Химическая формула, валентность и относительные массы

Запись H₂SO₄ выглядит как шифр, но это обычное предложение, просто очень плотное. В нём сказано сразу две вещи. Первая — качественный состав: какие элементы входят в вещество. Здесь их три — водород, сера, кислород. Вторая — количественный состав: сколько атомов каждого элемента приходится на одну частицу вещества. Здесь два, один и четыре.

За этой возможностью писать состав числами стоит закон, открытый французским химиком Жозефом Прустом на рубеже XVIII и XIX веков, — закон постоянства состава: всякое чистое вещество имеет один и тот же состав независимо от того, как его получили. Вода, полученная сжиганием водорода, вода из растаявшего снега и вода, выделенная при нейтрализации кислоты щёлочью, одинаковы: в них на каждые два атома водорода приходится один атом кислорода. Если бы это было не так, формула H₂O ничего бы не значила и писать её было бы бессмысленно. Буквенные символы элементов, которыми мы пользуемся до сих пор, предложил шведский химик Йёнс Якоб Берцелиус — он же и ввёл привычную нам форму записи состава.

Читать формулу надо по трём знакам.

Индекс — маленькая цифра справа снизу — относится только к тому символу, после которого стоит. В H₂SO₄ индекс 2 относится к водороду, а не ко всей формуле.

Коэффициент — большая цифра перед формулой — умножает всю формулу целиком. Запись 3H₂SO₄ означает три такие частицы, то есть шесть атомов водорода, три атома серы и двенадцать атомов кислорода. Коэффициент и индекс перемножаются, а не складываются.

Скобки собирают группу атомов, которая повторяется как целое. В Ca(NO₃)₂ в скобках стоит группа NO₃, а индекс 2 за скобкой говорит, что таких групп две. Значит, атомов кальция — один, азота — 1 · 2 = два, кислорода — 3 · 2 = шесть. Это самая частая арифметическая потеря на линиях 18 и 19: кислород считают по индексу внутри скобки и получают три вместо шести, после чего вся массовая доля уезжает.

Практический вывод один и он скучный: любой расчёт по формуле начинайте с выписывания числа атомов каждого элемента. Строчка «Al 2, S 3, O 12» под формулой Al₂(SO₄)₃ занимает пять секунд и снимает больше половины возможных ошибок.

Масса реального атома чудовищно мала: у водорода это примерно 1,67 · 10⁻²⁷ кг. Считать в таких числах невозможно, поэтому химия договорилась мерить массы атомов не в килограммах, а друг относительно друга. За эталон взята одна двенадцатая массы атома углерода-12; её называют атомной единицей массы. Относительная атомная масса Ar показывает, во сколько раз масса атома больше этой единицы. Поэтому Ar — величина безразмерная: это отношение, а не масса.

Число Ar не надо запоминать — оно напечатано в каждой клетке Периодической системы под символом элемента. Для расчётов на ОГЭ его округляют до целых: H — 1, C — 12, N — 14, O — 16, Na — 23, Mg — 24, Al — 27, S — 32, K — 39, Ca — 40, Fe — 56, Cu — 64, Zn — 65, Ag — 108, Ba — 137.

Из этого правила есть одно исключение, и оно экзаменационное: хлор берут как 35,5, а не 35. Причина в изотопах. Атомы одного элемента могут различаться числом нейтронов: в природном хлоре есть атомы с массовым числом 35 и атомы с массовым числом 37, и первых примерно три четверти, вторых — около четверти. Ar элемента — это средневзвешенная величина по всей природной смеси изотопов, и для хлора она выходит близкой к 35,5. Ученик, взявший 35, получает Mr(HCl) = 36 вместо 36,5 и «не находит свой ответ» среди вариантов.

Относительная молекулярная масса Mr складывается из атомных: берём Ar каждого элемента, умножаем на число его атомов в формуле и всё суммируем. Для Al₂(SO₄)₃: 27 · 2 + 32 · 3 + 16 · 12 = 54 + 96 + 192 = 342.

У Mr есть свойство, которым удобно проверять себя: она никогда не меньше самого тяжёлого атома в формуле и почти всегда заметно больше. Если при расчёте Mr сульфата алюминия у вас вышло 100, значит, где-то потерян множитель за скобкой. И ещё одна проверка, бесплатная: масса продуктов реакции по уравнению обязана сойтись с массой исходных веществ — закон сохранения массы работает и как арифметический контроль.

Валентность — это число химических связей, которые атом образует с другими атомами. Исторически её вывели именно так: посмотрели, сколько атомов водорода присоединяет к себе элемент. К одному атому кислорода водород присоединяется дважды (H₂O), к азоту — трижды (NH₃), к углероду — четырежды (CH₄). Отсюда: кислород двухвалентен, азот трёхвалентен, углерод четырёхвалентен. Водород принят за единицу и всегда имеет валентность I, кислород практически всегда II — на этих двух опорах держатся все школьные определения валентности.

Само число связей не случайно: оно определяется числом внешних электронов атома и тем, сколько ему не хватает до восьми. Поэтому валентность читается прямо из Периодической системы. Высшая валентность равна номеру группы: сера в VI группе — высшая VI, и высший оксид у неё SO₃; азот в V группе — высшая V, и высший оксид N₂O₅; марганец в VII группе — Mn₂O₇. Низшая валентность неметалла равна восьми минус номер группы: у серы 8 − 6 = II, и потому существует H₂S; у азота 8 − 5 = III, и потому NH₃; у хлора 8 − 7 = I, и потому HCl. У металлов главных подгрупп валентность обычно постоянна и равна номеру группы: натрий I, кальций II, алюминий III.

Определить валентность по готовой формуле оксида можно всегда, потому что кислород даёт неподвижную опору. Считаем: сколько атомов кислорода в формуле, столько раз по две единицы валентности; эту сумму делим на число атомов второго элемента. В Mn₂O₇ кислорода семь, то есть 7 · 2 = 14 единиц; их делят два атома марганца, 14 : 2 = VII. В Cr₂O₃ кислорода три, 3 · 2 = 6, делим на два атома хрома — III. Обратная проверка обязательна: произведение валентности на число атомов должно совпасть у обоих элементов. Для Cr₂O₃: III · 2 = 6 и II · 3 = 6 — сходится.

И последнее, о чём предупреждает плашка урока. Валентность и степень окисления — не одно и то же. Валентность — число связей, у неё нет знака, пишут её римскими цифрами: Fe(III). Степень окисления — условный заряд атома, у неё есть знак, пишут её арабскими цифрами со знаком впереди: Fe⁺³. Часто числа совпадают, но не всегда: в молекуле пероксида водорода H₂O₂ кислород по-прежнему двухвалентен, а степень окисления у него −1, а не −2. На ОГЭ римская цифра в скобках в названии вещества — «оксид железа(III)», «оксид серы(VI)» — означает именно валентность.

Задание 18 в банке почти всегда одинаковое по сути и разное по сюжету: дана формула вещества, надо найти массовую долю одного из элементов в процентах. Формула расчёта короткая:

w(Э) = Ar(Э) · n / Mr(вещества) · 100 %, где n — число атомов этого элемента в формуле с учётом скобок.

Но считать полезно, понимая, что получается. Массовая доля железа в магнетите Fe₃O₄ равна 72 % — это значит, что из каждых ста килограммов руды семьдесят два килограмма приходится на железо, а двадцать восемь на кислород. Именно поэтому магнетит называют самой богатой железной рудой: у гематита Fe₂O₃ та же доля равна 70 %, у сидерита FeCO₃ — всего 48 %, и металлургу выгоднее возить первую. Массовая доля — это не абстракция из задачника, а то, по чему оценивают руду, удобрение и витаминный препарат.

Порядок действий всегда один и тот же. Первое: выписать число атомов каждого элемента. Второе: посчитать Mr всего вещества. Третье: посчитать массу нужного элемента как Ar · n. Четвёртое: поделить и умножить на сто.

Проверьте себя на гидрокарбонате натрия NaHCO₃ — это питьевая сода. Атомы: Na 1, H 1, C 1, O 3. Mr = 23 + 1 + 12 + 48 = 84. Масса натрия 23. w(Na) = 23 : 84 · 100 % ≈ 27 %.

У расчёта есть бесплатная проверка: сумма массовых долей всех элементов должна дать 100 %. Для соды: натрий 27 %, водород 1 : 84 ≈ 1 %, углерод 12 : 84 ≈ 14 %, кислород 48 : 84 ≈ 57 %. Сумма 27 + 1 + 14 + 57 = 99 % — единицу съело округление, и это нормально. А вот если сумма вышла 80 или 130 — в подсчёте атомов ошибка, почти наверняка за скобкой.

И обратный ход, который тоже спрашивают: если известна массовая доля, находят массу элемента в образце: m(Э) = m(вещества) · w. В двухстах граммах соды натрия будет 200 · 0,27 = 54 г. Обратите внимание на форму записи: в этой формуле долю берут в долях единицы, а не в процентах; перевести проценты в доли — значит поделить на сто.

Определять валентность по готовой формуле умеет большинство; спотыкаются на обратном действии — написать формулу, зная валентности. А именно это и требуется, когда в задании просят формулу высшего оксида, гидроксида или соли, которых вы никогда не видели.

Порядок действий один и тот же, четыре шага.

Шаг 1. Записать символы и поставить валентности сверху. Скажем, нужен оксид алюминия: алюминий трёхвалентен, кислород двухвалентен. Пишем Al(III) и O(II).

Шаг 2. Найти наименьшее общее кратное валентностей. Для 3 и 2 это 6. Это число — сколько «единиц валентности» будет у каждого элемента в формуле.

Шаг 3. Разделить НОК на валентность каждого элемента. 6 : 3 = 2 атома алюминия, 6 : 2 = 3 атома кислорода. Получаем Al₂O₃.

Шаг 4. Проверить обратным счётом. 2 · 3 = 6 и 3 · 2 = 6 — сходится. Если не сходится, ошибка в валентности, а не в арифметике.

Этот же приём даёт формулы, которых нет смысла заучивать. Оксид фосфора(V): НОК(5, 2) = 10, значит P₂O₅. Оксид углерода(IV): НОК(4, 2) = 4, значит C₁O₂, то есть CO₂ — индекс 1 не пишут. Оксид натрия: НОК(1, 2) = 2, значит Na₂O.

С кислотными остатками работают точно так же, только вместо элемента берут целую группу и её валентность. Сульфат-ион SO₄ двухвалентен, нитрат-ион NO₃ одновалентен, фосфат-ион PO₄ трёхвалентен, карбонат-ион CO₃ двухвалентен. Сульфат алюминия: НОК(3, 2) = 6, алюминия 6 : 3 = 2, сульфат-групп 6 : 2 = 3, получаем Al₂(SO₄)₃ — со скобками, потому что множитель относится ко всей группе. Нитрат кальция: НОК(2, 1) = 2, кальция один, нитрат-групп два, Ca(NO₃)₂.

Одно правило, о котором забывают. Скобки ставят только тогда, когда групп больше одной. Ca(NO₃)₂ — со скобками, а сульфат натрия Na₂SO₄ — без, потому что группа SO₄ там единственная. Запись «Na₂(SO₄)» формально не ошибочна, но так не пишут, а в ответе на экзамене лишние скобки читаются как непонимание.

Остаётся вопрос, откуда брать саму валентность, если элемент незнакомый. Три опоры, и все три доступны на экзамене. Первая: номер группы. У элементов главных подгрупп высшая валентность равна номеру группы: сера в VI группе — до шести, хлор в VII — до семи, углерод в IV — четыре. Вторая: постоянные валентности. Водород, щелочные металлы, а также фтор всегда одновалентны; кислород, кальций, магний, барий, цинк — двухвалентны; алюминий — трёхвалентен. Этот короткий список закрывает большую часть школьных формул. Третья: сам элемент в другой формуле. Если в задании уже дана одна формула с нужным элементом, валентность считают по ней и переносят.

И последнее: у многих металлов валентность переменная, и тогда её пишут римской цифрой в названии — оксид железа(II) FeO и оксид железа(III) Fe₂O₃, оксид меди(I) Cu₂O и оксид меди(II) CuO. Цифра в скобках — не украшение названия, а прямое указание, какую валентность подставлять в расчёт. Пропустили её — получили формулу другого вещества.

В задании 4 встречаются две очень похожие формулировки: «установите соответствие между формулой и валентностью элемента» и «…и степенью окисления элемента». Различие между этими величинами небольшое, но задания на них решаются по-разному, и первое, что нужно сделать, — прочитать, о чём именно спрашивают.

Валентность — это число химических связей, которые образует атом. Она всегда целая и положительная, знака у неё нет вовсе, и записывают её римскими цифрами: N(IV) в NO₂.

Степень окисления — условный заряд атома, который он получил бы, если бы все общие электронные пары отдали более электроотрицательному партнёру. У неё есть знак, она бывает нулевой и записывается арабскими цифрами со знаком впереди: N⁺⁴ в NO₂.

Считают степень окисления по одному правилу: сумма степеней окисления всех атомов в молекуле равна нулю. Опорные значения: у водорода в соединениях с неметаллами +1, у кислорода −2, у щелочного металла +1, у металла II группы +2, у простого вещества 0. Всё остальное выводится уравнением. H₂SO₄: 2 · (+1) + x + 4 · (−2) = 0, значит x = +6. HNO₃: (+1) + x + 3 · (−2) = 0, значит x = +5. NH₃: x + 3 · (+1) = 0, значит x = −3.

Для большинства школьных соединений два числа совпадают по модулю: в H₂O кислород двухвалентен и имеет степень окисления −2, в HCl хлор одновалентен и имеет −1. Поэтому и возникает соблазн считать их одним и тем же.

Но есть случаи, где они расходятся, и как раз они попадают в задания-ловушки. В простом веществе H₂ водород одновалентен (одна связь есть), а степень окисления нулевая (связь между одинаковыми атомами не даёт условного заряда). В пероксиде водорода H₂O₂ кислород двухвалентен, а степень окисления у него −1, потому что одна из двух его связей ведёт к такому же атому кислорода.

Практический вывод. Увидели слово «валентность» — считайте связи и не ставьте знак. Увидели «степень окисления» — составляйте уравнение на ноль и знак ставьте обязательно. Ответ «−2» там, где спросили валентность, признаётся неверным, даже если по существу вы всё поняли.