Химические формулы: как определить состав и относительную массу

Формула позволяет получить два разных ответа: какие элементы входят в состав и в каком соотношении они представлены. Например, наличие двух элементов ещё не означает, что в молекуле всего два атома. Прежде чем открывать таблицу атомных масс, полезно сделать отдельную строку с числами атомов. Тогда вычисление превращается в понятную сумму, а не в попытку перемножить все встреченные цифры.

Как читать символы и индексы

Символ химического элемента начинается с прописной латинской буквы; следующая буква, если она есть, строчная. Поэтому Co обозначает кобальт, а CO — формулу соединения углерода и кислорода. Регистр букв меняет смысл записи. В русскоязычном тексте химические символы не заменяют похожими кириллическими буквами.

Индекс справа внизу показывает число атомов соответствующего элемента в молекуле или соотношение компонентов в формульной записи. В CO₂ углероду соответствует единица, кислороду — двойка. Суммарное число атомов в одной молекуле равно трём, хотя видов элементов всего два.

Различия удобно проверить на коротких примерах. В таблице молекулярные формулы прочитаны для одной молекулы.

Формулы не всех веществ обозначают отдельные молекулы. Для ионных кристаллов, например хлорида натрия, запись NaCl выражает соотношение компонентов. Поэтому фразу «в молекуле NaCl» в таком задании лучше заменить на «в формульной единице NaCl». Способ суммирования относительных атомных масс при этом сохраняется. Различие молекулярных и формульных записей объясняется в учебном разделе OpenStax о химических формулах.

Простое или сложное вещество

Число элементов определяет, является ли вещество простым или сложным. O₂ — простое вещество: в его составе только кислород. H₂O — сложное: представлены водород и кислород. Цифра 2 в формуле кислорода не делает его сложным веществом, поскольку двух разных элементов в записи нет.

Для ответа сначала перечислите элементы, затем назовите их количество. В NH₃ два элемента — азот и водород; в одной молекуле четыре атома. Такой порядок позволяет не смешивать вопросы «сколько элементов?» и «сколько атомов?». Если в задании требуется только состав, вычисление массы не заменяет этот ответ.

Также различайте названия элемента и вещества. Слово «кислород» может обозначать химический элемент O или простое вещество с молекулами O₂ — нужный смысл задаёт контекст. Относительная атомная масса кислорода и относительная молекулярная масса O₂ не равны: первая относится к атомам, вторая — к молекуле из двух атомов.

Что делать со скобками

Индекс после закрывающей скобки умножает числа всех атомов внутри этой группы. В Mg(OH)₂ одна группа OH содержит один атом кислорода и один атом водорода. Двойка означает две такие группы, поэтому формуле соответствуют Mg — 1, O — 2, H — 2. Магний находится за пределами скобок, и эта двойка его не умножает.

Рассмотрим Ca(NO₃)₂. В одной группе NO₃ азоту соответствует единица, кислороду — тройка. После умножения на внешний индекс получаем Ca — 1, N — 2, O — 6. Всего в формульной записи учтено девять атомов: 1 + 2 + 6 = 9.

Для сложной формулы можно временно составить таблицу подсчёта. Она не требует менять настоящую формулу вещества: это отдельная вспомогательная запись.

Запись «кислорода 3 + 2 = 5» неверна: индексы здесь перемножают, а не складывают. Другая ошибка — получить два атома кальция. Внешний индекс действует только на скобки, а не на всю формулу.

Откуда брать относительные атомные массы

Относительную атомную массу обозначают Aᵣ. Её берут из периодической таблицы или из условия, соблюдая указанное округление. Не подставляйте порядковый номер элемента вместо массы. Например, для кислорода в наших упражнениях используется 16, а не его порядковый номер 8.

Для всех расчётов далее заданы школьные округлённые значения. Они являются условиями упражнений; более точные табличные числа дадут немного другие результаты.

Не округляйте все значения до целых только потому, что так удобнее считать. Для хлора здесь специально дано 35,5. Если заменить его на 35, ответ для CaCl₂ изменится на единицу. В работе по назначенному учебнику используйте таблицу и правила округления, принятые учителем.

Как вычислить относительную массу

Для молекулярного вещества относительную молекулярную массу обозначают Mᵣ: это сумма относительных атомных масс с учётом числа атомов в молекуле. Для немолекулярных веществ точнее говорить об относительной формульной массе. В обоих случаях вычисление по формуле выполняется одинаково, а итоговая относительная величина безразмерна. Молярная масса в г/моль — другая величина; похожее числовое значение не делает её тем же самым понятием. Их различие рассматривается в разделе OpenStax о формульной и молярной массе.

Расчёт удобно выполнять в несколько шагов. Сначала разберите состав, потом переходите к массам; особенно важно не объединять эти действия при наличии скобок.

1. Выпишите элементы, входящие в формулу.
2. Определите число атомов каждого элемента с учётом индексов и скобок.
3. Запишите заданные значения Aᵣ.
4. Умножьте каждое значение на соответствующее число атомов.
5. Сложите произведения и проверьте, что учтены все элементы.
6. Запишите ответ как относительную массу без единицы «г».

Для CO₂ получаем Mᵣ = 12 + 2 · 16 = 44. В промежуточной записи видно, что углерод учтён один раз, кислород — два. Для NH₃ расчёт другой: Mᵣ = 14 + 3 · 1 = 17. Нельзя умножать 14 на 3: индекс относится к H, а не к N.

Для Na₂SO₄ относительная формульная масса равна 2 · 23 + 32 + 4 · 16 = 46 + 32 + 64 = 142. Здесь три элемента и семь атомов в формульной записи. Число 142 характеризует относительную массу, а не число атомов.

Полный разбор формулы со скобками

В Ca(NO₃)₂ сначала установим состав: один кальций, два азота и шесть кислорода. После этого можно записать сумму 40 + 2 · 14 + 6 · 16 = 40 + 28 + 96 = 164. Другой верный способ — сначала вычислить вклад одной группы: 14 + 3 · 16 = 62, затем 40 + 2 · 62 = 164.

Две записи полезны как взаимная проверка. Если результаты отличаются, скорее всего, индекс после скобок применён не ко всем атомам внутри или затронул элемент снаружи. Например, 40 + 2 · (14 + 16) = 100 неверно: в группе NO₃ у кислорода есть собственный индекс 3, который потерялся.

Для Mg(OH)₂ соответствующий расчёт равен 24 + 2 · (16 + 1) = 24 + 34 = 58. Если раскрыть группы, получится 24 + 2 · 16 + 2 · 1 = 58. Совпадение подтверждает подсчёт, но не заменяет проверку, что сама формула переписана правильно.

Почему коэффициент не входит в массу одной частицы

Запись 3CO₂ означает три молекулы углекислого газа в модели подсчёта частиц. Они содержат суммарно три атома углерода и шесть атомов кислорода. При этом относительная молекулярная масса CO₂ остаётся 44: коэффициент не изменяет состав одной молекулы.

Если в задании написано «найдите относительную молекулярную массу вещества в записи 3CO₂», ответ 132 неверен. Произведение 3 · 44 относится к суммарному вкладу трёх выбранных молекул в относительной шкале, а не к новой молекуле. Тем более оно не означает 132 г без дополнительных данных о количестве вещества.

Сравните две записи: 2H₂O — две молекулы воды, H₂O₂ — формула другого вещества, пероксида водорода. В первом случае относительная молекулярная масса воды равна 18, во втором масса молекулы другого состава равна 34 при наших округлениях. Изменять индекс ради удобного подсчёта нельзя.

Упражнения для самостоятельной работы

Используйте заданную таблицу Aᵣ. В заданиях на состав запишите отдельно виды элементов и числа атомов. В заданиях на массу оставьте строку с суммой: по ней видно, где возникла ошибка.

1. Сколько видов элементов и сколько атомов входит в одну молекулу CO₂?
2. Выпишите числа Ca, N и O для Ca(NO₃)₂ и найдите их сумму.
3. Сколько атомов N и H соответствует записи 2NH₃? Изменилась ли относительная масса одной молекулы NH₃?
4. Найдите относительную формульную массу MgO.
5. Найдите относительную формульную массу Mg(OH)₂ двумя способами.
6. Рассчитайте относительную формульную массу Na₂CO₃.
7. Рассчитайте относительную молекулярную массу SO₃.
8. Найдите относительную формульную массу CaCl₂, сохраняя заданное значение массы хлора.
9. Вычислите относительную формульную массу NH₄Cl.
10. Вычислите относительную молекулярную массу H₂SO₄.
11. Вычислите относительную формульную массу Fe₂O₃.
12. Ученик получил для Ca(NO₃)₂ результат 40 + 2 · (14 + 16) = 100. Объясните ошибку и исправьте запись.
13. Ученик назвал O₂ сложным веществом, поскольку в молекуле два атома. Верно ли объяснение?
14. Можно ли записать для одной молекулы воды ответ «относительная молекулярная масса 18 г»?

Ответы с пояснениями

После сравнения итогов вернитесь к подсчёту атомов. Правильная арифметика с неверным составом всё равно даёт неверный химический ответ.

1. Два вида элементов; один атом C и два O, всего три атома.
2. Ca — 1, N — 2, O — 6; сумма 1 + 2 + 6 = 9.
3. N — 2, H — 6. Относительная молекулярная масса NH₃ осталась 17.
4. 24 + 16 = 40.
5. 24 + 2 · (16 + 1) = 58; либо 24 + 2 · 16 + 2 · 1 = 58.
6. 2 · 23 + 12 + 3 · 16 = 106.
7. 32 + 3 · 16 = 80.
8. 40 + 2 · 35,5 = 111.
9. 14 + 4 · 1 + 35,5 = 53,5.
10. 2 · 1 + 32 + 4 · 16 = 98.
11. 2 · 56 + 3 · 16 = 160.
12. Потерян индекс 3 у кислорода. Верно: 40 + 2 · (14 + 3 · 16) = 164.
13. Нет. В составе только один химический элемент — кислород, поэтому вещество простое.
14. Нет. Относительная масса безразмерна; корректная запись — Mᵣ(H₂O) = 18 при заданных округлениях.

Перед сдачей проверьте регистр символов, все индексы, действие скобок и значения из таблицы. Затем прочитайте вопрос ещё раз: требовались состав, число атомов или относительная масса? Каждый из этих ответов имеет свой смысл. Хорошее решение позволяет восстановить подсчёт по вашей записи и не требует угадывать, откуда взялось последнее число.