Вывод химических формул
Чтобы вывести формулу сложного вещества, нужно прежде всего путем анализа установить, из каких элементов состоит вещество и в каких весовых отношениях соединены друг с другом входящие в него элементы.
Обычно состав сложного вещества выражают в процентах, но он может быть выражен и в любых других числах, указывающих отношение между весовыми количествами элементов, образующих данное вещество.
Например, состав окиси алюминия, содержащей 52,94% алюминия и 47,06% кислорода, будет вполне определен, если мы скажем, что алюминий и кислород соединены в весовом отношении 9:8, т. е. что на 9 вес. ч. алюминия приходится 8 вес. ч. кислорода. Понятно, что отношение 9: 8 должно равняться отношению 52,94 : 47,06.
Зная весовой состав сложного вещества и атомные веса образующих его элементов, нетрудно найти относительное число атомов каждого элемента в молекуле взятого вещества и таким образом установить его простейшую формулу.
Пример вывода химических формул
что требуется вывести формулу хлористого кальция, содержащего 36% кальция и 64% хлора. Атомный вес кальция 40, хлора 35,5.
Обозначим число атомов кальция в молекуле хлористого кальция через х, а число атомов хлора через у. Так как атом кальция весит 40, а атом хлора 35,5 кислородных единиц, то общий вес атомов кальция, входящих в состав молекулы хлористого кальция, будет равен 40 х, а вес атомов хлора 35,5 у. Отношение этих чисел, очевидно, должно равняться отношению весовых количеств кальция и хлора в любом количестве хлористого кальция. Но последнее отношение равно 36 : 64.
Приравняв оба отношения, получим:
40x: 35,5y = 36:64
Затем освободимся от коэффициентов при неизвестных х и у путем деления первых членов пропорции на 40, а вторых на 35,5:
Числа 0,9 и 1,8 выражают относительное число атомов в молекуле хлористого кальция, но они дробны, тогда как в молекуле может содержаться только целое число атомов. Чтобы выразить отношение х :у двумя целыми числами, делим оба члена второго отношения на наименьший из них. Получаем
х: у = 1 : 2
Следовательно, в молекуле хлористого кальция на один атом кальция приходятся два атома хлора. Этому условию удовлетворяет целый ряд формул: СаСl2, Са2Сl4, Са3Сl6 и т. д. Так как у нас нет данных, чтобы судить, какая из написанных формул отвечает действительному атомному составу молекулы хлористого кальция, то мы остановимся на простейшей из них СаСl2, указывающей наименьшее возможное число атомов в молекуле хлористого кальция.
Однако произвол в выборе формулы отпадает, если наряду с весовым составом вещества известен также его молекулярный вес. В этом случае нетрудно вывести формулу, выражающую истинный состав молекулы. Приведем пример.
Путем анализа установлено, что глюкоза содержит на 4,5 вес. ч. углерода 0,75 вес. ч. водорода и 6 вес. ч. кислорода. Молекулярный вес ее был найден равным 180. Требуется вывести формулу глюкозы.
Как и в предыдущем случае, находим сперва отношение между числом атомов углерода (атомный вес 12), водорода и кислорода в молекуле глюкозы. Обозначив число атомов углерода через х, водорода через у и кислорода через z, составляем пропорцию:
2х:у: 16z = 4,5 : 0,75 : 6
откуда
Разделив все три члена второй половины равенства на 0,375, получаем:
х :у:z= 1 : 2 : 1
Следовательно, простейшая формула глюкозы будет СН2O. Но вычисленный по ней молекулярный вес равнялся бы 30, тогда как в действительности молекулярный вес глюкозы 180, т. е. в шесть раз больше. Очевидно, что для глюкозы нужно принять формулу C6H12O6.
Формулы, основанные, кроме данных анализа, также и на определении молекулярного веса и указывающие действительное число атомов в молекуле, называются истинными или молекулярными формулами; формулы же, выведенные только из данных анализа, называются простейшими или эмпирическими.
Познакомившись с выводом химических формул, легко понять, как устанавливаются точные молекулярные веса. Как мы уже упоминали, существующие методы определения молекулярных весов в большинстве случаев не дают вполне точных результатов. Но, зная хотя бы приблизительный молекулярный вес и процентный состав вещества, можно установить его формулу, выражающую атомный состав молекулы.
Так как вес молекулы равняется сумме весов образующих ее атомов, то, сложив веса атомов, входящих в состав молекулы, мы определим ее вес в кислородных единицах, т. е. молекулярный вес вещества. Точность найденного молекулярного веса будет такой же, как и точность атомных весов.
Нахождение формулы химического соединения во многих случаях может быть значительно упрощено, если воспользоваться понятием о валентности элементов.
Напомним, что валентностью элемента называется свойство его атомов присоединять к себе или замещать определенное число атомов другого элемента.
Что такое валентность
Валентность элемента определяется числом, показывающим, сколько атомов водорода (или другого одновалентного элемента) присоединяет или замещает атом данного элемента.
Понятие о валентности распространяется не только на отдельные атомы, но и на целые группы атомов, входящие в состав химических соединений и участвующие как одно целое в химических реакциях. Такие группы атомов получили название радикалов. В неорганической химии наиболее важными радикалами являются: 1) водный остаток, или гидроксил ОН; 2) кислотные остатки; 3) основные остатки.
Водный остаток, или гидроксил, получается, если от молекулы воды отнять один атом водорода. В молекуле воды гидроксил связан с одним атомом водорода, следовательно, группа ОН одновалентна.
Кислотными остатками называются группы атомов (а иногда и один атом), «остающиеся» от молекул кислот, если мысленно отнять от них один или несколько атомов водорода, замещаемых металлом. Валентность этих групп определяется числом отнятых атомов водорода.
Например, серная кислота дает два кислотных остатка — один двухвалентный SO4 и другой одновалентный HSO4,входящий в состав различных кислых солей. Фосфорная кислота Н3РО4 может дать три кислотных остатка: трехвалентный РО4,двухвалентный НРО4 и одновалентный Н2РО4 и т. д.
Основными остатками мы будем называть; атомы или группы атомов, «остающиеся» от молекул оснований, если мысленно отнять от них один или несколько гидроксилов. Например, последовательно отнимая от молекулы Fe(OH)3 гидроксилы, получаем следующие основные остатки: Fe(OH)2, FeOH и Fe. Валентность их определяется числом отнятых гидроксильных групп:Fe(OH)2 — одновалентен; Fe(OH)—двухвалентен; Fe — трехвалентен.
Основные остатки, содержащие гидроксильные группы, входят в состав так называемых основных солей. Последние можно рассматривать как основания, в которых часть гидроксилов замещена кислотными остатками. Так, при замещении двух гидроксилов в Fe(OH)3 кислотным остатком SO4 получается основная соль FeOHSO4, при замещении одного гидроксила в Bi(OH)3 кислотным остатком NO3 получается основная соль Bi(OH)2NO3 и т.д.
Знание валентностей отдельных элементов и радикалов позволяет в простых случаях быстро составлять формулы очень многих химических соединений, что освобождает химика от необходимости механически их заучивать.
Так как составление простейших формул — окислов, оснований и нормальных солей хорошо известно из элементарного курса химии, то мы ограничимся здесь лишь примерами составления формул кислых и основных солей.
Химические формулы
Пример составления химической формулы
Составить формулу гидрокарбоната кальция — кислой соли угольной кислоты.
В состав этой соли должны входить атомы кальция и одновалентные кислотные остатки НСО3. Так как кальций двухвалентен, то на один атом кальция надо взять два кислотных остатка. Следовательно, формула соли будет Са(НСО3)г.
Промер 2. Составить формулу основного карбоната меди — основной медной соли угольной кислоты.
Эта соль должна состоять из одновалентных основных остатков СuОН и двухвалентных кислотных остатков СО3. Поэтому формула соли будет (СuОН)2СО3 или Сu2(ОН)2СО3.
Правило составления формул по валентности приобретает большую наглядность, если изображать состав молекул так называемыми структурными формулами. Примерами структурных формул некоторых простейших соединений могут служить следующие:
