Глава 2. Основы химического языка и первоначальные сведения о классификации индивидуальных химических веществ

 

 

2.1. Химический язык и его части  

Человечество использует много разных языков. Кроме естественных языков (японского, английского, русского – всего более 2,5 тысяч), существуют еще и искусственные языки, например, эсперанто. Среди искусственных языков выделяются языки  различных наук. Так, в химии используется свой, химический язык.

Химический язык – система условных обозначений и понятий, предназначенная для краткой, ёмкой и наглядной записи и передачи химической информации.

Сообщение, написанное на большинстве естественных языков, делится на предложения, предложения – на слова, а слова – на буквы. Если предложения, слова и буквы мы назовем частями языка, то тогда мы сможем выделить аналогичные части и в химическом языке (таблица 2).

  Таблица 2. Части химического языка  

 

Информация об атомах и химических элементах (" буквы" химического языка)	Информация о химических веществах (" слова" химического языка)	Информация о химических реакциях (" предложения" химического языка)
СИМВОЛЫ ХИМИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТОВ	ХИМИЧЕСКИЕ ФОРМУЛЫ	СХЕМЫ И УРАВНЕНИЯ ХИМИЧЕСКИХ РЕАКЦИЙ

Любым языком овладеть сразу невозможно, это относится и к химическому языку. Поэтому пока вы познакомитесь только с основами этого языка: выучите некоторые " буквы", научитесь понимать смысл " слов" и" предложений". В конце этой главы вы познакомитесь с названиями  химических веществ – неотъемлемой частью химического языка. По мере изучения химии ваше знание химического языка будет расширяться и углубляться.

 

ХИМИЧЕСКИЙ ЯЗЫК.

 

1.Какие искусственные языки вы знаете (кроме названных в тексте учебника)?

2.Чем естественные языки отличаются от искусственных?

3.Как вы думаете, можно ли при описании химических явлений обходиться без использования химического языка? Если нет, то почему? Если да, то в чем будут заключаться преимущества, а в чем недостатки такого описания?

2.2. Символы химических элементов  

 

Символ химического элемента – условное обозначение химического элемента.

Символ химического элемента обозначает сам элемент или один атом этого элемента.

Каждый такой символ представляет собой сокращенное латинское название химического элемента, состоящее из одной или двух букв латинского алфавита (латинский алфавит см. в приложении 1). Символ пишется с прописной буквы. Символы, а также русские и латинские названия некоторых элементов, приведены в таблице 3. Там же даны сведения о происхождении латинских названий. Общего правила произношения символов не существует, поэтому в таблице 3 приводится и " чтение" символа, то есть, как этот символ читается в химической формуле.

Заменять символом название элемента в устной речи нельзя, а в рукописных или печатных текстах это допускается, но не рекомендуется.В настоящее время известно 110 химических элементов, у 109 из них есть названия и символы, утвержденные Международным союзом теоретической и прикладной химии (ИЮПАК).

В таблице 3 приведена информация только о 33 элементах. Это те элементы, которые при изучении химии вам встретятся в первую очередь. Русские названия (в алфавитном порядке) и символы всех элементов приведены в приложении 2.

  Таблица 3. Названия и символы некоторых химических элементов  

 

 

 

 

 

Название		Символ
Русское
Латинское	Написание	Чтение
-	Написание	Происхождение	-	-
Азот	N itrogenium	От греч. " рождающий селитру"	N	" эн"
Алюминий	Al uminium	От лат. " квасцы"	Al	" алюминий"
Аргон	Ar gon	От греч. " недеятельный"	Ar	" аргон"
Барий	Ba rium	От греч. " тяжелый"	Ba	" барий"
Бор	B orum	От арабск. " белый минерал"	B	" бор"
Бром	Br omum	От греч. " зловонный"	Br	" бром"
Водород	H ydrogenium	От греч. " рождающий воду"	H	" аш"
Гелий	He lium	От греч. " Солнце"	He.	" гелий"
Железо	Fe rrum	От лат. " меч"	Fe	" феррум"
Золото	Au rum	От лат. " горящий"	Au	" аурум"
Йод	I odum	От греч. " фиолетовый"	I	" йод"
Калий	K alium	От арабск. " щёлочь"	К	" калий"
Кальций	Ca lcium	От лат. " известняк"	Ca	" кальций"
Кислород	O xygenium	От греч. " рождающий кислоты"	O	" о"
Кремний	Si licium	От лат. " кремень"	Si	" силициум"
Криптон	Kr ypton	От греч. " скрытый"	Kr	" криптон"
Магний	M ag nesium	От назв. полуострова Магнезия	Mg	" магний"
Марганец	M an ganum	От греч. " очищающий"	Mn	" марганец"
Медь	Cu prum	От греч. назв. о. Кипр	Сu	" купрум"
Натрий	Na trium	От арабск, " моющее средство"	Na	" натрий"
Неон	Ne on	От греч. " новый"	Ne	" неон"
Никель	Ni ccolum	От нем. " медь святого Николая"	Ni	" никель"
Ртуть	H ydrarg yrum	Лат. " жидкое серебро"	Hg	" гидраргирум"
Свинец	P lumb um	От лат. названия сплава свинца с оловом.	Pb	" плюмбум"
Сера	S ulfur	От санскриттского " горючий порошок"	S	" эс"
Серебро	A rg entum	От греч. " светлый"	Ag	" аргентум"
Углерод	C arboneum	От лат. " уголь"	С	" цэ"
Фосфор	P hosphorus	От греч. " несущий свет"	P	" пэ"
Фтор	F luorum	От лат. глагола " течь"	F	" фтор"
Хлор	Cl orum	От греч. " зеленоватый"	Cl	" хлор"
Хром	C hr omium	От греч. " краска"	Cr	" хром"
Цезий	C aes ium	От лат. " небесно-голубой"	Cs	" цезий"
Цинк	Z in cum	От нем. " олово"	Zn	" цинк"

2.3. Химические формулы

Для обозначения химических веществ используют химические формулы.

 

Химическая формула – сложный знак химического языка,который используется для передачи информации о веществе.

Для молекулярных веществ химическая формула может обозначать и одну молекулу этого вещества.

Информация о веществе может быть разной, поэтому существуют разные типы химических формул.

В зависимости от полноты информации химические формулы делятся на четыре основных типа: простейшие, молекулярные, структурные  и пространственные.

 

Простейшая формула – химическая формула, составленная из символов химических элементов и таких подстрочных индексов, отношение которых равно отношению чисел атомов соответствующих элементов в этом веществе.

Подстрочные индексы в простейшейформуле не имеют общего делителя.

Индекс " 1" в формулах не ставится.

Примеры простейших формул: вода – Н₂О, кислород – О, сера – S, оксид фосфора – P₂O₅, бутан – C₂H₅, фосфорная кислота – H₃PO₄, хлорид натрия (поваренная соль) – NaCl.

Простейшая формула воды (Н₂О) показывает, что в состав воды входит элемент водород  (Н) и элемент кислород (О), причем в любой порции (порция – часть чего-либо, что может быть разделено без утраты своих свойств.) воды число атомов водорода в два раза больше числа атомов кислорода.

Число частиц, в том числе и число атомов, обозначается латинской буквой N. Обозначив число атомов водорода – N _H, а число атомов кислорода – N _O, мы можем записать, что

 

, или N _H: N _O = 2: 1.

Простейшая формула фосфорной кислоты (Н₃РО₄) показывает, что в состав фосфорной кислоты входят атомы водорода, атомы фосфора и атомы кислорода, причем отношение чисел атомов этих элементов в любой порции фосфорной кислоты равно 3:1:4, то есть

    N _H: N _P: N _O = 3: 1: 4.

 

 

Простейшая формула может быть составлена для любого индивидуального химического вещества, а для молекулярного вещества, кроме того, может быть составлена молекулярная формула.

 

Молекулярная формула – химическая формула, составленная из символов химических элементов и таких подстрочных индексов, каждый из которых равен числу атомов соответствующего элемента в молекуле вещества.

Примеры молекулярных формул: вода – H₂O, кислород – O₂, сера – S₈, оксид фосфора – P₄O₁₀, бутан – C₄H₁₀, фосфорная кислота – H₃PO₄.

 

Вода H2O В молекуле воды: 2 атома водорода; 1 атом кислорода.

Фосфорная кислота H3PO4 В молекуле фосфорной кислоты: 3 атома водорода; 1 атом фосфора; 4 атома кислорода.

Бутан C4H10 В молекуле бутана: 4 атома углерода; 10 атомов водорода.

У немолекулярных веществ молекулярных формул нет.

Последовательность записи символов элементов в простейших и молекулярных формулах определяется правилами химического языка, с которыми вы познакомитесь по мере изучения химии. На информацию, передаваемую этими формулами, последовательность символов влияния не оказывает.

 

Структурная формула – химическая формула, составленная из символов химических элементов и специальных знаков, отражающих строение данного химического вещества, исключая взаимное расположение атомов в пространстве.

Из знаков, отражающих строение веществ, мы будем использовать пока только валентный штрих (" черточку"). Этот знак показывает наличие между атомами так называемой ковалентной связи (что это за тип связи и каковы его особенности, вы скоро узнаете).

 

 

В молекуле воды атом кислорода связан простыми (одинарными) связями с двумя атомами водорода, а атомы водорода между собой не связаны. Именно это наглядно показывает структурная формула воды.

 

Другой пример: молекула серы S₈. В этой молекуле 8 атомов серы образуют восьмичленный цикл, в котором каждый атом серы связан с двумя другими атомами простыми связями. Сравните структурную формулу серы с объемной моделью ее молекулы, показанной на рис. 3. Обратите внимание на то, что структурная формула серы не передает форму ее молекулы, а показывает только последовательность соединения атомов ковалентными связями.

 

 

Структурная формула фосфорной кислоты показывает, что в молекуле этого вещества один из четырех атомов кислорода связан только с атомом фосфора двойной связью, а атом фосфора, в свою очередь, связан еще с тремя атомами кислорода простыми связями. Каждый из этих трех атомов кислорода, кроме того, связан простой связью с одним из трех имеющихся в молекуле атомов водорода.

 

Пространственная формула – химическая формула, составленная из символов элементов и специальных знаков, отражающих строение данного вещества, включая взаимное пространственное расположение атомов в молекулах этого вещества (или других сложных частицах).

Сравните приведенную ниже объемную модель молекулы метана с его пространственной, структурной и молекулярной формулой:

 

CH4

В пространственной формуле метана клиновидныевалентные штрихи как бы в перспективе показывают, какой из атомов водорода находится " ближе к нам", а какой " дальше от нас".

Иногда в пространственной формуле указывают длины связей и значения углов между связями в молекуле, как это показано на примере молекулы воды.

 

 

Немолекулярные вещества не содержат молекул. Для удобства проведения химических расчетов в немолекулярном веществе выделяют так называемую формульную единицу.

 

Формульная единица – группа атомов, входящих в состав немолекулярного вещества, соответствующая простейшей формуле этого вещества.

Примеры состава формульных единиц некоторых веществ: 1) диоксид кремния (кварцевый песок, кварц) SiO₂ – формульная единица состоит из одного атома кремния и двух атомов кислорода; 2) хлорид натрия (поваренная соль) NaCl – формульная единица состоит из одного атома натрия и одного атома хлора; 3) железо Fe – формульная единица состоит из одного атома железа.Как и молекула, формульная единица – наименьшая порция вещества, сохраняющая его химические свойства.

  Таблица 4

  Информация, передаваемая формулами разных типов

 

 

Структурная

Пространственная

 

Тип формулы	Информация, передаваемая формулой.
ПростейшаяМолекулярная
	* Атомы каких элементов входят в состав вещества. * Соотношения между числами атомов этих элементов. * Число атомов каждого из элементов в молекуле. * Типы химических связей. * Последовательность соединения атомов ковалентными связями. * Кратность ковалентных связей. * Взаимное расположение атомов в пространстве. * Длины связей и углы между связями (если указаны).

Рассмотрим теперь на примерах, какую информацию дают нам формулы разных типов.

1. Вещество: уксусная кислота. Простейшая формула – СН₂О, молекулярная формула – C₂H₄O₂, структурная формула

 

 

Простейшая формула говорит нам, что

1) в состав уксусной кислоты входит углерод, водород и кислород;

2) в этом веществе число атомов углерода относится к числу атомов водорода и к числу атомов кислорода, как 1:2:1, то есть N _H: N _C: N _O = 1:2:1.

Молекулярная формула добавляет, что

3) в молекуле уксусной кислоты – 2 атома углерода, 4 атома водорода и 2 атома кислорода.

Структурная формула добавляет, что

4, 5) в молекуле два атома углерода связаны между собой простой связью; один из них, кроме этого, связан с тремя атомами водорода, с каждым простой связью, а другой – с двумя атомами кислорода, с одним – двойной связью, а с другим – простой; последний атом кислорода связан еще простой связью с четвертым атомом водорода.

2. Вещество: хлорид натрия. Простейшая формула – NaCl.

1) В состав хлорида натрия входит натрий и хлор.

2) В этом веществе число атомов натрия равно числу атомов хлора.

3. Вещество: железо. Простейшая формула – Fe.

1) В состав этого вещества входит только железо, то есть это простое вещество.

4. Вещество: триметафосфорная кислота. Простейшая формула – HPO₃, молекулярная формула – H₃P₃O₉, структурная формула

 

 

1) В состав триметафосфорной кислоты входит водород, фосфор и кислород.

2) N _H: N _P: N _O = 1:1:3.

3) Молекула состоит из трех атомов водорода, трех атомов фосфора и девяти атомов кислорода.

4, 5) Три атома фосфора и три атома кислорода, чередуясь, образуют шестичленный цикл. Все связи в цикле простые. Каждый атом фосфора, кроме того, связан еще с двумя атомами кислорода, причем с одним – двойной связью, а с другим – простой. Каждый из трех атомов кислорода, связанных простыми связямис атомами фосфора, связан еще простой связью с атомом водорода.

 

Фосфорная кислота – H3PO4 (другое название – ортофосфорная кислота) – прозрачное бесцветное кристаллическое вещество молекулярного строения, плавящееся при 42 oС. Это вещество очень хорошо растворяется в воде и даже поглощает пары воды из воздуха (гигроскопично). Фосфорную кислоту производят в больших количествах и используют прежде всего в производстве фосфорных удобрений, а также в химической промышленности, при производстве спичек и даже в строительстве. Кроме того, фосфорная кислота применяется при изготовлении цемента в зубоврачебной технике, входит в состав многих лекарственных средств. Эта кислота достаточно дешева, поэтому в некоторых странах, например в США, очень чистая сильно разбавленная водой фосфорная кислота добавляется в освежающие напитки для замены дорогой лимонной кислоты.

Метан – CH4. Если у вас дома есть газовая плита, то с этим веществом вы сталкиваетесь ежедневно: природный газ, который горит в конфорках вашей плиты, на 95 % состоит из метана. Метан – газ без цвета и запаха с температурой кипения –161 oС. В смеси с воздухом он взрывоопасен, этим и объясняются происходящие иногда в угольных шахтах взрывы и пожары (другое название метана – рудничный газ). Третье название метана – болотный газ – связано с тем, что пузырьки именно этого газа поднимаются со дна болот, где он образуется в результате деятельности некоторых бактерий. В промышленности метан используется как топливо и сырье для производства других веществ.Метан является простейшим углеводородом. К этому классу веществ относятся также этан (C2H6), пропан (C3H8), этилен (C2H4), ацетилен (C2H2) и многие другие вещества.

  Таблица 5. Примеры формул разных типов для некоторых веществ  

 

   

 

Название	Химические формулы
вещества
Простейшая	Молекулярная	Структурная	Пространственная
Водород	H	H2	H-----H	H-----H
Белый фосфор	P	P4
Алмаз	C	—	?	—
Железо	Fe	—	—	—
Хлороводород	HCl	HCl	H-----Cl	H-----Cl
Хлорид натрия	NaCl	—	?	—
Гидроксид натрия	NaOH	—	?	—
Формальдегид	CH2O	CH2O
Уксусная кислота	CH2O	C2H4O2
Метилформиат	CH2O	C2H4O2

 

ХИМИЧЕСКАЯ ФОРМУЛА, ПРОСТЕЙШАЯ ФОРМУЛА, МОЛЕКУЛЯРНАЯ ФОРМУЛА, СТРУКТУРНАЯ ФОРМУЛА, ПРОСТРАНСТВЕННАЯ ФОРМУЛА, ФОРМУЛЬНАЯ ЕДИНИЦА.

 

1.Что вы можете сказать о веществах со следующими простейшими формулами: CO₂, СН₂О, Al₂O₃?

2.Какую информацию вы получаете, глядя на следующие молекулярные формулы: H₂SO₄, COCl₂, C₃H₆O?

3.Для веществ со структурными формулами

 

составьте молекулярные и простейшие формулы. Какую информацию об этих веществах сообщили вам эти формулы? Достаточно ли для идентификации каждого из этих веществ простейшей формулы? А молекулярной?

4.Запишите информацию о последовательности соединения атомов в молекуле и кратности связей для молекул следующих веществ:

пероксид водорода H — O — O — H

дисерная кислота

 

 

ацетон 

 

5.Отношение чисел атомов элементов в немолекулярном веществе N _Fe: N _S: N _O = 2: 3: 12.

Определите состав формульной единицы этого вещества.

6.Пространственная формула пероксида водорода

 

 

Какими количественными характеристиками ее нужно снабдить для полного описания строения молекулы этого вещества?

7.Внимательно прочитайте текст параграфа и определите, где при упоминании кислорода, водорода, серы, фосфора, углерода и т. п. имеется в виду химический элемент с таким названием, а где – простое вещество.