Химия · Основы химии · 7 класс

Химическая формула и валентность

Почему вода — H₂O, а оксид алюминия — Al₂O₃? Как валентность «собирает» формулу?

Ситуация

В кабинете химии на столе выставлены двенадцать разных веществ: железные гвозди, медная проволока, порошок серы, вода, поваренная соль, мел, баллоны с газом. У каждого есть своё химическое «имя» — формула: Fe, H₂O, NaCl, CaCO₃. Что означают эти буквы и цифры, какие вещества состоят из одного элемента? Почему воду записывают H₂O, а оксид алюминия — Al₂O₃? Какая часть карбамидного удобрения, вносимого в поле, приходится на азот?

Тема

Химический знак, формула и валентность. Конструктор молекул: сборка воды, аммиака, метана, углекислого газа и поваренной соли по валентности; сколько процентов азота в удобрении карбамиде

Ключевые понятия

Химический знак
Валентность
Массовая доля

Формулы

M_{r} = \sum_{i} n_{i} A_{r} (E_{i})

Относительная молекулярная масса — сумма относительных атомных масс всех атомов в формуле ( $n_{i}$ — индексы).

ω (E) = \frac{n \cdot A_{r} (E)}{M_{r}} \cdot 100 %

Массовая доля элемента: какая часть вещества приходится на этот элемент.

A_{x} B_{y} : x \cdot a = y \cdot b

Правило валентности: $a$ и $b$ — валентности элементов; число единиц валентности у двух элементов одинаково.

{Al}^{III} O^{II} : НОК (3, 2) = 6 \Rightarrow Al_{2} O_{3}

Составление формулы по валентности: наименьшее общее кратное (НОК) валентностей делим на каждую валентность — Al: 6 : 3 = 2, O: 6 : 2 = 3.

ω (N) = \frac{2 \cdot 14,007}{60,06} \approx 46,6 %

Карбамид $CO (NH_{2})_{2}$ — самое распространённое азотное удобрение.

Теория

Химический элемент и символ

Химический элемент — атомы одного вида (с одинаковым зарядом ядра). Каждый элемент записывают химическим символом: в 1813–1814 годах шведский химик Й. Берцелиус предложил брать первую букву латинского названия элемента или первую букву с одной из последующих: Fe — *Ferrum* (железо), Cu — *Cuprum* (медь), S — *Sulfur* (сера), Na — *Natrium*, C — *Carboneum*, O — *Oxygenium*, H — *Hydrogenium*. Символ обозначает и элемент, и его один атом: 2O — два атома кислорода. Подробнее об элементах — в эксперименте «Элементы и периодическая таблица».

Простые и сложные вещества, молекула

Простое вещество состоит из атомов одного элемента: железо Fe, медь Cu, сера S, кислород O₂. Сложное вещество (соединение) состоит из атомов двух и более элементов: вода H₂O, поваренная соль NaCl, мел CaCO₃. Один элемент может образовывать несколько простых веществ: кислород O₂ и озон O₃, графит и алмаз — это аллотропия. Молекула — наименьшая частица вещества, сохраняющая его химические свойства (H₂O, CO₂, S₈). Но не все вещества состоят из молекул: в металлах атомы, в поваренной соли ионы Na⁺ и Cl⁻ образуют кристаллическую решётку — для них формула показывает соотношение атомов (ионов).

Что сообщает химическая формула

Формула показывает качественный состав вещества (какие элементы) и количественный (сколько атомов каждого). Маленькая цифра справа внизу от символа — индекс: в H₂O два H и один O (1 не пишется). Большая цифра перед формулой — коэффициент: 3H₂O — три молекулы воды, в них 6 атомов H и 3 атома O. Группа в скобках умножается на индекс: в CO(NH₂)₂ 2 атома N и 4 атома H. Точка в кристаллогидрате добавляет молекулы воды: CuSO₄·5H₂O.

Валентность

Валентность — число связей, которые атом образует с другими атомами; за единицу принята валентность водорода (I), в соединениях кислорода почти всегда II. Постоянная валентность: H, Na, K — I; O, Mg, Ca — II; Al — III. Переменная: Fe — II, III; Cu — I, II; S — II, IV, VI; N — от I до V; P — III, V; C — II, IV. В бинарном соединении $A_{x} B_{y}$ число единиц валентности одинаково: $x \cdot a = y \cdot b$ . Составление формулы: найдите НОК валентностей и разделите на каждую — Al(III) и O(II): НОК = 6, $x = 2$ , $y = 3$ → Al₂O₃. Обратная задача: в Fe₂O₃ кислород даёт 3 · II = 6 единиц, значит, валентность каждого атома Fe равна 6 : 2 = III. Линии на сцене — графическая формула: каждая линия — одна единица валентности.

$M_r$ и массовая доля (практическая работа)

Относительная молекулярная масса $M_{r}$ — сумма относительных атомных масс атомов в формуле: $M_{r} (H_{2} O) = 2 \cdot 1,008 + 15,999 \approx 18,02$ . Массовая доля элемента $ω$ — какая часть вещества приходится на этот элемент: в воде $ω (H) = 2,016 : 18,02 \approx 11,2 %$ — две трети атомов составляет водород, но всего около 11 процентов массы. Масса элемента в образце: $m (E) = ω \cdot m$ — в 50 кг карбамида $\approx 23,3$ кг азота. Обратная задача — формула по массовым долям: отношение атомов $x : y = \frac{ω_{A}}{A_{r} (A)} : \frac{ω_{B}}{A_{r} (B)}$ , затем приводится к наименьшим целым числам.

Модель и источники

Относительные атомные массы — значения IUPAC/CIAAW (2024) ( $A_{r}$ (H) = 1,008, $A_{r}$ (O) = 15,999). Кнопка «Школьные значения» включает целые числа (Cl = 35,5) — смотрите, какое значение дано в условии задачи. Графическая формула показывает только единицы валентности, а не форму молекулы: молекула воды на самом деле угловая (104,5°); в ионных соединениях, таких как NaCl, Al₂O₃, отдельных линий связей нет; молекула оксида фосфора(V) на самом деле P₄O₁₀ — формула даёт простейшее соотношение. Молекулы и кристаллы на голограмме построены по измеренным длинам связей и постоянным решёток, размеры атомов схематичны; строение медного купороса упрощено.

Знаете ли вы?

Современные химические символы в 1813–1814 годах предложил шведский химик Йёнс Якоб Берцелиус. До него Джон Дальтон изображал элементы кружками с разными знаками внутри.
В 1828 году немецкий химик Фридрих Вёлер получил карбамид нагреванием цианата аммония — один из знаменитых первых примеров синтеза органического вещества из неорганического.

Что внутри эксперимента

Эксперимент начинается с жизненной ситуации: вы предсказываете результат, меняете параметры, проводите опыт и делаете вывод. Внутри — задания, теория, тест и экскурсия: камера сама движется и объясняет главное.

Другие эксперименты раздела

Кабинет химии и безопасность — 7 класс
Чистые вещества и смеси — 7 класс
Физические и химические явления — 7 класс
Моль, молярная масса и объём — 7 класс
От алхимии до периодического закона — 1 курс