Химические формулы - это способ кратко и наглядно представить состав и строение химических веществ при помощи буквенных обозначений химических элементов и цифр. Умение правильно составлять и читать химические формулы - важнейший навык для изучения химии. Давайте разберемся, как это делается.
Основные правила
При составлении химических формул используются следующие основные правила:
- Каждый химический элемент обозначается первой буквой его латинского названия. Например, H - водород, O - кислород, C - углерод.
- Если в формуле присутствует более одного атома элемента, рядом ставится цифра - количество атомов. Например, H2O - два атома водорода и один атом кислорода.
- Порядок записи элементов не имеет значения. Например, H2O и OH2 - это одно и то же вещество - вода.
Типы формул
Различают следующие основные типы химических формул:
-
Молекулярные формулы отражают качественный и количественный состав отдельных молекул вещества. Например, C6H12O6 - молекула глюкозы содержит 6 атомов углерода, 12 атомов водорода и 6 атомов кислорода.
-
Структурные формулы показывают, как именно атомы соединены в молекулы, то есть отражают ее пространственное строение.
-
Эмпирические формулы указывают простейшее целочисленное соотношение атомов элементов в составе вещества. Например, эмпирическая формула глюкозы CH2O.
Как составлять формулы органических соединений
Рассмотрим более подробно, как составляются формулы органических соединений, содержащих углерод и водород, а часто еще и кислород, азот, галогены:
-
Записывается углеродный скелет соединения - последовательность связанных между собой атомов углерода. Количество атомов C определяется префиксом в названии:
- Метан CH
- - 1 атом C Этан C
- H
- - 2 атома C Пропан C
- H
- - 3 атома C
-
К каждому атому C добавляются атомы H согласно его валентности, равной 4. То есть если к атому углерода уже присоединены другие атомы, то атомов H должно быть столько, чтобы всего было 4 связи.
-
Добавляются другие атомы элементов (O, N, Cl, Br и т.д.) согласно их количеству в названии:
- Хлорметан CH
- Cl - 1 атом Cl Диметиламин (CH
- )
- NH - 1 атом N 2-пропанол C
- H
- OH - 1 атом O
Таким образом, шаг за шагом собирается полная молекулярная формула органического вещества.
Как составлять формулы неорганических соединений
При составлении формул неорганических соединений также необходимо учитывать валентность элементов - количество связей, которое данный элемент может образовывать с другими элементами в соединениях. Основные валентности некоторых распространенных элементов:
| Элемент | Валентности |
| H (водород) | 1 |
| O (кислород) | 2 |
| N (азот) | 3, 5 |
| S (сера) | 2, 4, 6 |
| Cl (хлор) | 1, 3, 5, 7 |
Чтобы составить формулу, нужно подобрать соотношение атомов разных элементов так, чтобы сумма их валентностей была одинаковой. Несколько примеров:
- H2SO4 - сумма валентностей: 2*1 + 6 + 4*2 = 14
- NH4Cl - сумма валентностей: 3 + 4*1 + 1 = 8
- CaO - сумма валентностей: 2 + 2 = 4
Для сложных неорганических соединений могут использоваться структурные формулы, отражающие порядок с другом.
Например, структурная формула серной кислоты H2SO4 такова:
Здесь видно, что атом S соединен с четырьмя атомами O, образуя тетраэдрическую структуру. В свою очередь, к атомам O присоединены атомы H.
Как упростить запись сложных формул
Для больших молекул и кристаллических веществ запись подробных структурных формул занимает много места и неудобна. В таких случаях используется упрощенная запись при помощи префиксов и скобок.
Например, фосфорная кислота имеет структурную формулу H3PO4, но часто записывается проще: H3[PO4]. Квадратные скобки показывают, что эта группа атомов повторяется в формуле целиком, создавая длинную цепочку или кристаллическую решетку.
Аналогично, сульфат бария записывается не BaSO4, а Ba[SO4]. Формальдегид H2C=O можно представить короче: [H2C=O]n, где n означает, что этот фрагмент повторяется n раз.
Запись формул электролитов в ионном виде
Для солей, кислот и других электролитов в водных растворах применяется ионная форма записи, отражающая их диссоциацию (распад) на ионы. В этом случае формулы катионов и анионов указывают отдельно.
Например, соляная кислота в ионном виде записывается как H+ + Cl-, а сульфат натрия - как 2Na+ + SO42-. Заряды ионов обозначаются знаками плюс и минус вверху справа.
Переход от молекулярных формул к ионным и наоборот также является важным навыком при изучении химии.
Особенности записи различных классов соединений
При составлении формул химии для разных классов соединений есть свои особенности:
1. Органические соединения
В органических соединениях основным элементом является углерод. Сначала записывается его каркас, затем добавляются атомы водорода, потом – другие элементы.
2. Неорганические соединения
В неорганических веществах важно соблюдать валентности элементов. Атомы соединяются так, чтобы сумма валентностей была одинаковой.
3. Кислоты и основания
Для кислот и оснований указываются катионы и анионы в ионном виде. Например, двухзарядный катион Ca2+ и однозарядный OH-.
4. Соли
Формулы солей также записывают через катионы и анионы. Составлять их формулы надо из формул кислоты и основания.
Методы определения химического состава веществ
Чтобы составлять формулы химии, нужно знать качественный и количественный состав веществ. Для этого существуют разные методы:
1. Элементный анализ
Позволяет определить процентное содержание разных элементов в образце.
2. Масс-спектрометрия
Измеряет отношение массы иона к его заряду, что позволяет определить элементы.
Расчеты по химическим формулам
Зная формулы веществ, можно производить различные расчеты:
- Вычислить молекулярную массу
- Найти массовые доли элементов
- Рассчитать количество вещества компонентов
Это важные навыки при составлении химии и изучении количественных соотношений.
