Химические формулы для «чайников»

Обзор

Химическая формула идентифицирует каждый составной элемент по его химическому символу и указывает пропорциональное количество атомов каждого элемента. В эмпирических формулах эти пропорции начинаются с ключевого элемента, а затем присваиваются номера атомов других элементов в соединении по соотношениям с ключевым элементом. Для молекулярных соединений все эти числа отношения могут быть выражены целыми числами. Например, эмпирическая формула этанола может быть записана как C ₂ H ₆ O, потому что все молекулы этанола содержат два атома углерода, шесть атомов водорода и один атом кислорода. Однако некоторые типы ионных соединений нельзя записать полностью целочисленными эмпирическими формулами. Примером является карбид бора , формула CB _{n которого} представляет собой переменное нецелочисленное отношение с n в диапазоне от более 4 до более 6,5.

Когда химическое соединение формулы состоит из простых молекул , химические формулы часто используют способы предположить структуру молекулы. Эти типы формул известны как молекулярные формулы и сокращенные формулы . Молекулярная формула подсчитывает количество атомов, отражающих атомы в молекуле, так что молекулярная формула глюкозы — C ₆ H ₁₂ O _6, а не эмпирическая формула глюкозы, которая представляет собой CH ₂ O. Однако, за исключением очень простых веществ, В молекулярных химических формулах отсутствует необходимая структурная информация, и они неоднозначны.

Для простых молекул сжатая (или полуструктурная) формула — это тип химической формулы, которая может полностью подразумевать правильную структурную формулу. Например, этанол может быть представлен конденсированной химической формулой CH ₃ CH ₂ OH, а диметиловый эфир — конденсированной формулой CH ₃ OCH ₃ . Эти две молекулы имеют одинаковые эмпирические и молекулярные формулы (C ₂ H ₆ O), но их можно различить по показанным сокращенным формулам, которых достаточно для представления полной структуры этих простых органических соединений .

Конденсированные химические формулы также могут использоваться для представления ионных соединений, которые не существуют в виде дискретных молекул, но, тем не менее, содержат в себе ковалентно связанные кластеры. Эти многоатомные ионы представляют собой группы атомов, которые ковалентно связаны вместе и имеют общий ионный заряд, такие как сульфат [SO₄]2−ион. Каждый многоатомный ион в соединении записан индивидуально, чтобы проиллюстрировать отдельные группы. Например, соединение гексоксида дихлора имеет эмпирическую формулу ClO₃, и молекулярная формула Cl₂О₆, но в жидкой или твердой форме это соединение более правильно показать ионной конденсированной формулой [ClO₂]+[ClO₄]-, который показывает, что это соединение состоит из [ClO₂]+ионы и [ClO₄]-ионы. В таких случаях сжатая формула должна быть достаточно сложной, чтобы показать, по крайней мере, одну из каждой ионной разновидности.

Химические формулы, описанные здесь, отличаются от гораздо более сложных химических систематических названий, которые используются в различных системах химической номенклатуры . Например, одно систематическое название глюкозы — (2 R , 3 S , 4 R , 5 R ) -2,3,4,5,6-пентагидроксигексанал. Это имя, интерпретируемое в соответствии с лежащими в его основе правилами, полностью определяет структурную формулу глюкозы, но это имя не является химической формулой, как обычно понимается, и использует термины и слова, не используемые в химических формулах. Такие имена, в отличие от базовых формул, могут представлять полные структурные формулы без графиков.

Решение задач по химии

Химические формулы

· Формула и валентность
· Вывод эмпирических формул
· Вывод молекулярных формул
· Расчёты при помощи моля
· Молярный объем газов
· Расчёты по молекулярным уравнениям
· Расчёты по термохимическим уравнениям
· Расчёты по массовым долям
· Электролитическая диссоциация
· Смещение химического равновесия

Справочный материал

· Периодическая таблица элементов
· Таблица степеней окисления
· Таблица растворимости солей
· Таблица электроотрицательности элементов
· Распределение электронов в атоме по энергетическим уровням
· Электронные конфигурации атомов по периодам
· Таблица названий кислот и их анионов

Международная

Ее полное название — систематическая международная номенклатура химических соединений ИЮПАК (IUPAC, International Unionof Pureand Applied Chemistry, Международного союза теоретической и прикладной химии). Она разработана и рекомендована съездами ИЮПАК в 1957 и 1965 годах. Правила международной номенклатуры, опубликованные в 1979 году, были собраны в «Синей книге» (BlueBook).

Фундаментом систематической номенклатуры химических соединений является современная теория строения и классификации органических веществ. Данная система ставить целью перед собой решение основной проблемы номенклатуры: наименование всех органических соединений должно включать в себя правильные названия заместителей (функций) и их опоры — углеводородного скелета. Оно должно быть таким, чтобы по нему можно было определить единственно верную структурную формулу.

Стремление создать унитарную химическую номенклатуру для органических соединений зародилось в 80-е годы XIX века. Это произошло после создания Александром Михайловичем Бутлеровым теории химического строения, в которой было четыре основных положения, рассказывающих о порядке атомов в молекуле, явлении изомерии, взаимосвязи строения и свойств вещества, а также о влиянии атомов друг на друга. Данное событие произошло в 1892 году на съезде ученых-химиков в Женеве, который утвердил правила номенклатуры органических соединений. Эти правила вошли в органику под названием Женевская номенклатура. На ее основе был создан популярный справочник Бейльштейна.

Естественно то, что со временем количество органических соединений росло. По этой причине и номенклатура все время усложнялась, и возникали новые дополнения, которые были озвучены и приняты на очередном съезде, состоявшемся в 1930 году в городе Льеже. Нововведения основывались на удобстве и лаконичности. И теперь систематическая международная номенклатура вобрала в себя некоторые положения как женевской, так и льежской.

Таким образом, в этих трех типах систематизации и заключаются основные принципы химической номенклатуры органических соединений.

Цели химической номенклатуры

Основная функция химической номенклатуры — гарантировать, что устное или письменное химическое название не оставляет двусмысленности в отношении того, к какому химическому соединению относится это название: каждое химическое название должно относиться к отдельному веществу. Менее важная цель — гарантировать, что каждое вещество имеет одно название, хотя в некоторых случаях допустимо ограниченное количество альтернативных названий.

Предпочтительно название также передает некоторую информацию о структуре или химическом составе соединения. В Американском химическом обществе «сек номер CAS образует крайний пример имен , которые не выполняют эту функцию: каждый номер CAS относится к одному соединению , но ни один не содержит информации о структуре.

Форма используемой номенклатуры зависит от аудитории, которой она адресована. Таким образом, не существует единой правильной формы, а есть разные формы, которые более или менее подходят в разных обстоятельствах.

Общее название будет часто достаточно , чтобы идентифицировать химическое соединение , в конкретном наборе обстоятельств. Для более общего применения название должно указывать, по крайней мере, на химическую формулу . Чтобы быть более конкретным, возможно, потребуется указать трехмерное расположение атомов.

В некоторых конкретных обстоятельствах (например, при построении больших индексов) возникает необходимость гарантировать, что каждое соединение имеет уникальное имя: это требует добавления дополнительных правил к стандартной системе ИЮПАК ( система CAS чаще всего используется в в данном контексте) за счет более длинных и менее знакомых большинству читателей имен. Еще одна набирающая популярность система — это Международный химический идентификатор (InChI), который отражает структуру и состав вещества, делая его более общим, чем номер CAS.

Систему IUPAC часто критикуют за указанные выше недостатки, когда они становятся актуальными (например, из-за различной реакционной способности аллотропов серы , которую IUPAC не различает). Хотя IUPAC имеет удобочитаемое преимущество перед нумерацией CAS, было бы трудно утверждать, что названия IUPAC для некоторых более крупных, релевантных молекул (таких как рапамицин ) читабельны для человека, и поэтому большинство исследователей просто используют неформальные названия.

Тривиальные названия органических веществ

1. Альдегид муравьиный, формальдегид НСНО – метаналь. Раствор формальдегида в воде называется формалином.
2. Альдегид уксусный, ацетальдегид СН₃-СНО – этаналь
3. Аминокислоты. Примечание: из аминокислот необходимо знать систематические названия только аминоуксусной и аминопропионовой кислот, для остальных – только тривиальные.
   • Аланин CH₂–CH(NН₂)–COOH – α-аминопропионовая кислота
   • Глицин H₂N–CH₂–COOH – аминоуксусная кислота
   • Глутаминовая кислота НООС–СН₂–СН₂–СН(NН₂)–COOH – α-аминоглутаровая кислота
   • Лизин NH₂–CH₂–CH₂–CH₂–CH₂–CH(NН₂)–COOH – α,ε-диаминокапроновая кислота
   • Серин ОН–CH₂–СН(NН₂)–COOH – α-амино-β-оксипропионовая кислота
   • Тирозин ОН-С₆Н₄–CH₂–СН(NН2)–COOH – β-(пара-оксифенил)-α-аминопропионовая кислота
   • Фенилаланин С₆Н₅–CH₂–СН(NН2)–COOH – α-амино-β-фенилпропионовая кислота
   • Цистеин HS-CH₂–СН(NН₂)–COOH – α-амино-β-тиопропионовая кислота
4. Анилин С₆Н₅-NН₂ – фениламин
5. Ацетилен СН≡СН – этин
6. Ацетон СН₃-С(О)-СН₃ – пропанон
7. Винилацетилен СН≡С–СН=CH₂ – 1-бутен-3-ин
8. Винный спирт С₂Н₅ОН – этанол
9. Виноградный сахар С₆Н₁₂О₆ – глюкоза
10. Гидрохинон НО-С₆Н₄-ОН – 1,4-дигидроксибензол
11. Глицерин HO–CH₂-СН(ОН)-CH₂–OH – пропантриол-1,2,3
12. Глицериды – сложные эфиры глицерина и органических или минеральных кислот. Триглицериды карбоновых кислот (С₄-С₁₈) – входят в состав растительных и животных жиров.
13. Дивинил CH₂=СН-СН=CH₂ – бутадиен-1,3
14. Древесный спирт СН₃ОН – метанол
15. Изопрен CH₂=С(СН₃)-СН=CH₂ – 2-метилбутадиен-1,3
16. Кислоты карбоновые предельные
    • Муравьиная кислота НСООН – метановая кислота
    • Уксусная кислота СН₃СООН – этановая кислота
    • Пропионовая кислота СН₃СН₂СООН – пропановая кислота
    • Масляная кислота СН₃СН₂СН₂СООН – бутановая кислота
    • Валериановая кислота СН₃СН₂СН₂СН₂СООН – пентановая кислота
    • Капроновая кислота СН₃СН₂СН₂СН₂СН₂СООН – гексановая кислота
    • Пальмитиновая кислота С₁₅Н₃₁СООН, CH₃(CH₂)₁₄COOH
    • Стеариновая кислота С₁₇Н₃₅СООН, CH₃(CH₂)₁₆COOH
17. Кислоты карбоновые непредельные
    • Акриловая кислота CH₂=CH–COOH – пропеновая кислота
    • Метакриловая кислота СН₂=С(СН₃)-СООН – 2-метилпропеновая кислота
    • Кислота олеиновая СН₃(СН₂)₇СН=СН(СН₂)₇СООН, С₁₇Н₃₃СООН (одна двойная С-С связь)
    • Кислота линолевая СН₃(СН₂)₃CH₂CH=CH-CH₂CH=CH-(CH₂)₇COOH, С₁₇Н₃₁СООН, (две двойные С-С связи)
    • Кислота линоленовая (три двойные С-С связи) С₁₇Н₂₉СООН, CH₃-CH₂CH=CH-CH₂CH=CH-CH₂CH=CH-(CH₂)₇COOH
18. Кислоты другие
    • Щавелевая кислота НООС-СООН – этандиовая кислота
    • Молочная кислота CH₃-CH(OH)-COOH – 2-гидроксипропановая кислота
    • Фталевая (о-фталевая) кислота НООС-C₆H₄-COOH – 1,2-бензолдикарбоновая кислота
    • Изофталевая (м-фталевая) кислота НООС-C₆H₄-COOH – 1,3-бензолдикарбоновая кислота
    • Терефталевая (п-фталевая) кислота НООС-C₆H₄-COOH – 1,4-бензолдикарбоновая кислота
19. Ксилол СН₃-С₆Н₄-СН₃ – диметилбензол (существует 3 изомера: 1,2/1,3/1,4-диметилбензолы)
20. Крезол СН₃-С6Н4-ОН – гидроксиметилбензол (существует 3 изомера: 1,2/1,3/1,4)
21. Кумол С₆Н₅-СН(СН₃)₂ – изопропилбензол
22. Парафины C_nH_2n+2 – алканы
23. Пикриновая кислота НО-С₆Н₂-(NО₂)₃ – 2,4,6-тринитрофенол
24. Плодовый сахар С₆Н₁₂О₆ – фруктоза
25. Пирокахетин НО-С₆Н₄-ОН – 1,2-дигидроксибензол
26. Резорцин НО-С₆Н₄-ОН – 1,3-дигидроксибензол
27. Стирол C₆H₅-CH=CH₂ – винилбензол
28. Толуол С₆Н₅-СН₃ – метилбензол
29. Фенол (карболовая кислота) С₆Н₅-ОН – гидроксибензол
30. Циклопарафины C_nH_2n – циклоалканы
31. Хлоропрен СН₂=ССlСН=СН₂ – 2-хлор-1,3-бутадиен
32. Хлороформ СНС_l3 – трихлорметан
33. Этиленгликоль HO–CH₂-CH₂–OH – этандиол-1,2

Простейшие понятия: вещество, молекула, атом, химический элемент

Что такое химия? Где мы встречаемся с химическими явлениями? Везде. Сама жизнь — это бесчисленное множество разнообразных химических реакций, благодаря которым мы дышим, видим голубое небо, ощущаем изумительный запах цветов…

Что изучает химия? Химия изучает вещества, а также химические процессы, в которых участвуют эти вещества.

Что такое вещество — понятно: это то, из чего состоит окружающий нас мир и мы сами. Но что такое химический процесс (явление)?

К химическим явлениям относятся процессы, в результате которых изменяется состав или строение молекул, образующих данное вещество. Изменились молекулы — изменилось вещество (оно стало другим!), — изменились его свойства:

• свежее молоко стало кислым;
• зелёные листья стали жёлтыми;
• сырое мясо при обжаривании изменило запах.

Все эти изменения — следствие сложных и многообразных химических процессов. Итак,

химия — это наука о веществах и их превращениях.

При этом исследуются не всякие превращения, а только такие, при которых

• обязательно изменяется состав или строение молекул;
• никогда не изменяется состав и заряд ядер атомов.

В этом определении встречаются такие понятия, как «вещество», «молекула», «атом». Разберём их подробнее.

Вещество — это то, из чего состоят окружающие нас предметы. Каждому абсолютно чистому веществу (таких в природе, кстати, не существует) приписывают определённую химическую формулу, которая отражает его состав, например:

• Н₂О — вода;
• Na₈[(AlSiO₄)₆SO₄] — лазурит.

Выше приведены молекулярные формулы двух веществ. Следует отметить, что далеко не все вещества состоят из молекул, так как существуют вещества, которые состоят из атомов или ионов. Например, алмаз состоит из атомов углерода, а обычная поваренная соль — из ионов Na+ и ионов Cl– (условная «молекула» — NaСl).

Наименьшая частица вещества, которая отражает его качественный и количественный состав, называется молекулой.

Молекулы состоят из атомов. Атомы в молекуле соединены при помощи химических связей. Каждый атом обозначается при помощи символа (химического знака):

• Н — атом водорода;
• О — атом кислорода.

Число атомов в молекуле обозначают при помощи индекса:

Примеры:

• О₂ — это молекула вещества кислорода, состоящая из двух атомов кислорода;
• Н₂О — это молекула вещества воды, состоящая из двух атомов водорода и одного атома кислорода.

Но! Если атомы не связаны химической связью, то их число обозначают при помощи коэффициента:

Аналогично изображают число молекул:

• 2Н₂ — две молекулы водорода;
• 3Н₂О — три молекулы воды.

Почему атомы водорода и кислорода имеют разное название, разный символ? Потому что это атомы разных химических элементов.

Химический элемент — это частицы с одинаковым зарядом ядер их атомов.

Что такое ядро атома? Почему заряд ядра является признаком принадлежности атома к данному химическому элементу? Чтобы ответить на эти вопросы, следует уточнить: изменяются ли атомы в химических реакциях? Из чего состоит атом*?

Атом не имеет заряда, хотя и состоит из положительно заряженного ядра и отрицательно заряженных электронов:

В ходе химических реакций число электронов любого атома может изменяться, но заряд ядра атома в химических реакциях НЕ МЕНЯЕТСЯ!

Поэтому заряд ядра атома — своеобразный «паспорт» химического элемента. Все атомы с зарядом ядра +1 принадлежат химическому элементу под названием «водород». Атомы с зарядом ядра +8 составляют химический элемент «кислород».

Каждому химическому элементу присвоен химический символ (знак), порядковый номер в таблице Менделеева (порядковый номер равен заряду ядра атома); определённое название и, для некоторых химических элементов, особое прочтение символа в химической формуле (табл. 1).

Подведём итог. Вещества состоят из молекул, молекулы состоят из атомов, атомы с одинаковым зарядом ядра относятся к одному и тому же химическому элементу.

Но, если вещество состоит из молекул, то любое изменение состава или строения молекулы приводит к изменению самого вещества, его свойств.

Вопрос. Чем отличаются химические формулы веществ: Н₂О и Н₂О₂?

Хотя по составу молекулы этих веществ отличаются на один атом кислорода, сами вещества по свойствам сильно отличаются друг от друга. Воду Н₂О мы пьём и жить без неё не можем, а Н₂О₂ — перекись водорода, пить нельзя, а в быту её используют для обесцвечивания волос.

Вопрос. А чем отличаются химические формулы веществ:

Состав этих веществ — аллозы (А) и глюкозы (Б) — одинаков — С₆Н₁₂О₆. Отличаются они строением молекул, в данном случае — расположением групп ОН в пространстве. Глюкоза — универсальный источник энергии для большинства живых организмов, а аллоза практически не встречается в природе и не может быть источником энергии.