Как пишется молекула в химии

A molecule is a group of two or more atoms held together by attractive forces known as chemical bonds; depending on context, the term may or may not include ions which satisfy this criterion.^{[4][5][6][7][8]} In quantum physics, organic chemistry, and biochemistry, the distinction from ions is dropped and molecule is often used when referring to polyatomic ions.

A molecule may be homonuclear, that is, it consists of atoms of one chemical element, e.g. two atoms in the oxygen molecule (O₂); or it may be heteronuclear, a chemical compound composed of more than one element, e.g. water (two hydrogen atoms and one oxygen atom; H₂O). In the kinetic theory of gases, the term molecule is often used for any gaseous particle regardless of its composition. This relaxes the requirement that a molecule contains two or more atoms, since the noble gases are individual atoms.^[9] Atoms and complexes connected by non-covalent interactions, such as hydrogen bonds or ionic bonds, are typically not considered single molecules.^[10]

Concepts similar to molecules have been discussed since ancient times, but modern investigation into the nature of molecules and their bonds began in the 17th century. Refined over time by scientists such as Robert Boyle, Amedeo Avogadro, Jean Perrin, and Linus Pauling, the study of molecules is today known as molecular physics or molecular chemistry.

Etymology

According to Merriam-Webster and the Online Etymology Dictionary, the word «molecule» derives from the Latin «moles» or small unit of mass. The word is derived from French molécule (1678), from New Latin molecula, diminutive of Latin moles «mass, barrier». The word, which until the late 18th century was used only in Latin form, became popular after being used in works of philosophy by Descartes.^[11][12]

History

The definition of the molecule has evolved as knowledge of the structure of molecules has increased. Earlier definitions were less precise, defining molecules as the smallest particles of pure chemical substances that still retain their composition and chemical properties.^[13] This definition often breaks down since many substances in ordinary experience, such as rocks, salts, and metals, are composed of large crystalline networks of chemically bonded atoms or ions, but are not made of discrete molecules.

The modern concept of molecules can be traced back towards pre-scientific and Greek philosophers such as Leucippus and Democritus who argued that all the universe is composed of atoms and voids. Circa 450 BC Empedocles imagined fundamental elements (fire (), earth (), air (), and water ()) and «forces» of attraction and repulsion allowing the elements to interact.

A fifth element, the incorruptible quintessence aether, was considered to be the fundamental building block of the heavenly bodies. The viewpoint of Leucippus and Empedocles, along with the aether, was accepted by Aristotle and passed to medieval and renaissance Europe.

In a more concrete manner, however, the concept of aggregates or units of bonded atoms, i.e. «molecules», traces its origins to Robert Boyle’s 1661 hypothesis, in his famous treatise The Sceptical Chymist, that matter is composed of clusters of particles and that chemical change results from the rearrangement of the clusters. Boyle argued that matter’s basic elements consisted of various sorts and sizes of particles, called «corpuscles», which were capable of arranging themselves into groups. In 1789, William Higgins published views on what he called combinations of «ultimate» particles, which foreshadowed the concept of valency bonds. If, for example, according to Higgins, the force between the ultimate particle of oxygen and the ultimate particle of nitrogen were 6, then the strength of the force would be divided accordingly, and similarly for the other combinations of ultimate particles.

Amedeo Avogadro created the word «molecule».^[14] His 1811 paper «Essay on Determining the Relative Masses of the Elementary Molecules of Bodies», he essentially states, i.e. according to Partington’s A Short History of Chemistry, that:^[15]

The smallest particles of gases are not necessarily simple atoms, but are made up of a certain number of these atoms united by attraction to form a single molecule.

In coordination with these concepts, in 1833 the French chemist Marc Antoine Auguste Gaudin presented a clear account of Avogadro’s hypothesis,^[16] regarding atomic weights, by making use of «volume diagrams», which clearly show both semi-correct molecular geometries, such as a linear water molecule, and correct molecular formulas, such as H₂O:

In 1917, an unknown American undergraduate chemical engineer named Linus Pauling was learning the Dalton hook-and-eye bonding method, which was the mainstream description of bonds between atoms at the time. Pauling, however, wasn’t satisfied with this method and looked to the newly emerging field of quantum physics for a new method. In 1926, French physicist Jean Perrin received the Nobel Prize in physics for proving, conclusively, the existence of molecules. He did this by calculating Avogadro’s number using three different methods, all involving liquid phase systems. First, he used a gamboge soap-like emulsion, second by doing experimental work on Brownian motion, and third by confirming Einstein’s theory of particle rotation in the liquid phase.^[17]

In 1927, the physicists Fritz London and Walter Heitler applied the new quantum mechanics to the deal with the saturable, nondynamic forces of attraction and repulsion, i.e., exchange forces, of the hydrogen molecule. Their valence bond treatment of this problem, in their joint paper,^[18] was a landmark in that it brought chemistry under quantum mechanics. Their work was an influence on Pauling, who had just received his doctorate and visited Heitler and London in Zürich on a Guggenheim Fellowship.

Subsequently, in 1931, building on the work of Heitler and London and on theories found in Lewis’ famous article, Pauling published his ground-breaking article «The Nature of the Chemical Bond»^[19] in which he used quantum mechanics to calculate properties and structures of molecules, such as angles between bonds and rotation about bonds. On these concepts, Pauling developed hybridization theory to account for bonds in molecules such as CH₄, in which four sp³ hybridised orbitals are overlapped by hydrogen’s 1s orbital, yielding four sigma (σ) bonds. The four bonds are of the same length and strength, which yields a molecular structure as shown below:

Molecular science

The science of molecules is called molecular chemistry or molecular physics, depending on whether the focus is on chemistry or physics. Molecular chemistry deals with the laws governing the interaction between molecules that results in the formation and breakage of chemical bonds, while molecular physics deals with the laws governing their structure and properties. In practice, however, this distinction is vague. In molecular sciences, a molecule consists of a stable system (bound state) composed of two or more atoms. Polyatomic ions may sometimes be usefully thought of as electrically charged molecules. The term unstable molecule is used for very reactive species, i.e., short-lived assemblies (resonances) of electrons and nuclei, such as radicals, molecular ions, Rydberg molecules, transition states, van der Waals complexes, or systems of colliding atoms as in Bose–Einstein condensate.

Prevalence

Molecules as components of matter are common. They also make up most of the oceans and atmosphere. Most organic substances are molecules. The substances of life are molecules, e.g. proteins, the amino acids of which they are composed, the nucleic acids (DNA and RNA), sugars, carbohydrates, fats, and vitamins. The nutrient minerals are generally ionic compounds, thus they are not molecules, e.g. iron sulfate.

However, the majority of familiar solid substances on Earth are made partly or completely of crystals or ionic compounds, which are not made of molecules. These include all of the minerals that make up the substance of the Earth, sand, clay, pebbles, rocks, boulders, bedrock, the molten interior, and the core of the Earth. All of these contain many chemical bonds, but are not made of identifiable molecules.

No typical molecule can be defined for salts nor for covalent crystals, although these are often composed of repeating unit cells that extend either in a plane, e.g. graphene; or three-dimensionally e.g. diamond, quartz, sodium chloride. The theme of repeated unit-cellular-structure also holds for most metals which are condensed phases with metallic bonding. Thus solid metals are not made of molecules. In glasses, which are solids that exist in a vitreous disordered state, the atoms are held together by chemical bonds with no presence of any definable molecule, nor any of the regularity of repeating unit-cellular-structure that characterizes salts, covalent crystals, and metals.

Bonding

Molecules are generally held together by covalent bonding. Several non-metallic elements exist only as molecules in the environment either in compounds or as homonuclear molecules, not as free atoms: for example, hydrogen.

While some people say a metallic crystal can be considered a single giant molecule held together by metallic bonding,^[20] others point out that metals behave very differently than molecules.^[21]

Covalent

A covalent bond is a chemical bond that involves the sharing of electron pairs between atoms. These electron pairs are termed shared pairs or bonding pairs, and the stable balance of attractive and repulsive forces between atoms, when they share electrons, is termed covalent bonding.^[22]

Ionic

Ionic bonding is a type of chemical bond that involves the electrostatic attraction between oppositely charged ions, and is the primary interaction occurring in ionic compounds. The ions are atoms that have lost one or more electrons (termed cations) and atoms that have gained one or more electrons (termed anions).^[23] This transfer of electrons is termed electrovalence in contrast to covalence. In the simplest case, the cation is a metal atom and the anion is a nonmetal atom, but these ions can be of a more complicated nature, e.g. molecular ions like NH₄⁺ or SO₄²⁻. At normal temperatures and pressures, ionic bonding mostly creates solids (or occasionally liquids) without separate identifiable molecules, but the vaporization/sublimation of such materials does produce separate molecules where electrons are still transferred fully enough for the bonds to be considered ionic rather than covalent.

Molecular size

Most molecules are far too small to be seen with the naked eye, although molecules of many polymers can reach macroscopic sizes, including biopolymers such as DNA. Molecules commonly used as building blocks for organic synthesis have a dimension of a few angstroms (Å) to several dozen Å, or around one billionth of a meter. Single molecules cannot usually be observed by light (as noted above), but small molecules and even the outlines of individual atoms may be traced in some circumstances by use of an atomic force microscope. Some of the largest molecules are macromolecules or supermolecules.

The smallest molecule is the diatomic hydrogen (H₂), with a bond length of 0.74 Å.^[24]

Effective molecular radius is the size a molecule displays in solution.^[25][26]
The table of permselectivity for different substances contains examples.

Molecular formulas

Chemical formula types

The chemical formula for a molecule uses one line of chemical element symbols, numbers, and sometimes also other symbols, such as parentheses, dashes, brackets, and plus (+) and minus (−) signs. These are limited to one typographic line of symbols, which may include subscripts and superscripts.

A compound’s empirical formula is a very simple type of chemical formula.^[27] It is the simplest integer ratio of the chemical elements that constitute it.^[28] For example, water is always composed of a 2:1 ratio of hydrogen to oxygen atoms, and ethanol (ethyl alcohol) is always composed of carbon, hydrogen, and oxygen in a 2:6:1 ratio. However, this does not determine the kind of molecule uniquely – dimethyl ether has the same ratios as ethanol, for instance. Molecules with the same atoms in different arrangements are called isomers. Also carbohydrates, for example, have the same ratio (carbon:hydrogen:oxygen= 1:2:1) (and thus the same empirical formula) but different total numbers of atoms in the molecule.

The molecular formula reflects the exact number of atoms that compose the molecule and so characterizes different molecules. However different isomers can have the same atomic composition while being different molecules.

The empirical formula is often the same as the molecular formula but not always. For example, the molecule acetylene has molecular formula C₂H₂, but the simplest integer ratio of elements is CH.

The molecular mass can be calculated from the chemical formula and is expressed in conventional atomic mass units equal to 1/12 of the mass of a neutral carbon-12 (¹²C isotope) atom. For network solids, the term formula unit is used in stoichiometric calculations.

Structural formula

For molecules with a complicated 3-dimensional structure, especially involving atoms bonded to four different substituents, a simple molecular formula or even semi-structural chemical formula may not be enough to completely specify the molecule. In this case, a graphical type of formula called a structural formula may be needed. Structural formulas may in turn be represented with a one-dimensional chemical name, but such chemical nomenclature requires many words and terms which are not part of chemical formulas.

Molecular geometry

Molecules have fixed equilibrium geometries—bond lengths and angles— about which they continuously oscillate through vibrational and rotational motions. A pure substance is composed of molecules with the same average geometrical structure. The chemical formula and the structure of a molecule are the two important factors that determine its properties, particularly its reactivity. Isomers share a chemical formula but normally have very different properties because of their different structures. Stereoisomers, a particular type of isomer, may have very similar physico-chemical properties and at the same time different biochemical activities.

Molecular spectroscopy

Molecular spectroscopy deals with the response (spectrum) of molecules interacting with probing signals of known energy (or frequency, according to Planck’s formula). Molecules have quantized energy levels that can be analyzed by detecting the molecule’s energy exchange through absorbance or emission.^[31]
Spectroscopy does not generally refer to diffraction studies where particles such as neutrons, electrons, or high energy X-rays interact with a regular arrangement of molecules (as in a crystal).

Microwave spectroscopy commonly measures changes in the rotation of molecules, and can be used to identify molecules in outer space. Infrared spectroscopy measures the vibration of molecules, including stretching, bending or twisting motions. It is commonly used to identify the kinds of bonds or functional groups in molecules. Changes in the arrangements of electrons yield absorption or emission lines in ultraviolet, visible or near infrared light, and result in colour. Nuclear resonance spectroscopy measures the environment of particular nuclei in the molecule, and can be used to characterise the numbers of atoms in different positions in a molecule.

Theoretical aspects

The study of molecules by molecular physics and theoretical chemistry is largely based on quantum mechanics and is essential for the understanding of the chemical bond. The simplest of molecules is the hydrogen molecule-ion, H₂⁺, and the simplest of all the chemical bonds is the one-electron bond. H₂⁺ is composed of two positively charged protons and one negatively charged electron, which means that the Schrödinger equation for the system can be solved more easily due to the lack of electron–electron repulsion. With the development of fast digital computers, approximate solutions for more complicated molecules became possible and are one of the main aspects of computational chemistry.

When trying to define rigorously whether an arrangement of atoms is sufficiently stable to be considered a molecule, IUPAC suggests that it «must correspond to a depression on the potential energy surface that is deep enough to confine at least one vibrational state».^[4] This definition does not depend on the nature of the interaction between the atoms, but only on the strength of the interaction. In fact, it includes weakly bound species that would not traditionally be considered molecules, such as the helium dimer, He₂, which has one vibrational bound state^[32] and is so loosely bound that it is only likely to be observed at very low temperatures.

Whether or not an arrangement of atoms is sufficiently stable to be considered a molecule is inherently an operational definition. Philosophically, therefore, a molecule is not a fundamental entity (in contrast, for instance, to an elementary particle); rather, the concept of a molecule is the chemist’s way of making a useful statement about the strengths of atomic-scale interactions in the world that we observe.

See also

References

External links

• Molecule of the Month – School of Chemistry, University of Bristol

A molecule is a group of two or more atoms held together by attractive forces known as chemical bonds; depending on context, the term may or may not include ions which satisfy this criterion.^{[4][5][6][7][8]} In quantum physics, organic chemistry, and biochemistry, the distinction from ions is dropped and molecule is often used when referring to polyatomic ions.

A molecule may be homonuclear, that is, it consists of atoms of one chemical element, e.g. two atoms in the oxygen molecule (O₂); or it may be heteronuclear, a chemical compound composed of more than one element, e.g. water (two hydrogen atoms and one oxygen atom; H₂O). In the kinetic theory of gases, the term molecule is often used for any gaseous particle regardless of its composition. This relaxes the requirement that a molecule contains two or more atoms, since the noble gases are individual atoms.^[9] Atoms and complexes connected by non-covalent interactions, such as hydrogen bonds or ionic bonds, are typically not considered single molecules.^[10]

Concepts similar to molecules have been discussed since ancient times, but modern investigation into the nature of molecules and their bonds began in the 17th century. Refined over time by scientists such as Robert Boyle, Amedeo Avogadro, Jean Perrin, and Linus Pauling, the study of molecules is today known as molecular physics or molecular chemistry.

Etymology

According to Merriam-Webster and the Online Etymology Dictionary, the word «molecule» derives from the Latin «moles» or small unit of mass. The word is derived from French molécule (1678), from New Latin molecula, diminutive of Latin moles «mass, barrier». The word, which until the late 18th century was used only in Latin form, became popular after being used in works of philosophy by Descartes.^[11][12]

History

The definition of the molecule has evolved as knowledge of the structure of molecules has increased. Earlier definitions were less precise, defining molecules as the smallest particles of pure chemical substances that still retain their composition and chemical properties.^[13] This definition often breaks down since many substances in ordinary experience, such as rocks, salts, and metals, are composed of large crystalline networks of chemically bonded atoms or ions, but are not made of discrete molecules.

The modern concept of molecules can be traced back towards pre-scientific and Greek philosophers such as Leucippus and Democritus who argued that all the universe is composed of atoms and voids. Circa 450 BC Empedocles imagined fundamental elements (fire (), earth (), air (), and water ()) and «forces» of attraction and repulsion allowing the elements to interact.

A fifth element, the incorruptible quintessence aether, was considered to be the fundamental building block of the heavenly bodies. The viewpoint of Leucippus and Empedocles, along with the aether, was accepted by Aristotle and passed to medieval and renaissance Europe.

In a more concrete manner, however, the concept of aggregates or units of bonded atoms, i.e. «molecules», traces its origins to Robert Boyle’s 1661 hypothesis, in his famous treatise The Sceptical Chymist, that matter is composed of clusters of particles and that chemical change results from the rearrangement of the clusters. Boyle argued that matter’s basic elements consisted of various sorts and sizes of particles, called «corpuscles», which were capable of arranging themselves into groups. In 1789, William Higgins published views on what he called combinations of «ultimate» particles, which foreshadowed the concept of valency bonds. If, for example, according to Higgins, the force between the ultimate particle of oxygen and the ultimate particle of nitrogen were 6, then the strength of the force would be divided accordingly, and similarly for the other combinations of ultimate particles.

Amedeo Avogadro created the word «molecule».^[14] His 1811 paper «Essay on Determining the Relative Masses of the Elementary Molecules of Bodies», he essentially states, i.e. according to Partington’s A Short History of Chemistry, that:^[15]

The smallest particles of gases are not necessarily simple atoms, but are made up of a certain number of these atoms united by attraction to form a single molecule.

In coordination with these concepts, in 1833 the French chemist Marc Antoine Auguste Gaudin presented a clear account of Avogadro’s hypothesis,^[16] regarding atomic weights, by making use of «volume diagrams», which clearly show both semi-correct molecular geometries, such as a linear water molecule, and correct molecular formulas, such as H₂O:

In 1917, an unknown American undergraduate chemical engineer named Linus Pauling was learning the Dalton hook-and-eye bonding method, which was the mainstream description of bonds between atoms at the time. Pauling, however, wasn’t satisfied with this method and looked to the newly emerging field of quantum physics for a new method. In 1926, French physicist Jean Perrin received the Nobel Prize in physics for proving, conclusively, the existence of molecules. He did this by calculating Avogadro’s number using three different methods, all involving liquid phase systems. First, he used a gamboge soap-like emulsion, second by doing experimental work on Brownian motion, and third by confirming Einstein’s theory of particle rotation in the liquid phase.^[17]

In 1927, the physicists Fritz London and Walter Heitler applied the new quantum mechanics to the deal with the saturable, nondynamic forces of attraction and repulsion, i.e., exchange forces, of the hydrogen molecule. Their valence bond treatment of this problem, in their joint paper,^[18] was a landmark in that it brought chemistry under quantum mechanics. Their work was an influence on Pauling, who had just received his doctorate and visited Heitler and London in Zürich on a Guggenheim Fellowship.

Subsequently, in 1931, building on the work of Heitler and London and on theories found in Lewis’ famous article, Pauling published his ground-breaking article «The Nature of the Chemical Bond»^[19] in which he used quantum mechanics to calculate properties and structures of molecules, such as angles between bonds and rotation about bonds. On these concepts, Pauling developed hybridization theory to account for bonds in molecules such as CH₄, in which four sp³ hybridised orbitals are overlapped by hydrogen’s 1s orbital, yielding four sigma (σ) bonds. The four bonds are of the same length and strength, which yields a molecular structure as shown below:

Molecular science

The science of molecules is called molecular chemistry or molecular physics, depending on whether the focus is on chemistry or physics. Molecular chemistry deals with the laws governing the interaction between molecules that results in the formation and breakage of chemical bonds, while molecular physics deals with the laws governing their structure and properties. In practice, however, this distinction is vague. In molecular sciences, a molecule consists of a stable system (bound state) composed of two or more atoms. Polyatomic ions may sometimes be usefully thought of as electrically charged molecules. The term unstable molecule is used for very reactive species, i.e., short-lived assemblies (resonances) of electrons and nuclei, such as radicals, molecular ions, Rydberg molecules, transition states, van der Waals complexes, or systems of colliding atoms as in Bose–Einstein condensate.

Prevalence

Molecules as components of matter are common. They also make up most of the oceans and atmosphere. Most organic substances are molecules. The substances of life are molecules, e.g. proteins, the amino acids of which they are composed, the nucleic acids (DNA and RNA), sugars, carbohydrates, fats, and vitamins. The nutrient minerals are generally ionic compounds, thus they are not molecules, e.g. iron sulfate.

However, the majority of familiar solid substances on Earth are made partly or completely of crystals or ionic compounds, which are not made of molecules. These include all of the minerals that make up the substance of the Earth, sand, clay, pebbles, rocks, boulders, bedrock, the molten interior, and the core of the Earth. All of these contain many chemical bonds, but are not made of identifiable molecules.

No typical molecule can be defined for salts nor for covalent crystals, although these are often composed of repeating unit cells that extend either in a plane, e.g. graphene; or three-dimensionally e.g. diamond, quartz, sodium chloride. The theme of repeated unit-cellular-structure also holds for most metals which are condensed phases with metallic bonding. Thus solid metals are not made of molecules. In glasses, which are solids that exist in a vitreous disordered state, the atoms are held together by chemical bonds with no presence of any definable molecule, nor any of the regularity of repeating unit-cellular-structure that characterizes salts, covalent crystals, and metals.

Bonding

Molecules are generally held together by covalent bonding. Several non-metallic elements exist only as molecules in the environment either in compounds or as homonuclear molecules, not as free atoms: for example, hydrogen.

While some people say a metallic crystal can be considered a single giant molecule held together by metallic bonding,^[20] others point out that metals behave very differently than molecules.^[21]

Covalent

A covalent bond is a chemical bond that involves the sharing of electron pairs between atoms. These electron pairs are termed shared pairs or bonding pairs, and the stable balance of attractive and repulsive forces between atoms, when they share electrons, is termed covalent bonding.^[22]

Ionic

Ionic bonding is a type of chemical bond that involves the electrostatic attraction between oppositely charged ions, and is the primary interaction occurring in ionic compounds. The ions are atoms that have lost one or more electrons (termed cations) and atoms that have gained one or more electrons (termed anions).^[23] This transfer of electrons is termed electrovalence in contrast to covalence. In the simplest case, the cation is a metal atom and the anion is a nonmetal atom, but these ions can be of a more complicated nature, e.g. molecular ions like NH₄⁺ or SO₄²⁻. At normal temperatures and pressures, ionic bonding mostly creates solids (or occasionally liquids) without separate identifiable molecules, but the vaporization/sublimation of such materials does produce separate molecules where electrons are still transferred fully enough for the bonds to be considered ionic rather than covalent.

Molecular size

Most molecules are far too small to be seen with the naked eye, although molecules of many polymers can reach macroscopic sizes, including biopolymers such as DNA. Molecules commonly used as building blocks for organic synthesis have a dimension of a few angstroms (Å) to several dozen Å, or around one billionth of a meter. Single molecules cannot usually be observed by light (as noted above), but small molecules and even the outlines of individual atoms may be traced in some circumstances by use of an atomic force microscope. Some of the largest molecules are macromolecules or supermolecules.

The smallest molecule is the diatomic hydrogen (H₂), with a bond length of 0.74 Å.^[24]

Effective molecular radius is the size a molecule displays in solution.^[25][26]
The table of permselectivity for different substances contains examples.

Molecular formulas

Chemical formula types

The chemical formula for a molecule uses one line of chemical element symbols, numbers, and sometimes also other symbols, such as parentheses, dashes, brackets, and plus (+) and minus (−) signs. These are limited to one typographic line of symbols, which may include subscripts and superscripts.

A compound’s empirical formula is a very simple type of chemical formula.^[27] It is the simplest integer ratio of the chemical elements that constitute it.^[28] For example, water is always composed of a 2:1 ratio of hydrogen to oxygen atoms, and ethanol (ethyl alcohol) is always composed of carbon, hydrogen, and oxygen in a 2:6:1 ratio. However, this does not determine the kind of molecule uniquely – dimethyl ether has the same ratios as ethanol, for instance. Molecules with the same atoms in different arrangements are called isomers. Also carbohydrates, for example, have the same ratio (carbon:hydrogen:oxygen= 1:2:1) (and thus the same empirical formula) but different total numbers of atoms in the molecule.

The molecular formula reflects the exact number of atoms that compose the molecule and so characterizes different molecules. However different isomers can have the same atomic composition while being different molecules.

The empirical formula is often the same as the molecular formula but not always. For example, the molecule acetylene has molecular formula C₂H₂, but the simplest integer ratio of elements is CH.

The molecular mass can be calculated from the chemical formula and is expressed in conventional atomic mass units equal to 1/12 of the mass of a neutral carbon-12 (¹²C isotope) atom. For network solids, the term formula unit is used in stoichiometric calculations.

Structural formula

For molecules with a complicated 3-dimensional structure, especially involving atoms bonded to four different substituents, a simple molecular formula or even semi-structural chemical formula may not be enough to completely specify the molecule. In this case, a graphical type of formula called a structural formula may be needed. Structural formulas may in turn be represented with a one-dimensional chemical name, but such chemical nomenclature requires many words and terms which are not part of chemical formulas.

Molecular geometry

Molecules have fixed equilibrium geometries—bond lengths and angles— about which they continuously oscillate through vibrational and rotational motions. A pure substance is composed of molecules with the same average geometrical structure. The chemical formula and the structure of a molecule are the two important factors that determine its properties, particularly its reactivity. Isomers share a chemical formula but normally have very different properties because of their different structures. Stereoisomers, a particular type of isomer, may have very similar physico-chemical properties and at the same time different biochemical activities.

Molecular spectroscopy

Molecular spectroscopy deals with the response (spectrum) of molecules interacting with probing signals of known energy (or frequency, according to Planck’s formula). Molecules have quantized energy levels that can be analyzed by detecting the molecule’s energy exchange through absorbance or emission.^[31]
Spectroscopy does not generally refer to diffraction studies where particles such as neutrons, electrons, or high energy X-rays interact with a regular arrangement of molecules (as in a crystal).

Microwave spectroscopy commonly measures changes in the rotation of molecules, and can be used to identify molecules in outer space. Infrared spectroscopy measures the vibration of molecules, including stretching, bending or twisting motions. It is commonly used to identify the kinds of bonds or functional groups in molecules. Changes in the arrangements of electrons yield absorption or emission lines in ultraviolet, visible or near infrared light, and result in colour. Nuclear resonance spectroscopy measures the environment of particular nuclei in the molecule, and can be used to characterise the numbers of atoms in different positions in a molecule.

Theoretical aspects

The study of molecules by molecular physics and theoretical chemistry is largely based on quantum mechanics and is essential for the understanding of the chemical bond. The simplest of molecules is the hydrogen molecule-ion, H₂⁺, and the simplest of all the chemical bonds is the one-electron bond. H₂⁺ is composed of two positively charged protons and one negatively charged electron, which means that the Schrödinger equation for the system can be solved more easily due to the lack of electron–electron repulsion. With the development of fast digital computers, approximate solutions for more complicated molecules became possible and are one of the main aspects of computational chemistry.

When trying to define rigorously whether an arrangement of atoms is sufficiently stable to be considered a molecule, IUPAC suggests that it «must correspond to a depression on the potential energy surface that is deep enough to confine at least one vibrational state».^[4] This definition does not depend on the nature of the interaction between the atoms, but only on the strength of the interaction. In fact, it includes weakly bound species that would not traditionally be considered molecules, such as the helium dimer, He₂, which has one vibrational bound state^[32] and is so loosely bound that it is only likely to be observed at very low temperatures.

Whether or not an arrangement of atoms is sufficiently stable to be considered a molecule is inherently an operational definition. Philosophically, therefore, a molecule is not a fundamental entity (in contrast, for instance, to an elementary particle); rather, the concept of a molecule is the chemist’s way of making a useful statement about the strengths of atomic-scale interactions in the world that we observe.

See also

References

External links

• Molecule of the Month – School of Chemistry, University of Bristol

В уроке 5 «Химическая формула» из курса «Химия для чайников» дадим определение химическим формулам и их индексам, а также выясним различия химических формул веществ молекулярного и немолекулярного строения. Напоминаю, что в прошлом уроке «Сложные вещества» мы дали определение химическим соединениям, рассмотрели различия органических и неорганических соединений, а также выяснили, что означает качественный и количественный состав.

Состав любого вещества выражается в виде химической формулы.

Химическая формула — это условная запись состава вещества с помощью химических знаков и индексов.

Качественный состав показывается с помощью знаков (символов) химических элементов, а количественный — с помощью индексов, которые записываются справа и чуть ниже знаков химических элементов.

Индекс — число атомов данного химического элемента в формуле вещества.

Например, химическая формула простого вещества водорода записывается так:

и читается «аш-два».

Химические формулы веществ молекулярного строения

Формулы двухатомных молекул: кислорода — О₂ («о-два»), хлора — Сl₂ («хлор-два»), азота — N₂ («эн-два»). Трехатомная молекула озона и восьмиатомная молекула серы обозначаются формулами О₃ («о-три») и S₈ («эс-восемь»).

Формулы молекул сложных веществ также отображают их качественный и количественный состав. Например, формула воды, как вы уже, наверное, хорошо знаете, Н₂О («аш-два-о»), метана — СН₄ («це-аш-четыре»), а аммиака — NH₃ («эн-аш-три»). Точно так же читаются формулы любых сложных веществ. Например, формула серной кислоты — H₂SO₄ («аш-два-эс-о-четыре»), а глюкозы — C₆H₁₂O₆ («це-шесть-аш-двенадцать-о-шесть»).

Химические формулы веществ молекулярного строения (их называют молекулярными формулами) показывают состав элементарных частей, т. е. условных «кирпичиков», из которых состоят эти вещества. Такими элементарными составными частями (элементарными структурными единицами, или просто структурными единицами) в данном случае являются молекулы.

Химические формулы веществ немолекулярного строения

А если вещество имеет немолекулярное строение? Химические формулы простых веществ такого типа (например, металлов) записывают просто знаками соответствующих элементов без индексов (или, вернее, с индексом, равным единице, которая не записывается). Так, формула простого вещества железа — Fe, меди — Cu, алюминия — Al.

Состав сложных веществ немолекулярного строения выражают с помощью формул, которые показывают простейшее соотношение чисел атомов разных химических элементов в этих веществах. Такие формулы называются простейшими. Например, простейшая формула кварца — главной составной части речного песка — SiO₂. Она показывает, что в кристалле кварца на один атом кремния приходятся два атома кислорода, т. е. простейшее соотношение чисел атомов кремния и кислорода в этом веществе равно 1:2. Простейшая формула Al₂O₃ показывает, что в этом соединении простейшее соотношение между числами атомов алюминия и кислорода равно 2:3.

Группа атомов, состав которой соответствует простейшей формуле вещества немолекулярного строения, называется его формульной единицей.

Формульная единица, поваренной соли NaCl («натрий-хлор») — группа из одного атома натрия и одного атома хлора. Формульная единица мела CaCO₃ («кальций-це-о-три») — группа из одного атома кальция, одного атома углерода и трех атомов кислорода.

Формулы более сложных соединений немолекулярного строения читаются аналогично. Дополнительно указывается только число групп атомов, заключенных в круглые скобки: Al₂(SO₄)₃ («алюминий-два-эс-о-четыре-трижды»), Mg(NO₃)₂ («магний-эн-о-три-дважды») и т. д.

Таким образом, структурными единицами веществ молекулярного строения являются молекулы. Структурными единицами веществ немолекулярного строения являются их формульные единицы.

В таблице ниже показаны формульная запись и схематическое изображение состава веществ различного типа.

Краткие выводы урока:

1. Качественный и количественный состав вещества выражается с помощью химических формул.
2. Химическая формула вещества молекулярного строения показывает состав его молекулы, которая является элементарной структурной единицей данного вещества.
3. Химическая формула вещества немолекулярного строения показывает простейшее соотношение атомов в его формульной единице.

Надеюсь урок 5 «Химическая формула» был понятным и познавательным. Если у вас возникли вопросы, пишите их в комментарии.

2.3. Молекулы. Химические формулы.
Молекулярные массы. Элементный состав веществ

Атомы
могут соединяться друг с другом. В результате этого соединения обычно
образуются более сложные частицы – молекулы. Например:

Эти
примеры показывают, что соединяться друг с другом могут атомы одного элемента и
атомы разных элементов. Число атомов, которые соединяются друг с другом, может
быть различным.

Состав
любой молекулы можно выразить химической
формулой.

Так,
молекула водорода имеет формулу Н₂
. Число «2» в этой формуле показывает число атомов водорода в
молекуле водорода.

Числа
в химических формулах, которые показывают, сколько атомов данного элемента
входит в состав молекулы, называются индексами.

Молекула
хлороводорода
имеет формулу НСl, так как
она состоит из одного атома водорода и одного атома хлора. Молекула воды имеет
формулу Н₂О. Эта формула
показывает, что молекула воды состоит из двух атомов водорода и одного атома
кислорода.

Таким
образом, химические формулы показывают качественный и количественный состав
молекулы.

Согласно
закону постоянства состава (Ж.
Пруст, Франция, 1808 г.):

Каждое чистое
вещество имеет постоянный качественный и количественный состав, который не
зависит от способа получения вещества.

Так
как вещество состоит из одинаковых молекул, то состав молекулы определяет
состав всего вещества. Различия в химических свойствах веществ обусловлены
различиями в составе и строении молекул, из которых состоят эти вещества.
Поэтому можно сделать вывод:

Молекула – это
наименьшая частица вещества, которая сохраняет его химические свойства.

Масса
любой молекулы равна сумме масс образующих ее атомов. Если при расчете массы
молекулы используются относительные атомные массы, то получается относительная
молекулярная масса, которая обозначается символом Мr.

Например,
относительная молекулярная масса воды Н₂О равна:

Относительная
молекулярная масса сульфата железа (III)равна:

Относительная
молекулярная масса вещества Мr – это число,
которое показывает, во сколько раз абсолютная масса молекулы данного вещества
больше 1/12 части абсолютной массы атома углерода С.

Например,
относительная молекулярная масса воды Мr
(Н₂О)= 18. Это значит, что масса молекулы воды в 18 раз больше 1/12
части массы атома углерода.

Относительные
молекулярные массы, как и относительные атомные массы, являются величинами
безразмерными.

По
формуле вещества можно рассчитать массовую долю каждого химического элемента,
который входит в состав вещества.

Массовая доля (w) химического элемента в данном веществе равна
отношению относительной атомной массы данного элемента, умноженной на число его
атомов в молекуле, к относительной молекулярной массе вещества:

Массовые
доли обычно выражаются в процентах:

Рассчитаем,
например, массовые доли водорода и кислорода в воде Н₂О:

УПРАЖНЕНИЯ

Решение: Молярные массы веществ равны: М(Mn) = 55
г/моль, М(О) = 16 г/моль, M(Mn₂O₇)=2М(Mn)+7М(О)= 222
г/моль. Следовательно, масса Mn₂O₇ количеством вещества 1 моль
составляет:

m(Mn₂O₇) = M(Mn₂O₇)·n(Mn₂O₇)
= 222·1= 222 г.

Из
формулы Mn₂O₇следует, что количество вещества атомов
марганца в два раза больше количества вещества оксида марганца (VII). Значит,

n(Mn) = 2n(Mn₂O₇)
= 2 моль,

m(Mn)= n(Mn)·M(Mn) = 2·55
= 110 г.

Таким
образом, массовая доля марганца в оксиде марганца(VII) равна:

ω(X)=m(Mn) : m(Mn₂O₇)
= 110:222 = 0,495 или 49,5%.

_______________________________________________________________

Решение:  Молярная масса BaCl2 • 2H2O  составляет:
М(BaCl2 • 2H2O) = 137+ 2 • 35,5 + 2 • 18 =244 г/моль.

 Из формулы BaCl2 • 2H2O следует, что 1 моль
дигидрата хлорида бария содержит 2 моль Н2О. Отсюда можно определить 
массу воды, содержащейся в BaCl2 • 2H2O: m(H2O) = 2 • 18 = 36 г. Находим
массовую долю кристаллизационной воды в дигидрате хлорида бария  
BaCl2 • 2H2O. ω(H2O) = m(H2O)/ m(BaCl2 • 2H2O)  = 36/244 = 0,1475 =
14,75%.

_______________________________________________________________

ЗАДАНИЯ  ДЛЯ  САМОСТОЯТЕЛЬНОГО РЕШЕНИЯ

В
каком из этих веществ массовая доля азота наибольшая и в каком – наименьшая.

1.     Про молекулу нельзя сказать, что она:
а) сохраняется в химических реакциях	б) носитель химических свойств вещества
в) разрушается в химических реакциях	г) имеет тот же качественный состав, что и вещество, состоящее из данных молекул
2.     Нельзя утверждать, что в состав молекулы воды входят:
а) два атома Н и один атом О	б) молекула Н2 и один атом О
в) атомы различных химических элементов	г) атомы Н и О в массовом соотношении 1:8 соответственно
3.     Какими свойствами  не  характеризуется молекула:
а) качественным составом	б) строением
в) количественным составом	г) электрической проводимостью
4.     Что одинакового для молекул НСl  и  HBr:
а) масса	б) массовая доля водорода
в) качественный состав	г) число атомов в молекуле
5.     Что показывает химическая формула H2SO4:
а) одну молекулу серной кислоты	б) относительную атомную массу серной кислоты
в) нет верного ответа	г) пространственное строение молекулы серной кислоты
6.     Какие свойства характеризуют и молекулу, и вещество, состоящее из этих молекул:
а) качественный состав	б) электрическая проводимость
в) физические свойства	г) агрегатное состояние
7.     Массовая доля хлора в его оксиде равна 59,66 %. Укажите формулу оксида:
а) Cl2O	б)  Cl2O3
в) Cl2O5	г)  Cl2O7
8.     Какова формула оксида железа, в котором массовая доля железа в 2,333 раза больше массовой доля кислорода:
а)  FeO	б)  Fe2O3
в)  Fe3O4	г)  FeO3
9.     Ка­ко­ва мас­со­вая доля во­до­ро­да в воде Н2О:
а) 11	б) 10
в) 15	г)12
10.                        Рас­счи­тай­те мас­со­вую долю фосфора в ве­ще­стве H3PO4:
а) 32	б) 65
в) 36	г) 17

Ответы:

1	а
2	б
3	г
4	г
5	а
6	а
7	б
8	б
9	а
10	а

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 Брутто-фломула 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 Брутто-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 Брутто-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 Брутто-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 Брутто-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 Брутто-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

Одним из основополагающих понятий современной науки является понятие молекулы. Его введение европейскими учеными в 1860 г. дало толчок к развитию не только химии и физики, но и других естественных наук. 

Молекулой, в наиболее общем определении, называется частица, образованная из нескольких (двух или более) атомов, объединенных между собой ковалентными связями. Она не имеет электрического заряда, все электроны в её составе имеют пару. 

Молекулы, несущие заряд, называются ионами, неспаренные электроны – радикалами. Качественный и количественный состав их стабилен. Количество ядер атомов, электронов и их взаимное расположение позволяют отличать молекулы разных веществ друг от друга.

Что такое молекула в физике

В физике этим понятием оперируют при изучении свойств разных сред (газы, жидкости) и твердых тел. 

Также их свойствами объясняются явления диффузии, теплопроводности и вязкость веществ.

Что такое молекула в химии

Учение о молекулах для химической науки является одним из самых главных. Именно химические исследования дали важнейшие сведения о составе и свойствах этой мельчайшей единицы вещества. 

При прохождении химического превращения молекулы обмениваются атомами, распадаются. Поэтому знания о строении и состоянии этих частиц лежат в основе изучения химии веществ и их превращений.

На основании знаний о проходящей химической реакции можно предсказать строение молекул веществ, в ней участвующих. Противоположное заключение тоже будет верным: на основании сведений о строении молекулы вещества реально предсказать его поведение во время химической реакции.

Строение молекулы           

Понятие о строении включает геометрическую структуру и распределение электронной плотности.

В качестве примера рассмотрим строение наименьшей частицы воды.

Существует несколько способов взаимодействия атомов. Основным способом являются химические связи, благодаря им поддерживается стабильное существование молекул. Прочие (неосновные) взаимодействия происходят между теми атомами, которые не связаны непосредственно.

Виды химической связи:

1. Металлическая — ядра атомов металлов, расположенные в узлах кристаллических решёток, объединены общим облаком электронов.

2. Водородная — основана на способности атома водорода образовывать дополнительную связь при смещении от него электронной плотности.

3. Ионная — имеет электрическую природу. Сильно поляризована. Возникает при притяжении ионов, несущих противоположный заряд.

4. Ковалентная — может быть полярной и неполярной. Образуется за счет пары электронов, совместно принадлежащей двум атомам. Отличается наибольшей устойчивостью и энергетической емкостью.

Связи характеризуются следующими показателями:

• длина – степень удаления друг от друга ядер атомов, образовавших связь;

• энергия – сила, прилагаемая для разрушения связи;

• полярность – смещение электронного облака к одному из атомов;

• порядок или кратность – количество пар электронов, образовавших связь.

Строение молекул условно отражается структурными формулами. Основные взаимодействия атомов, при составлении таких формул, отображается черточками. В таких формулах связи образуют неразрывную цепь и иллюстрируют валентности образовавших их элементов (атомов). 

Структурные формулы также отражают то, как выглядит молекула (линейная, циклическая, наличие радикалов и т. д.).

Строение частицы вещества активно изучается. Для этого используют различные экспериментальные и теоретические методы. К экспериментальным относят рентгеновский структурный анализ, спектроскопия, массспектрометрия и др. К теоретическим — расчётные методы квантовой химии.

Масса (размер) молекулы

В зависимости о количества ядер атомов, входящих в их состав, можно выделить молекулы двухатомные, трехатомные и т. д. 

В том случае, если количество атомов велико, молекула носит название макромолекулы.

Путем сложения масс атомов, входящих в состав частицы, можно определить молекулярную массу. В зависимости от её величины, все вещества делят на высоко- и низкомолекулярные.

Свойства молекулы

Современная наука выделяет следующие свойства молекул:

1. Электрические — этими свойствами определяется то, как ведет себя вещество в электрическом поле. Атомы, входящие в состав молекулы, состоят, в свою очередь, из положительно заряженного ядра и электронов, несущих отрицательный заряд. Эти заряды внутри самой молекулы располагаются неравномерно, в связи с этим возникает так называемый дипольный момент и смещение электронной плотности в сторону одного из атомов.

2. Оптические — дают характеристику того, как ведет себя вещество в поле световой волны. К оптическим свойствам относят способность поляризовать свет, преломлять его и рассеивать.

3. Магнитные — объясняются распределением электронов в атомах.

Различают вещества:

• диамагнитные — парных электронов нет;

• парамагнитные — имеются непарные электроны.

Знания о свойствах и строении молекул являются основополагающими для развития теоретических и прикладных наук и играют важную роль в жизни человека.

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.