§ 7. Химические формулы

Обозначение состава вещества с помощью символов химических элементов и индексов.

• Служит основной знаковой моделью в химии, отражая качественный и количественный состав исследуемого вещества
• Обозначает индивидуальное вещество и одну его структурную единицу (молекулу — для веществ молекулярного строения или формульную единицу — для веществ немолекулярного строения)
• Позволяет определить принадлежность вещества к простым или сложным, а также рассчитать его относительную молекулярную массу и массовые доли образующих его химических элементов

Числовой показатель в химической формуле, записываемый внизу справа от символа химического элемента и указывающий число его атомов в молекуле или формульной единице вещества.

• Число 1 в качестве индекса в химических формулах никогда не записывают (опускают)
• В формулах со сложными группами атомов индекс за закрывающей круглой скобкой относится ко всей группе целиком (например, в гашёной извести Ca(OH)₂ индекс 2 указывает на две гидроксильные группы -OH, а в кальциевой селитре Ca(NO₃)₂ — на две нитратные группы -NO₃)

Цифра, записываемая перед химической формулой вещества и обозначающая число отдельных молекул, формульных единиц или свободных атомов.

• Относится ко всей последующей химической формуле вещества (например, запись 5CO₂ означает пять отдельных молекул углекислого газа)
• Цифра 1 в качестве коэффициента перед формулой не пишется

Безразмерная физическая величина, показывающая, во сколько раз масса молекулы (или формульной единицы) данного вещества больше 1/12 части массы эталонного атома углерода ¹²C.

• Обозначается символом Mr (индекс r от английского relative — относительный)
• Равна сумме относительных атомных масс (Ar) всех химических элементов, входящих в состав молекулы, с учётом числа их атомов (индексов): Mr = Σ(Ar · n)
• Для веществ немолекулярного строения (ионных, атомных кристаллов) строго называется относительной формульной массой

Физическая величина, показывающая отношение массы данного химического элемента к общей массе всего сложного вещества.

• Обозначается строчной латинской буквой w («дубль вэ») и выражается в долях единицы или в процентах (%)
• Вычисляется по формуле:

$$w(\text{Э}) = \frac{A_r(\text{Э}) \cdot n(\text{Э})}{M_r(\text{вещества})} \cdot 100\%$$

где Ar(Э) — относительная атомная масса элемента, n(Э) — число его атомов (индекс в формуле), Mr(вещества) — относительная молекулярная масса сложного вещества

• Сумма массовых долей всех элементов, образующих химическое соединение, всегда строго равна 1 (или 100%)

Химическая формула представляет собой краткое символическое обозначение состава вещества с помощью знаков химических элементов и числовых индексов, выступая фундаментальной знаковой моделью вещества в химии.

Различия между индексами и коэффициентами:

• Местоположение в записи: индекс записывается мелким шрифтом внизу справа от символа элемента (или за скобкой группы атомов), тогда как коэффициент ставится крупной цифрой непосредственно перед всей химической формулой;
• Смысловое назначение: индекс указывает на число атомов данного конкретного элемента внутри одной молекулы (или формульной единицы), отражая внутреннюю структуру и стехиометрический состав вещества (например, в CO₂ индекс 2 показывает, что в одной молекуле с одним атомом углерода связаны два атома кислорода);
• Масштаб охвата: коэффициент показывает общее количество свободных отдельных частиц — молекул, формульных единиц или атомов (например, запись 5CO₂ указывает на пять изолированных молекул углекислого газа, содержащих суммарно 5 × 1 = 5 атомов углерода и 5 × 2 = 10 атомов кислорода).

Относительная атомная масса (Ar) — это безразмерная физическая величина, показывающая, во сколько раз масса реального атома данного химического элемента превышает атомную единицу массы (а.е.м.), равную 1/12 части массы атома изотопа углерода ¹²C. Значения Ar приводятся в таблице Менделеева и для расчётов округляются до целых чисел (за исключением хлора: Ar(Cl) = 35,5).

Относительная молекулярная масса (Mr) — это безразмерная физическая величина, показывающая, во сколько раз масса целой молекулы данного вещества больше 1/12 части массы эталонного атома углерода ¹²C. Она численно равна сумме относительных атомных масс всех атомов, образующих данную молекулу (с учётом их стехиометрических индексов). Для веществ с немолекулярной кристаллической решёткой (например, солей и оксидов металлов) данная величина рассчитывается аналогично по формульной единице и называется относительной формульной массой.

Химическая формула несёт в себе исчерпывающий комплекс качественной и количественной научной информации о веществе:

• Индивидуальность и название: указывает конкретное химическое вещество (например, формула H₂O указывает на воду, CO₂ — на углекислый газ);
• Тип строения и элементного состава: показывает, является ли вещество простым (образовано одним элементом: O₂, O₃, N₂) или сложным (образовано несколькими элементами: H₂SO₄, Ca(OH)₂);
• Микроколичественная характеристика: обозначает ровно одну молекулу вещества (для молекулярного строения) либо одну формульную единицу (для ионного или атомного строения);
• Качественный состав: однозначно фиксирует, атомы каких именно химических элементов входят в состав данного вещества;
• Количественный состав: сообщает точное число атомов каждого химического элемента в одной частице вещества (через индексы);
• Расчётная база: позволяет математически вычислить относительную молекулярную массу (Mr), молярную массу (M), массовые отношения элементов между собой и массовую долю (w) каждого элемента в данном веществе.