are the smallest part of a compound that have the properties of the compound. Molecules have no charge, meaning the positives and negatives cancel each other out.

Ions form when an atom or group of atoms gains or loses one or more electrons, which results in negatively or positively charged particles. Positive ions form when electrons are lost or taken away. Negative ions form when electrons are added.

A chemical formula represents the chemical composition of a substance. Writing chemical equations requires understanding how chemical formulas work.

Identifying Element Symbols

Every element has its own symbol. The periodic table of elements shows the elements and their symbols, which are usually the first letter or first two letters of the element’s name. A few elements, however, have been known for so long that their symbols derive from their Latin or Greek names. For example, the symbol for lead, Pb, comes from the Latin word plumbum.

Writing Chemical Symbols

Chemical symbols with two letters always have the first letter capitalized and the second letter written in lower case. This standard format prevents confusion. For example, the symbol Bi represents bismuth, element 83. If you see BI, that represents a compound made of boron (B, element 5) and iodine (I, element 53).

Numbers in Chemical Formulas

The position of the numbers in chemical formulas provide specific information about the element or compound.

Number of atoms or molecules

The number preceding an element symbol or compound formula tells how many atoms or molecules. If no number appears before the symbol, there is only one atom or molecule. For example, consider the formula for the chemical reaction that forms carbon dioxide, C + 2O → CO₂. The number 2 preceding the oxygen symbol O shows that there are two oxygen atoms in the reaction. The lack of a number preceding the carbon symbol C and the compound formula CO₂ shows that there is one carbon atom and one carbon dioxide molecule.

Meaning of Subscript Numbers

Subscript numbers in chemical formulas represent the number of atoms or molecules immediately preceding the subscript. If no subscript follows the chemical symbol, only one of the element or compound occurs in the molecule. In the example of carbon dioxide, CO₂, the subscript 2 following the oxygen symbol O says that there are two oxygen atoms in the compound CO₂, and no subscript following the symbol C says only one carbon atom occurs in the molecule. More complex molecules like the nitrate ion NO₃ will be enclosed in parentheses if more than one occurs in the formula and the subscript will be placed outside the closing parenthesis. For example, the compound magnesium nitrate is written as Mg(NO₃)₂. In this example, the compound has one magnesium atom and two nitrate molecules.

Meaning of Superscript Numbers and Signs

Superscript numbers and signs represent the charges of ions. Ions can be individual atoms or polyatomic. Most polyatomic ions have negative charges. Negative charges happen when the number of electrons is greater than the number of protons. Positive charges occur when the number of protons exceed the number of electrons.

In the example of magnesium nitrate, the chemical reaction formula is:

Mg²⁺ + 2(NO₃)^— → Mg(NO₃)₂

The superscript 2+ (which can also be written as +2 or ++) shows that the magnesium ion has two extra positive charges while the superscript — shows that the nitrate ion NO₃ has one negative charge. Since the final molecule has to be neutral, the positives and negatives must cancel each other out to add to zero. So, one positive magnesium ion with its 2+ charge combines with two negative nitrate ions, with one negative charge each, to form the neutral magnesium nitrate molecule:

2 + 2(-1) = 2 — 2 = 0

Numbers and Chemical Prefixes

Many formulas use Latin and Greek prefixes to identify the number of atoms or ions in the compound. Common prefixes include mono (one or single), bi or di (two or double), tri (three), tetra (four), penta (five), hexa (six) and hepta (seven). For example, carbon monoxide has one carbon atom and one oxygen atom while carbon dioxide has one carbon atom and two oxygen atoms. The chemical formulas are CO and CO₂, respectively.

Additional Chemical Abbreviations

When naming chemicals, special terms and abbreviations are common. The cation or positive ion uses the element name, with a Roman numeral if the element has more than one possible charge. If only one element forms the anion or negative ion, the second term is the «root» element name with the ending -ide, like oxide (oxygen+ide) or chloride (chlorine+ide). If the anion is polyatomic, the name comes from the name of the polyatomic ion. These names must be memorized, but some common polyatomic ions include:

hydroxide (OH^—)
carbonate (CO₃^—)
phosphate (PO₄^3-)
nitrate (NO₃^—)
sulfate (SO₄^2-)

Chemical Formula Examples

Use the following examples to practice writing chemical formulas. Although the name usually shows the order of the atoms or compounds, how do you know which element comes first in a chemical formula? When writing formula, the positive atom or ion comes first followed by the name of the negative ion.

The chemical name for common table salt is sodium chloride. The periodic table shows that the symbol for sodium is Na and the symbol for chlorine is Cl. The chemical formula for sodium chloride is NaCl.

The chemical name for a dry-cleaning solvent is carbon tetrachloride. The symbol for carbon is C. Tetra means four and the symbol for chlorine is Cl. The chemical formula for carbon tetrachloride is CCl₄.

The chemical name for baking soda is sodium bicarbonate. The symbol for sodium is Na. The prefix bi- means two or double, and carbonate refers to the polyatomic ion CO₃. The chemical formula therefore is Na(CO₃)₂.

Try writing the formula for a compound named dinitrogen heptachloride. Di- means two or double, so there are two nitrogen atoms. Hepta- means seven, so there are seven chloride (chlorine) atoms. The formula then must be N₂Cl₇.

One of the few positively charged polyatomic ions is ammonium. The formula for the ammonium ion is NH₃⁺. The compound ammonium hydroxide has the formula NH₃OH. While it may seem logical to combine symbols so that the formula reads as NH₄O, this would not be correct. To correctly write the chemical formula for this molecule the two polyatomic ions, ammonium and hydroxide, are represented separately in the formula.

Transition Metal Formula

Transition metals can form different ions. The charge will be shown in the compound name as a roman numeral. For example, the compound CuF₂ will be written as copper (II) fluoride, determined because the fluoride ion charge is always 1-, so the balancing copper ion has to have a 2+ charge. Using this model, the formula for iron (III) chloride has to be FeCl₃ because iron (III) has a 3+ charge. Knowing that a single chlorine ion has one negative charge, the neutral molecule must have three negative chlorine ions to balance the iron (III) ion.

More traditional, less standardized names still linger in chemistry, however. For example, many fluoride rinses list stannous fluoride as an ingredient. Stannous refers to tin(II), so the chemical formula for stannous fluoride is SnF₂. Other commonly used nonstandard names include ferric [iron(III)], ferrous [iron(II)] and stannic [tin(IV)]. The suffix -ic refers to the form with a higher ionic charge while the suffix -ous refers to the form with the lower ionic charge.

Источник

Definitions of Terms

Science depends on precision of language to communicate effectively. The following definitions will help you learn how to write the chemical formula for different compounds.

Elements contain only one kind of atom. Elements may be metals, nonmetals or semimetals.

Compounds form when atoms chemically combine. When metals combine (react) with nonmetals, ionic compounds usually form. When nonmetals combine, covalent compounds usually form.

Molecules are the smallest part of a compound that have the properties of the compound. Molecules have no charge, meaning the positives and negatives cancel each other out.

A chemical formula represents the chemical composition of a substance. Writing chemical equations requires understanding how chemical formulas work.

Identifying Element Symbols

Writing Chemical Symbols

Numbers in Chemical Formulas

The position of the numbers in chemical formulas provide specific information about the element or compound.

Number of atoms or molecules

Meaning of Subscript Numbers

Meaning of Superscript Numbers and Signs

In the example of magnesium nitrate, the chemical reaction formula is:

Mg²⁺ + 2(NO₃)^— → Mg(NO₃)₂

2 + 2(-1) = 2 — 2 = 0

Numbers and Chemical Prefixes

Additional Chemical Abbreviations

hydroxide (OH^—)
carbonate (CO₃^—)
phosphate (PO₄^3-)
nitrate (NO₃^—)
sulfate (SO₄^2-)

Chemical Formula Examples

Transition Metal Formula

Источник

Содержание:

Составление химических формул по валентности:

Пользуясь знаками представленных химических элементов, запишите химические формулы воды, поваренной соли, углекислого газа, серной кислоты. На чём основывается запись химических формул веществ?

Химические формулы веществ можно вывести на основе различных химических опытов. Рассмотрим формулы водородных соединений некоторых элементов (таблица 1).

Из таблицы становится ясно, что атом хлора присоединяется с 1, атом кислорода — с 2, атом азота — с 3, а атом углерода — с 4 атомами водорода. Следовательно, химические элементы обладают разной способностью присоединять к себе атомы водорода. Для объяснения этого пользуются понятием «валентности». Свойство атомов химических элементов присоединять к себе определенное число атомов других химических элементов называют валентностью. Понятие валентности впервые было введено в 1852 году английским ученым Э.Франклендом.

Английский химик. В 1852 г. им было введено в науку понятие о соединительной силе атомов друг к другу. Данное свойство атомов впоследствии было названо валентностью.

Кислород в угарном газе в ионе гидроксония является I I I — валентным. А углерод бывает I I I — валентным только в угарном газе

Валентность выражают римскими цифрами. Валентность водорода принята за единицу, и поэтому валентности других элементов берутся в сопоставлении с ним.

Валентность некоторых химических элементов остается неизменной во всех их химических соединениях, т.е. всегда обозначается одной и той же цифрой. Это элементы с постоянной валентностью (таблица 2).

Однако другая группа элементов в различных химических соединениях имеет различную валентность. Их называют элементами с переменной валентностью (таблица 3).

Зная валентность химических элементов, можно легко составить формулу бинарного (двухэлементного) соединения, образованного ими. Для этого следует записать химические знаки элементов, проставив над ними их валентность. Далее, определив наименьшее общее кратное чисел, выражающих валентность этих элементов, его делят на валентность каждого из них и находят их индексы. Например:

1) Определим валентность атома алюминия по кислороду в химическом соединении (оксид алюминия).

2) Составим химическую формулу соединения VII-валентного элемента марганца с кислородом:

3) Если при составлении формулы по валентности полученные индексы сократить до минимальных целых чисел, в таком случае можно, проведя эту операцию, получить простую формулу вещества (поделив VI и II на самый большой делитель — 2, можно получить формулу).

Химическая формула

Заполните таблицу. Как произносится химическая формула вещества?

Все вещества имеют химическую формулу. Условное обозначение состава вещества при помощи химических знаков и индексов называют химической формулой. Химическая формула вещества выражает его количественный и качественный состав. Качественный состав вещества показывает, из атомов каких элементов оно состоит, а его количественный состав — число атомов элемента, содержащихся в его составе, т.е. в одной молекуле. Число, расположенное справа внизу у знака элемента и показывающее количество атомов, называется индексом (схема 1).

Число, стоящее перед химическими формулами и химическими знаками, называется коэффициентом.

На основе представленных в таблице 1 моделей молекул и химических формул водорода, кислорода, воды и углекислого газа можно определить число атомов в их составе (таблица 2).

Пользуясь краткими названиями химических элементов, можно прочитать формулы:

Выясним, какие сведения о веществе можно получить по его химической формуле (таблица 3).

Состав веществ определяют разными физико-химическими способами, методом анализа результатов химических опытов. Так, например, в результате разложения воды под воздействием постоянного электрического тока наблюдается превышение в два разаТ.е. при распаде 9 г воды будут получены 1 г водорода и 8 г кислорода. При сопоставлении данных чисел с относительными атомными массами элементов можно прийти к выводу, что молекула воды состоит из двух атомов водорода и одного атома кислорода. Состав воды и других химических соединений, независимо от способа их получения и места нахождения, всегда остается постоянным. Основываясь на этом, в 1799 году французским химиком Ж.Л.Прустом был открыт «Закон постоянства состава веществ». В настоящее время закон постоянства состава веществ выражается следующим образом: Независимо от способа получения, состав и свойства химических соединений молекулярного строения всегда постоянны.

Французский химик. В период с 1799 по 1806 гг. исследовал составы различных оксидов, сульфидов и других веществ. В итоге им был открыт закон постоянства состава химических соединений.

Данный закон о постоянстве и неизменности состава и свойств веществ с молекулярным строением является одним из основных законов химии. Для большинства химических соединений немолекулярного строения закон постоянства состава не подходит.

Как известно, не все вещества имеют молекулярное строение. Целая группа веществ имеет немолекулярное строение. Как же составляются химические формулы этих веществ? Химические формулы веществ с немолекулярным строением составляются на основе количественного соотношения частиц элементов (атомов или ионов) в соединениях. Для определения этого соотношения выясняется, сколько частиц другого элемента окружает (соединяется) частицу элемента в кристалле вещества немолекулярного строения. Исследования физическими методами строения кристаллов вещества позволяют получить такие сведения. В результате таких исследований стало известно, что в кварце количественное соотношение между атомами кремния (Si) и кислорода (О) составляет 1:2. Значит, его формулу можно представить в виде: В хлориде алюминия же соотношение между ионами алюминия и хлора Следовательно, его формула —

Начальные химические понятия и законы

Для овладения всесторонними знаниями о величинах атомов, а также их относительных и абсолютных массах требуется усвоить следующие важнейшие понятия.

Атом — это мельчайшая химически неделимая частица вещества.

Слово «атом» в переводе с древнегреческого языка означает ~ «неделимый».

В настоящее время доказано, что атом состоит из ряда более мелких частиц.

Химический элемент — это вид определенных атомов. Например, атомы кислорода означают элемент кислород (табл. 1).

Каждый химический элемент обозначается символом — первой буквой своего латинского названия или при необходимости первой и следующей за ней буквами. Например, Н (аш) — химический символ водорода, от латинского слова Hydrogenium («образующий воду»).

Будучи мельчайшими частицами, атомы обладают определенной массой. Так, абсолютная масса атома водорода составляет 0,00000000000000000000001674 г или 1,674• г. Абсолютная масса атома углерода — 19,993• г.

Относительная масса атома — это число, указывающее, во сколько раз масса атома химического элемента больше массы атома — изотопа массы атома — изотопа равна 1,66057• — 1 а.е.м.

Относительная масса атома обозначается буквой Аг, где г — относительность (relative).

Количество вещества — величина, численно равная относительной атомной массе элемента, — выражается в г-молях (или молях).

В 1 моле любого вещества содержится 6,02• частиц (атомов, молекул, ионов). Число 6,02• называется постоянной Авогадро.

Таблица 1

Показатели некоторых химических элементов

Химический элемент	Символ	Абсолютная масса атома, г	Абсолютная масса атома,	Число атомов в 1 моле
Водород	Н	1,674•	1,008	6,02•
Кислород	О	26,567•	15,999	6,02•
Углерод	С	19,993•	12,011	6,02•

Пример №1

Абсолютная масса атома кислорода равна 2,667• г. Определите его относительную атомную массу.

Решение. Единица массы 1 атома равна 1,66057• г.

Ответ: =16.

Пример №2

Какой будет масса (г) 0,301 • атомов кислорода?

Решение. 6,02 • атомов кислорода составляют 1 моль и равны 16 г.

Тогда, если 6,02 • атомов кислорода —16 г, то 0,301• атомов кислорода — х.

Ответ: 0,8 г.

Определение химической формулы

Химическая формула — это выражение состава молекулы вещества посредством химических символов и (при необходимости) индексов.
По химической формуле можно определить качественный и количественный состав вещества.

Например: — серная кислота. Химическая формула показывает, что это — одна молекула серной кислоты, в которой содержатся 2 атома водорода, 1 атом серы и 4 атома кислорода, или 1 моль вещества.

Точно так же можно найти абсолютную и относительную массы молекулы. Для нахождения абсолютной массы производится сложение абсолютных масс 2 атомов водорода, 1 атома серы и 4 атомов кислорода. Выполнение действий с такими малыми числами вызывает трудности, поэтому рассчитывают относительную массу молекулы () и количество молей вещества:

1 моль — значение, выраженное в граммах и численно равное относительной молекулярной массе вещества.

1 моль — количество вещества, содержащего столько структурных единиц (молекул, атомов, ионов, электронов), сколько атомов в 12 г изотопа углерода ().

В 12 г углерода содержится 6,02• атомов.

Количество вещества обозначается буквой n и его значение выражается в молях.

Молярная масса вещества обозначается буквой М и выражается в г/молях (табл. 2).
Таблица 2

Показатели некоторых химических веществ

Вещество	Химическая формула	Молярная масса, г/моль	Количество вещества, моль	Число молекул
Вода		18	1	6,02•
Углекислый газ		44	1	6,02•
Серная кислота		98	1	6,02•

Валентность

1. Нахождение валентности элементов, входящих в состав вещества, по данным химическим формулам.

Свойство атомов элемента присоединять определенное число атомов другого элемента называется валентностью.

В качестве единицы измерения валентности принята валентность водорода.

Валентность атома водорода равна единице. Атом кислорода всегда двухвалентен.

Неизвестная валентность элемента определяется по водородным или кислородным соединениям, а также соединениям с каким-нибудь другим элементом, валентность которого известна.

Пример №3

Перепишите в тетрадь формулы следующих соединений и определите их валентность:

Решение.

1) — валентность кислорода равна двум. Число атомов кислорода — пять, валентность каждого — два, общая валентность атомов кислорода (2•5=10) равна 10. Общая валентность мышьяка также должна быть равна десяти. Число атомов мышьяка в соединении — два: 10: 2 = 5. Следовательно, каждому атому мышьяка соответствуют 5 единиц. Валентность мышьяка в соединении — 5;

2) — 21•2, 2:2=1. Медь одновалентна;

3) — 2•3 = 6, 6:1=6. Теллур шестивалентен;

4) — 1•2 = 2, 2:1 = 2. Селен двухвалентен;

5) — 2 • 7 = 14, 14 : 2 = 7. Хлор семивалентен;

6) КН — 1•1 = 1, 1 : 1 =1. Калий одновалентен.

2. Составление формулы вещества, состоящего из двух элементов, валентности которых известны.

Пример №4

Составьте формулу оксида фосфора (V), зная, что фосфор пятивалентен, кислород двухвалентен.

Решение:

1) запишем символы фосфора и кислорода — РО;

2) запишем валентности элементов римскими цифрами над их символами — ;

3) определим самое малое общее делимое чисел, выражающих валентности, то есть пяти и двух. Оно равно десяти;

4) чтобы найти число атомов элементов в формуле, разделим общее делимое на валентности элементов: фосфор — 10 : 5 = 2; кислород — 10:2 = 5. Следовательно, в соединении фосфор представлен двумя, а кислород — пятью атомами.

5) запишем найденные числа атомов в индексе химических символов — .

Пример №5

Определите валентность углерода в оксиде углерода (IV). Решение. Валентность кислорода в соединении равна двум, углерода — m. Если известны формула соединения и валентность (n) одного из элементов, валентность (m) второго можно определить по формуле

Например, валентность углерода в , равна ; валентность кислорода —n = 2, число атомов кислорода — у = 2, число атомов углерода — х = 1.

Количество вещества

Определение количества вещества, если известна его масса, или нахождение его массы, если известно количество вещества.

Пример №6

Вычислите количество вещества в 49 г серной кислоты.

Решение.

1) = 98 г/моль;

2) вычислим количество вещества n по формуле

Ответ: 0,5 моля.

Пример №7

Сколько граммов составляют 5 молей оксида меди(||)?

Решение.

1) М (СuО) = 64+ 16- 80 г/моль;

2) найдем массу вещества по формуле

Ответ: 5 молей СuО равны 400 г.

Закон Авогадро

В равных объемах различных газов при одинаковых условиях содержится одинаковое число молекул (закон Авогадро). 1 моль вещества в газообразном или парообразном состоянии при н.у. занимает объем 22,4 л, который называется молярным объемом (табл. 3).
Таблица 3

Молярные объемы некоторых газообразных веществ

Вещество		Молярная масса, г/моль	Молярный объем, л	Число молекул
	2	2	22,4	6,02•
	44	44	22,4	6,02•
	71	71	22,4	6,02•

Плотность газа определятся по формуле , а относительная плотность газа — по формуле .

1. Определение объема газов.

Пример №8

Какой объем (л, ну) займут 22 г углекислого газа?

Решение:

1) — 44 г/моль;

2) вычислим объем 22 г с помощью пропорции: 44 г занимают объем 22,4 л, 22 г — займут х л объема,

Ответ: 22 г занимают объем 11,2 л.

Определив количество вещества в 22 г углекислого газа, зная, что 1 моль любого газа занимает объем 22,4 л (н.у.), найдем

моля.

Если 1 моль газа занимает объем 22,4 л, то 0,5 моля — 11,2 л.

Пример №9

Каким будет объем 90 г воды, переведенной в газообразное (пар) состояние при 20°С ?

Решение. Жидкие и твердые вещества при переходе в газообразное состояние подчиняются тем же законам, что и газы. Поэтому:

1) М() = 18 г/моль;

2) рассчитаем объем 90 г воды в газообразном состоянии с помощью пропорции:

18 г (пар) занимают объем 22,4 л,

90г (пар) — х л объема,

Ответ: объем 90 г водяного пара — 112 л.

Пример №10

Определите массу 7,84 м3 смеси, содержащей 71,45% метана и 28,55% оксида углерода (II).

Решение:

1) сколько метана и оксида углерода (II) содержится в 7,84 м3 смеси?

3)найдем массу 5,6 м3 СН4 с помощью пропорции: 22,4 м3 СН4 — 16 кг,

4) найдем массу 2,24 м3 СО с помощью пропорции: 22,4 м3 СО — 28 кг,

5) общая масса смеси газов: 4 кг + 2,8 кг = 6,8 кг.

Ответ: общая масса смеси газов — 6,8 кг.

Пример №11

Рассчитайте количество вещества и число молекул в 1 л воды при 20°С .

Решение:

1) найдем массу 1 л воды. Плотность воды — 1 г/см3. Отсюда т{) = 1000 см3 • 1 г/см3 = 1000 г;

2) вычислим количество вещества в 1000 г воды:

моль.

3) определим число молекул в 1 л (в 1000 г, или 55,56 моля) воды с помощью пропорции: в 1 моле воды — 6,02• молекул, в 55,56 молях воды — х молекул,

Ответ: в 1 л воды содержится 55,56 моля, 334,4 • или 3,344 • молекул.

Пример №12

Какой объем (л,н.у.) займут 16 г оксида серы (IV)?

Решение:

1) найдем количество вещества в 16 г :

2) вычислим, какой объем займут 16 г (или 0,25 моля) с помощью пропорции:

Ответ: 16 г займут 5,6 л объема.

Вычисление плотности газов

Плотность газов определяется путем деления их молярной массы на молярный объем:

Пример №13

Рассчитайте плотность углекислого газа.

Решение:

Ответ: плотность углекислого газа — 1,96 г/л.

Пример 2. Рассчитайте молярную массу газа с плотностью р = 2,86 г/л.

Решение.

Из формулы

Ответ: молярная масса газа с плотностью 2,86 г/л —64 г.

Вычисление относительной плотности газов

Пример №14

Вычислите плотность метана относительно водорода.

Решение:

1) рассчитаем молекулярные массы метана и водорода:

2) определим плотность метана относительно водорода:

Ответ: плотность метана относительно водорода равна 8, или метан тяжелее водорода в 8 раз.

Пример №15

Определите относительную плотность газовой смеси, содержащей 40% угарного газа и 60 % углекислого газа.

Решение:

1) найдем среднюю молекулярную массу газовой смеси.

2) вычислим плотность газовой смеси относительно водорода:

Ответ: плотность газовой смеси относительно водорода равна 18,8. Пример 3. В процессе производства азотного удобрения на Ферганском производственном объединении «Азот» в качестве промежуточного вещества образуется оксид азота (IV). Найдите плотность оксида азота (IV) относительно воздуха.

Решение:

1) молекулярная масса оксида азота (IV)

M() = 46 г/моль.

Средняя молекулярная масса воздуха — 29 г/моль;

2) вычислим плотность оксида азота (IV) относительно воздуха:

Ответ: плотность оксида азота (IV) относительно воздуха равна 1,59.

Пример №16

Плотность пара белого фосфора относительно гелия равна 31. Рассчитайте молекулярную массу белого фосфора.

Решение.

Из формулы

следует, что М(белый фосфор) = • М (Не) = 31•4 = 124 г/моль.

Ответ: молекулярная масса белого фосфора равна 124.

Закон эквивалентности

Химические элементы присоединяются друг к другу или замещаются в весовых количествах, пропорциональных своим эквивалентам (закон эквивалентности).

Эквивалентностью элемента называется количество этого элемента, присоединяющего или замещающего 1 моль или 1 г атомов водорода.

Отношение относительной атомной массы элемента к его валентноcти есть эквивалентность этого элемента:

Эквивалентность оксида выражается формулой: где — молекулярная масса оксида; V — валентность элемента, образующего оксид; n — число атомов элемента, образующего данный оксид.

Эквивалентность оснований выражается формулой:
где — молекулярная масса основания; n(ОН) — число гидроксильных групп в основании.

Эквивалентность кислот выражается формулой: где — молекулярная масса кислоты;

n(H) — число атомов водорода, замещаемых металлом, содержащимся в кислоте.

Эквивалентность солей выражается формулой: где — молекулярная масса соли; V — валентность металла, образующего соль; n — число атомов металла, образующего соль.

Пример №17

Определите эквивалентность железа в двух- и трехвалентных соединениях.

Решение:

1) найдем эквивалентность железа в двухвалентных соединениях:

2) найдем эквивалентность железа в трехвалентных соединениях:

Ответ: эквивалентность железа в двухвалентных соединениях равна 28, в трехвалентных соединениях — 18,67 г/моль.

Пример №18

47,26 г меди, соединяясь с 52,74 г хлора, образуют соль хлорид меди (II). Рассчитайте эквивалентность меди, зная, что эквивалентность хлора равна 35,45 г/моль.

Решение:

1) уточним условия задачи:

2) определим эквивалентность меди, пользуясь формулой

Ответ: эквивалентность меди равна 31,8 г/моль.

Энергетические явления в химических реакциях

Во всех химических реакциях происходит выделение или поглощение энергии.

Реакции, сопровождающиеся выделением теплоты, называются экзотермическими.

Реакции, сопровождающиеся поглощением теплоты, называются эндотермическими.

Количество теплоты, которое выделяется или поглощается при образовании из простых веществ 1 моля сложного вещества, называется теплотой образования вещества. Теплота разложения любого сложного вещества на простые вещества равна его теплоте образования и выражается противоположным знаком (закон Лавуазье и Лапласа).

Например: Тепловой эффект реакций обусловлен природой исходных веществ и образовавшихся продуктов и не имеет отношения к промежуточным этапам реакции (закон Гесса).

Пример №19

Для приготовления пищи в школьной столовой израсходовано 100 л метана (метан — основной компонент природного газа). Сколько тепла выделилось при сгорании 100 л метана? Тепловой эффект реакции горения метана равен + 880 кДж/моль.

Решение.

При полном сгорании 1 моля метана (22,4 л) выделяется 880 кДж тепла. Сколько тепла выделится при сгорании 100 л метана?

Ответ: при сгорании 100 л метана выделяется 3928 кДж.

Пример №20

Рассчитайте тепловой эффект реакции горения аммиака. Известно, что теплота испарения воды 241,88 кДж/моль, теплота образования — 46,2 кДж/моль.

Решение.

Запишем реакцию горения аммиака:

Найдем тепловой эффект реакции горения аммиака на основе закона Гесса. Для этого из суммы теплоты образования продуктов реакции вычтем сумму теплоты образования веществ, взятых в реакцию (примем, что теплота образования простых веществ равна нулю).

Ответ: 633,24 кДж.

Относительная атомная и относительная молекулярная масса
Молярная масса в химии
Физические и химические явления
Растворы в химии
Вещества и их свойства в химии
Чистые вещества и смеси в химии
Состав и строение веществ в химии
Простые и сложные вещества в химии

Источник

Химическое уравнение — это условная запись химического превращения с помощью химических формул и математических знаков

При составлении химических уравнений используют математические знаки «+», «−», «=», а также числа — они выступают в качестве коэффициентов и индексов.

Коэффициенты показывают число частиц (атомов или молекул), а индексы — число атомов, которые входят в состав молекулы.

Химическую реакцию можно изобразить в виде схемы:

На схеме протекание реакции представлено нагляднее, но сложные химические процессы изобразить таким способом сложно. Поэтому их записывают в виде химического уравнения.

Вещества, которые вступают в реакцию, называют исходными веществами, или реагентами. Вещества, которые образуются в результате, называют продуктами реакции.

Давайте разберем этот пример химического уравнения. Здесь видно, что из двух молекул водорода и одной молекулы кислорода образуются две молекулы воды. Реагенты в данном случае — водород и кислород, продукт реакции — вода.

Новые вещества образуются вследствие перегруппировки исходных атомов. В результате химической реакции атомы химических элементов никуда не исчезают и не возникают новые, их число остается неизменным — это следует из закона сохранения массы веществ.

Закон сохранения массы веществ

Масса веществ, вступивших в реакцию, равна массе веществ, образовавшихся в ходе этой реакции.

Закон сохранения массы веществ лежит в основе химии и используется при составлении уравнений химических реакций.

Алгоритм составления уравнения химической реакции

Рассмотрим, как составлять уравнения химических реакций, на примере взаимодействия магния и кислорода с образованием оксида магния.

Записываем химические формулы исходных веществ в левой части уравнения. Напоминаем: молекулы H₂, N₂, O₂, F₂, Cl₂, Br₂, I₂ двухатомны. Между исходными веществами ставим «+», а затем знак «=».
После знака равенства записываем химическую формулу продукта. Химическую формулу необходимо составить с учетом валентностей химических элементов.
Согласно закону сохранения массы веществ, число атомов каждого химического элемента до и после реакции должно быть одинаковым. Давайте посмотрим, как расставлять коэффициенты в химических уравнениях, чтобы закон выполнялся.

Из составленной химической реакции видно, что количество атомов магния слева и справа от знака равенства одинаково, но атомов кислорода слева два, а справа один.

Чтобы уравнять число атомов в химическом уравнении, находим наименьшее общее кратное (НОК), в нашем случае — 2. А затем делим НОК на количество атомов кислорода в реагентах и полученное число записываем в виде коэффициента.

Это важно

Коэффициент 1 в уравнении химической реакции не указывается, но при подсчете суммы коэффициентов в уравнении его необходимо учитывать.
Проверим количество атомов магния до и после знака «=». Если перед химической формулой уже стоит коэффициент, то для подсчета количества атомов необходимо умножить коэффициент на индекс, который относится к этому химическому элементу.
Чтобы уравнять количество атомов магния в химической реакции, посчитаем НОК и разделим его на количество атомов с каждой стороны от знака «=». Результат деления и будет являться коэффициентом (повторяем расстановку коэффициентов в химическом уравнении из 3-го пункта).
Получаем уравнение химической реакции, в котором в исходных веществах и продуктах реакции по 2 атома магния и кислорода.

Сумма коэффициентов в этом химическом уравнении равна 5 (2 + 1 + 2 = 5).

Коэффициенты, которые стоят в химическом уравнении перед веществами, указывают на мольное соотношение исходных веществ и продуктов реакции, по которому и производятся расчеты.

Получай лайфхаки, статьи, видео и чек-листы по обучению на почту

Твоя пятёрка по английскому.

С подробными решениями домашки от Skysmart

Типы химических реакций

Химические реакции можно классифицировать по различным признакам:

По числу и составу исходных веществ и продуктов реакции.
По изменению степени окисления.
По тепловому эффекту.
По агрегатному состоянию.
По наличию или отсутствию катализатора.
По обратимости.

По числу и составу исходных веществ и продуктов реакции

По этому признаку выделяют 4 типа реакций: реакции соединения, реакции разложения, реакции замещения и реакции обмена.

Реакции соединения — это реакции, в результате которых из нескольких более простых веществ образуется одно более сложное.

Например, простые вещества барий и кислород взаимодействуют с образованием сложного вещества оксида бария:

2Ba + O₂ = 2BaO.

Также к реакциям соединения относится взаимодействие оксида натрия с водой с образованием более сложного вещества гидроксида натрия. Оно более сложное, так как состоит уже из трех атомов химических элементов, в отличие от веществ-реагентов, которые состоят из двух атомов:

Na₂O + H₂O = 2NaOH.

Реакции разложения — это реакции, в результате которых из одного более сложного вещества образуется несколько более простых веществ. Является процессом, обратным реакции соединения.

Пример такой реакции — разложение нитрата серебра на несколько более простых веществ: серебро, оксид азота (IV) и кислород.

2AgNO₃ = 2Ag + 2NO₂↑ + O₂↑.

Что это за стрелочка? 🤔

Стрелка вверх означает, что получившееся вещество является газом, который покидает место проведения реакции и больше не участвует в ней.

Реакции замещения — это такие реакции, в результате которых атомы простого вещества замещают атомы одного химического элемента в сложном веществе. Также возможно замещение функциональных групп в сложном веществе.

Например, замещение атомов водорода в молекуле соляной кислоты на атомы цинка:

Zn + 2HCl = ZnCl₂ + H₂↑.

Реакции обмена — это реакции между двумя сложными веществами, в результате которых вещества обмениваются своими составными частями.

Например, NaOH + H₂SO₄ = Na₂SO₄ + H₂O.

Реакции нейтрализации

Реакция щелочи с кислотой называется реакцией нейтрализации и является частным случаем реакции обмена.

Для наглядности показали все типы химических реакций по этому признаку на схеме:

По изменению степени окисления

По этому признаку выделяют два вида реакций:

реакции, протекающие без изменения степени окисления;
окислительно-восстановительные реакции (ОВР) — реакции, протекающие с изменением степени окисления нескольких элементов.

В ОВР всегда участвуют вещество-окислитель и вещество-восстановитель. Другие исходные вещества, принимающие участие в реакции, выступают в качестве среды, в которой протекает эта реакция.

Окислитель — вещество, в состав которого входит ион или атом, который в процессе реакции принимает электроны, тем самым понижая свою степень окисления.

Восстановитель — вещество, в состав которого входит ион или атом, который в процессе реакции отдает электроны, тем самым повышая свою степень окисления.

Из определений можно сделать вывод, что в ходе реакции протекает два процесса: принятие электронов (восстановление) и отдача электронов (окисление). Протекают они одновременно.

По тепловому эффекту

По тепловому эффекту реакции делятся на эндотермические и экзотермические.

Эндотермические реакции протекают с поглощением теплоты (−Q). Буквой Q обозначается количество теплоты.

К таким реакциям относятся практически все реакции разложения. Пример:

CaCO₃ = CaO + CO₂ − Q.

Экзотермические реакции протекают с выделением теплоты (+Q).

К таким реакциям относятся практически все реакции соединения. Пример:

2H₂ + O₂ = 2H₂O + Q.

По агрегатному состоянию исходных веществ

По этому признаку все реакции разделяют на гомогенные и гетерогенные.

Гомогенные реакции протекают в одной фазе.

К гомогенным реакциям относятся те, исходные вещества которых находятся либо в жидком агрегатном состоянии, либо в газообразном. Например, взаимодействие двух газообразных веществ — водорода и хлора:

H₂(г) + Cl₂(г) = 2HCl.

Агрегатное состояние указывается в правом нижнем углу: «г» — газообразное, «ж» — жидкое, «тв» — твердое.

Гетерогенные реакции протекают на границе раздела фаз.

Как правило, такие реакции протекают между веществами, которые находятся в разных агрегатных состояниях:

2Na(тв) + 2H₂O(ж) = 2NaOH + H₂.

Также к гетерогенным относятся реакции между двумя несмешивающимися жидкостями. Собрали несколько примеров гетерогенных реакций:

По наличию или отсутствию катализатора

По этому признаку выделяют реакции каталитические и некаталитические.

Каталитические реакции — реакции, протекающие с участием катализатора

Катализатор — вещество, которое ускоряет реакцию, участвует в ней, но остается неизменным после окончания этой реакции.

Наличие катализатора указывается над знаком равенства как kat или формула конкретного вещества, выступающего в роли катализатора.

Например:

Некаталитические реакции — реакции, протекающие без участия катализатора.

По обратимости

Различают обратимые и необратимые реакции.

Обратимые реакции — реакции, протекающие в двух противоположных направлениях.

При составлении уравнений обратимых реакций вместо знака равенства используют знак «⇄».

К обратимым реакциям относят реакции ионного обмена, диссоциации электролитов и многие другие:

H₂ + I₂ ⇄ 2HI.

Необратимые реакции — реакции, которые протекают только в одном направлении.

Чтобы научиться составлять уравнения химических реакций, нужно только одно — практика. Много практики школьники получают на онлайн-курсах по химии в Skysmart. Интересные задания на интерактивной платформе, примеры из жизни и опытные преподаватели обязательно приведут к желаемому результату — и просто помогут полюбить химию.

Источник

Что такое химическая формула?

В любой науке есть своя система обозначений. Химия в этом плане не исключение. Вам уже известно, что для обозначения химических элементов используются символы, образованные от латинских названий элементов. Химические элементы способны образовывать как простые, так и сложные вещества, состав которых можно выразить химической формулой.

Чтобы написать химическую формулу простого вещества необходимо записать символ химического элемента, который образует простое вещество, и справа внизу записать цифру, показывающую количество его атомов. Данная цифра называется индексом.

Например, химическая формула кислорода – О2. Цифра 2 после символа кислорода – это индекс, указывающий, что молекула кислорода состоит из двух атомов элемента кислорода.

Индекс – число, показывающее в химической формуле количество атомов определенного типа Чтобы написать химическую формулу сложного вещества, необходимо знать, из атомов каких элементов оно состоит (качественный состав), и число атомов каждого элемента (количественный состав).

Например, химическая формула пищевой соды – NaHCO3. В состав этого вещества входят атомы натрия, водорода, углерода, кислорода – это его качественный состав. Атомов натрия, водорода, углерода по одному, а атомов кислорода – три. Это количественный состав соды

Качественный состав вещества показывает, атомы каких элементов входят в его состав
Количественный состав вещества показывает количество атомов, которые входят в его состав

Химическая формула – условная запись состава вещества при помощи химических символов и индексов

Обратите внимание на то, что если в химической формуле присутствует только один атом одного вида, индекс 1 не ставится. Например, формулу углекислого газа записывают так – CO2, а не С1О2.

Как правильно понимать химические формулы?

При записи химических формул нередко встречаются цифры, которые записывают перед химической формулой.

Например, 2Na, или 5О2. Что обозначают эти цифры и для чего они нужны? Цифры, записанные перед химической формулой, называют коэффициентами.

Коэффициенты показывают общее количество частиц вещества: атомов, молекул, ионов.

Коэффициент – число, которое показывает общее количество частиц.

Коэффициент записывается перед химической формулой вещества молекул кислорода. Обратите внимание, что молекулы не могут состоять из одного атома, минимальное количество атомов в молекуле – два.

Таким образом, записи: 2Н, 4P обозначают два атома водорода и четыре атома фосфора соответственно.
Запись 2Н2 обозначает две молекулы водорода, содержащие по два атома элемента водорода.
Запись 4S8 – обозначает четыре молекулы серы, каждая из которых содержит восемь атомов элемента серы.
Подобная система обозначений количества частиц используется и для ионов. Запись 5K+ обозначает пять ионов калия.

Стоит отметить, что ионы могут быть образованы не только атомом одного элемента.

Ионы, образованные атомами одного химического элемента, называют простыми: Li+, N3−.
Ионы, образованные несколькими химическими элементами, называют сложными: OH⎺, SO4 2−. Обратите внимание, что заряд иона обозначают верхним индексом.

А что будет обозначать запись 2NaCl?

Если на этот вопрос ответить – две молекулы поваренной соли, то ответ не правильный. Поваренная соль, или хлорид натрия, имеет ионную кристаллическую решетку, то есть это ионное соединение и состоит из ионов Na+ и Сl⎺. Пару этих ионов называют формульной единицей вещества. Таким образом, запись 2NaCl обозначает две формульных единицы хлорида натрия. Термин формульная единица используют так же и для веществ атомного строения.

Формульная единица – наименьшая частица вещества немолекулярного строения Ионные соединения так же электронейтральны, как и молекулярные. Значит, положительный заряд катионов полностью уравновешен отрицательным зарядом анионов. Например, какова формульная единица вещества, состоящего из ионов Ag+ и PO4 3−? Очевидно, что для компенсации отрицательного заряда иона (заряд –3), необходимо иметь заряд +3. С учетом того, что катион серебра имеет заряд +1, то таких катионов понадобиться три. Значит формульная единица (формула) данного вещества – Ag3PO4.

Таким образом, при помощи символов химических элементов, индексов и коэффициентов, можно четко составить химическую формулу вещества, которая даст информацию, как о качественном, так и о количественном составе вещества.

В завершение рассмотрим, как правильно произносить химические формулы. Например, запись 3Ca2+ произносится: «три иона кальций два плюс» или «три иона кальция с зарядом два плюс». Запись 4НСl, произносится «четыре молекулы аш хлор». Запись 2NaCl, произносится как «две формульных единицы хлорида натрия».

Закон постоянства состава вещества

Одно и то же химическое соединение можно получить различными способами. Так, например, углекислый газ, CO2, образуется при сжигании топлива: угля, природного газа. Во фруктах содержится много глюкозы. При длительном хранении фрукты начинают портиться, начинается процесс, называемый брожением глюкозы, в результате которого выделяется углекислый газ.

Углекислый газ образуется и при нагревании таких горных пород, как мел, мрамор, известняк. Химические реакции совершенно разные, но вещество, образовавшееся в результате их протекания, имеет одинаковый качественный и количественный состав – CO2.

Эта закономерность касается, в основном, веществ молекулярного строения. В случае веществ немолекулярного строения, возможны случаи, когда состав вещества зависит от методов его получения.

Закон постоянства состава веществ молекулярного строения: состав сложного вещества всегда одинаков и не зависит от способа его получения

Итог статьи по теме Химические формулы веществ:

Индекс – число, показывающее в химической формуле количество атомов определенного типа
Качественный состав вещества показывает, атомы каких элементов входят в его состав
Количественный состав вещества показывает количество атомов, которые входят в его состав
Химическая формула – условная запись состава вещества при помощи химических символов и индексов (если нужно)
Коэффициент – число, которое показывает общее количество частиц. Коэффициент записывается перед химической формулой вещества
Формульная единица – наименьшая частица вещества атомного или ионного строения

Источник

Химические формулы для «чайников»

Структурные формулы — это просто!

Углеводороды

Двойные и тройные связи

Циклические углеводороды

Изомеры

Бензол и скелетные формулы

Трехмерные изображения

Формулы с окружностью

Знакомство с кислородом. Спирты

Карбоновые кислоты

Радикалы

Знакомство с азотом. Амины

Рациональные формулы

Ионы

Система Хилла

Краткий толковый словарь использованных в статье терминов

Как составлять химические формулы

Составление химических формул: алгоритм

Definitions of Terms

Identifying Element Symbols

Writing Chemical Symbols

Numbers in Chemical Formulas

Additional Chemical Abbreviations

Chemical Formula Examples

Transition Metal Formula

Definitions of Terms

Identifying Element Symbols

Writing Chemical Symbols

Numbers in Chemical Formulas

Additional Chemical Abbreviations

Chemical Formula Examples

Transition Metal Formula

Химическая формула

Начальные химические понятия и законы

Определение химической формулы

Валентность

Количество вещества

Закон Авогадро

Вычисление плотности газов

Вычисление относительной плотности газов

Закон эквивалентности

Энергетические явления в химических реакциях

Алгоритм составления уравнения химической реакции

Типы химических реакций

По числу и составу исходных веществ и продуктов реакции

По изменению степени окисления

По тепловому эффекту

По агрегатному состоянию исходных веществ

По наличию или отсутствию катализатора

По обратимости

Что такое химическая формула?

Как правильно понимать химические формулы?

Закон постоянства состава вещества

Не пропустите и эти статьи: