Повний довідник з базових понять хімії: будова речовини, відносна атомна маса, хімічні формули

• ← Назад до змісту довідника

Хімія — це не просто шкільний предмет із колбами та реактивами, це універсальна мова, якою говорить увесь матеріальний Всесвіт. Будь-який предмет навколо нас — екран смартфона, ковток води, повітря у кімнаті чи клітини нашого тіла — побудований з невидимих для неозброєного ока цеглинок.

Щоб вільно почуватися у світі хімічних перетворень і з легкістю розв’язувати задачі, необхідно опанувати хімічний «алфавіт» та базову граматику цієї науки. Цей довідник допоможе розібратися у найважливіших початкових поняттях хімії системно та зрозуміло.

1. Що таке атом та хімічний елемент

Якщо взяти будь-який предмет (наприклад, шматочок крейди або металевий дріт) і почати подрібнювати його навпіл знову і знову — чи існує межа такого поділу? Хімія відповідає: так, межа існує.

Атом — це найдрібніша, хімічно неподільна частинка речовини. Під час хімічних реакцій атоми не руйнуються і не виникають із нічого; вони лише перегруповуються між собою, утворюючи нові речовини.

Щоб уявити розмір атома: якщо викласти в щільний рядок $500\,000$ атомів, довжина цього ланцюжка дорівнюватиме лише товщині однієї людської волосини.

Хімічний елемент — це певний вид атомів. Чудовою аналогією є конструктор LEGO: деталька — це окремий атом, а її форма чи колір — вид атома (хімічний елемент).

З таких «цеглинок» побудований увесь світ:

• Звичайний металевий ключ складається переважно з атомів одного виду — Феруму (заліза).
• Скляна колба поєднує атоми двох видів — Силіцію та Оксигену.
• Сучасний смартфон містить десятки різних елементів: Літій у батареї, Купрум у мікросхемах, Силіцій у процесорі та частки золота на контактах.

2. Періодична система та символи хімічних елементів

Для класифікації всіх відомих видів атомів створено Періодичну систему хімічних елементів.

Кожен хімічний елемент має українську наукову назву (за стандартом ДСТУ/IUPAC пишеться з великої літери: Натрій, Оксиген), міжнародний хімічний символ ($\mathrm{Na}, \mathrm{O}$) та хімічну вимову під час читання формул («натрій», «о»). Символи елементів — це літери міжнародного хімічного алфавіту.

Базова таблиця обов’язкових хімічних елементів

Саме ці 20 хімічних елементів є фундаментом шкільного курсу хімії. Їхні символи, вимову та відносні атомні маси необхідно знати напам’ять:

3. Відносна атомна маса ($A_r$)

Реальна абсолютна маса окремого атома ($m_a$) є мізерно малою. Наприклад, маса атома Карбону:

$m_a(\mathrm{C}) \approx 0{,}000000000000000000000001993\text{ г} = 1{,}993 \times 10^{-23}\text{ г}$

Користуватися такими числами у щоденних розрахунках надзвичайно незручно: жоден зошит чи калькулятор не вмістить таку кількість нулів. Тому хіміки домовилися використовувати не абсолютні, а відносні маси.

Для цього обрали еталон — атомну одиницю маси (а.о.м.), яка дорівнює $\frac{1}{12}$ частині маси атома Карбону.

🍕 Метафора «Карбонова піца»
Уявіть велику круглу піцу під назвою «Карбон», розрізану на 12 однакових шматочків. Один такий шматочок — це і є еталонна одиниця вимірювання ($\frac{1}{12}$ маси Карбону). Якщо покласти на терези атом іншого елемента, ми просто рахуємо, скільком таким «шматочкам» він еквівалентний: наприклад, атом Берилію важить рівно як 9 шматочків ($A_r = 9$), а ціла піца Карбону — 12 шматочків ($A_r = 12$).

Відносна атомна маса ($A_r$) — це безрозмірна фізична величина, що показує, у скільки разів маса атома певного хімічного елемента більша за $\frac{1}{12}$ маси атома Карбону. У позначенні $A$ означає «атомна» (atomic), а $r$ — «відносна» (relative): $A_r(\mathrm{X})$.

Чому $A_r$ безрозмірна? Оскільки це відношення реальної маси до еталонної, одиниці маси (грами) скорочуються. Коли ми кажемо: «дорослий важить у 15 разів більше за кота», ми не додаємо слово «кілограмів», бо це чисте кратне число. Так само й $A_r$ — це просто число без одиниць вимірювання.

Як знайти та округлити $A_r$ у Періодичній системі:
У клітинці кожного елемента є два головних числа: порядковий номер і відносна атомна маса. $A_r$ — це завжди більше число, наведене у вигляді десяткового дробу.

Під час розрахунків значення $A_r$ завжди округлюють за математичними правилами до цілих чисел:
Оксиген ($15{,}999 \rightarrow 16$), Натрій ($22{,}989 \rightarrow 23$), Флуор ($18{,}998 \rightarrow 19$), Кальцій ($40{,}078 \rightarrow 40$).

Виняток: відносну атомну масу Хлору ніколи не округлюють до цілого, її завжди записують із десятими:

$A_r(\mathrm{Cl}) = 35{,}5$

4. Молекула

У природі атоми рідко існують поодинці (у вільному стані окремими атомами існують хіба що інертні гази — Гелій, Неон, Аргон). Більшість речовин навколо нас утворюються тоді, коли атоми сполучаються між собою хімічними зв’язками у стійкі мікрочастинки — молекули.

Молекула — це найдрібніша частинка речовини, що зберігає її хімічні властивості та складається з двох або більше сполучених між собою атомів.

Речовини атомної та молекулярної будови:

• Атомна будова (без молекул): складаються безпосередньо з окремих щільно упакованих атомів. Наприклад, металевий залізний цвях або кузов автомобіля складаються з атомів Феруму ($\mathrm{Fe}$), алмаз та графіт утворені атомами Карбону ($\mathrm{C}$), а міцність кісток забезпечує Кальцій ($\mathrm{Ca}$).
• Молекулярна будова: складаються з окремих молекул (більшість газів, рідин та органічних речовин).

Зі скількох атомів складається молекула?

Найпростіші молекули утворюються зі сполучення лише двох атомів (двохатомні молекули):

1. Молекули з двох однакових атомів:
Повітря, яким ми дихаємо — це не поодинокі атоми Оксигену $\mathrm{O}$. У реальному повітрі атоми Оксигену завжди зчеплені по двоє в молекули кисню — $\mathrm{O_2}$. Так само водень існує у вигляді молекул із двох атомів — $\mathrm{H_2}$, а азот у повітрі — $\mathrm{N_2}$.
Утрата двійки в таких молекулах — одна з найпоширеніших помилок учнів. У хімії є 7 найважливіших простих речовин, молекули яких у вільному стані завжди складаються з двох атомів і записуються виключно з індексом 2:

$\mathrm{H_2},\quad \mathrm{N_2},\quad \mathrm{O_2},\quad \mathrm{F_2},\quad \mathrm{Cl_2},\quad \mathrm{Br_2},\quad \mathrm{I_2}$

💡 Мнемонічне правило «Перевернутої літери “Г”» (Сімка двохатомних молекул)
Щоб миттєво знайти ці 7 речовин у Періодичній системі: знайдіть Нітроген ($\mathrm{N}$), проведіть погляд праворуч через Оксиген ($\mathrm{O}$) до Флуору ($\mathrm{F}$) і спустіться вниз по стовпчику галогенів ($\mathrm{Cl}, \mathrm{Br}, \mathrm{I}$). Ця лінія малює в таблиці перевернуту літеру «Г» (або цифру 7). До них додаємо найперший елемент таблиці — Гідроген ($\mathrm{H_2}$). Цю сімку треба запам’ятати: у реакціях вони ніколи не пишуться поодинокими атомами!

2. Молекули з двох різних атомів:
Два атоми в молекулі можуть належати й різним хімічним елементам. Наприклад, один атом Натрію та один атом Хлору сполучаються в молекулу кухонної солі ($\mathrm{NaCl}$). У просторі два сполучені атоми нагадують мікроскопічну «гантельку». Інший приклад — хлороводень ($\mathrm{HCl}$).

Молекули з більшої кількості атомів:
Коли сполучається більше двох атомів, виникають складніші просторові частинки:

• Вода ($\mathrm{H_2O}$): молекула з трьох атомів (два атоми Гідрогену й один атом Оксигену).
• Метан ($\mathrm{CH_4}$): горючий природний газ; молекула з п’яти атомів (один атом Карбону та чотири атоми Гідрогену).

💡 Чому води чи метану немає в Періодичній системі?
Типова помилка — намагатися відшукати в таблиці Менделєєва готові речовини на кшталт води ($\mathrm{H_2O}$), солі ($\mathrm{NaCl}$) чи метану ($\mathrm{CH_4}$). У клітинках Періодичної системи містяться виключно хімічні елементи — окремі види атомів («будівельні цеглинки»). А молекули — це вже готові «будівлі», зібрані з цих цеглинок.

5. Прості та складні речовини

За якісним складом усі речовини поділяють на дві принципові групи:

• Прості речовини — утворені атомами лише одного хімічного елемента (одного виду атомів). Це ніби бутерброд «ковбаса, покладена на ковбасу»: скільки б шарів не було, інгредієнт залишається тим самим. Приклади: метал залізо ($\mathrm{Fe}$), алмаз і графіт ($\mathrm{C}$), кисень ($\mathrm{O_2}$), водень ($\mathrm{H_2}$). Навіть якщо уявити гіпотетичну велетенську молекулу $\mathrm{H_{100}}$, вона все одно залишатиметься простою речовиною, бо в ній немає жодних інших атомів, крім Гідрогену!
• Складні речовини (хімічні сполуки) — утворені атомами двох або більше різних хімічних елементів. Це вже бутерброд «ковбаса на хлібі з сиром», де поєднуються принципово різні складові. Приклади: вода ($\mathrm{H_2O}$), вуглекислий газ ($\mathrm{CO_2}$), кухонна сіль ($\mathrm{NaCl}$), крейда ($\mathrm{CaCO_3}$).

6. Хімічні формули та правила їхнього читання

Якщо хімічні символи елементів — це літери наукового алфавіту, то комбінації цих літер утворюють «слова» — хімічні формули.

Хімічна формула — це умовний запис якісного та кількісного складу речовини за допомогою хімічних символів та індексів:

• Якісний склад показує, які саме елементи входять до складу речовини (на які символи дивимося).
• Кількісний склад показує, скільки атомів кожного елемента містить частинка. Кількість атомів позначають індексом — маленькою цифрою праворуч унизу біля символу хімічного елемента.

⚠️ Правило невидимої одиниці: якщо біля хімічного знака немає індексу, це означає, що там стоїть цифра 1 (у формулі води $\mathrm{H_2O}$ індекс Гідрогену — 2, а Оксигену — 1; у крейді $\mathrm{CaCO_3}$ біля $\mathrm{Ca}$ та $\mathrm{C}$ стоять невидимі одиниці, а біля $\mathrm{O}$ — трійка. Відсутність цифри ніколи не означає нуль!).

🥞 Чи можна скласти формулу для млинця чи капучино?
Ні! Хімічну формулу мають лише індивідуальні чисті речовини (вода $\mathrm{H_2O}$, цукор, сіль $\mathrm{NaCl}$, чистий кофеїн). А свіжоспечений млинець, піца або чашка капучино — це складні багатокомпонентні суміші сотень різних речовин (білків, жирів, вуглеводів, води). Суміші єдиної хімічної формули не мають.

Як правильно читати хімічні формули вголос

Формули читають за правилами хімічної транскрипції — промовляючи скорочену назву кожного символу та називаючи відповідні індекси:

Дивіться таблицю вище.

• ← Назад до змісту довідника