Повний практичний довідник з обчислення молекулярних мас та визначення валентності

• ← Назад до змісту довідника

Хімічна формула — це точний і досконалий рецепт будь-якої речовини у Всесвіті. Вона розповідає не лише про те, які саме «інгредієнти»-атоми об’єдналися в молекулу чи кристал, але й у якій кількості. Щоб навчитися читати цей чарівний код без жодних зусиль, нам знадобляться два ключові інструменти: уміння рахувати відносну молекулярну масу та розуміння валентності хімічних елементів.

1. Що таке відносна молекулярна маса

Відносна атомна маса ($A_r$) показує, у скільки разів маса окремого атома більша за $1/12$ маси еталонного атома Карбону. Усі ці значення вже дбайливо пораховані та внесені до Періодичної системи елементів. Для практичних розрахунків ми округлюємо їх до цілих чисел: для Оксигену $15{,}999 \approx 16$, для Сульфуру $32{,}066 \approx 32$, для Натрію $22{,}989 \approx 23$. Єдиний важливий виняток, який варто закарбувати в пам’яті: Хлор завжди беремо як $35{,}5$.

Відносна молекулярна маса ($M_r$) — це сума відносних атомних мас усіх атомів, що входять до складу молекули або формульної одиниці речовини.

Оскільки обидві величини є відносними, вони безрозмірні: біля них ніколи не пишуть грами, кілограми чи літри.

🛒 Аналогія з покупками в супермаркеті
Уявіть, що ви збираєте кошик у магазині. Кожен товар має свою фіксовану ціну: пляшка молока — $2$ монети, шматочок сиру — $3$, а буханець хліба — $5$. Підсумковий чек на касі ($2 + 3 + 5 = 10$) показує загальну вартість покупки.
У хімії кожен хімічний елемент має свій незмінний «цінник» — атомну масу ($A_r$), а маленький індекс унизу вказує, скільки саме таких «продуктів» ви поклали до кошика. Підсумковий чек молекули — це і є її відносна молекулярна маса ($M_r$).

Двоетапний алгоритм грамотного розрахунку:

Крок 1. Запишіть формулу в буквеному вигляді як суму атомних мас кожного елемента, помножених на їхні індекси.
Крок 2. Підставте замість символів елементів округлені значення з Періодичної системи та обчисліть результат.

💡 Якщо біля символу хімічного елемента немає жодної цифри, це означає, що в сполуці рівно один такий атом (індекс $1$).
Індекс праворуч унизу стосується лише того елемента, біля якого він безпосередньо стоїть. Наприклад, у формулі нітратної кислоти $\mathrm{HNO_3}$ трійка належить виключно Оксигену: ми беремо один атом Гідрогену, один атом Нітрогену і три атоми Оксигену.

Приклади аналізу та розрахунку хімічних формул:

1. Проста бінарна речовина без індексів (Кальцій сульфід):
Формула містить по одному атому кожного елемента:
$M_r(\mathrm{CaS}) = A_r(\mathrm{Ca}) + A_r(\mathrm{S}) = 40 + 32 = 72$

2. Проста речовина з індексом (Кисень):
Молекула побудована з двох атомів Оксигену:
$M_r(\mathrm{O_2}) = A_r(\mathrm{O}) \cdot 2 = 16 \cdot 2 = 32$

3. Складна речовина (Вода):
Два атоми Гідрогену та один атом Оксигену:
$M_r(\mathrm{H_2O}) = A_r(\mathrm{H}) \cdot 2 + A_r(\mathrm{O}) = 1 \cdot 2 + 16 = 18$

4. Кислота (Нітратна кислота):
Один атом Гідрогену, один атом Нітрогену та три атоми Оксигену:
$M_r(\mathrm{HNO_3}) = A_r(\mathrm{H}) + A_r(\mathrm{N}) + A_r(\mathrm{O}) \cdot 3 = 1 + 14 + 16 \cdot 3 = 15 + 48 = 63$

5. Оксид з кількома індексами (Нітроген(V) оксид):
Два атоми Нітрогену та п’ять атомів Оксигену:
$M_r(\mathrm{N_2O_5}) = A_r(\mathrm{N}) \cdot 2 + A_r(\mathrm{O}) \cdot 5 = 14 \cdot 2 + 16 \cdot 5 = 28 + 80 = 108$

⚠️ Правило розкриття круглих дужок
Коли групу атомів узято в дужки, цифровий індекс за ними множиться на кількість кожного атома всередині дужок.

1. Зовнішній індекс ніколи не впливає на елементи, які стоять перед дужками.
2. Внутрішній і зовнішній індекси завжди перемножуються, а не додаються ($3 \cdot 2 = 6$, а не $3 + 2 = 5$).

6. Сполука з дужками (Кальцій нітрат):
У формулі $\mathrm{Ca(NO_3)_2}$ міститься: $1$ атом $\mathrm{Ca}$, $1 \cdot 2 = 2$ атоми $\mathrm{N}$ та $3 \cdot 2 = 6$ атомів $\mathrm{O}$.
$M_r(\mathrm{Ca(NO_3)_2}) = A_r(\mathrm{Ca}) + A_r(\mathrm{N}) \cdot 2 + A_r(\mathrm{O}) \cdot 6 = 40 + 14 \cdot 2 + 16 \cdot 6 = 40 + 28 + 96 = 164$

7. Сполука з кількома індексами та дужками (Кальцій ортофосфат):
У формулі $\mathrm{Ca_3(PO_4)_2}$ міститься: $3$ атоми $\mathrm{Ca}$, $1 \cdot 2 = 2$ атоми $\mathrm{P}$ та $4 \cdot 2 = 8$ атомів $\mathrm{O}$.
$M_r(\mathrm{Ca_3(PO_4)_2}) = A_r(\mathrm{Ca}) \cdot 3 + A_r(\mathrm{P}) \cdot 2 + A_r(\mathrm{O}) \cdot 8 = 40 \cdot 3 + 31 \cdot 2 + 16 \cdot 8 = 120 + 62 + 128 = 310$

2. Що таке валентність (частина 1)

Чому атоми поєднуються в таких чітких і різних пропорціях: у молекулі води — $\mathrm{H_2O}$, у хлороводні — $\mathrm{HCl}$, а в амоніаку — $\mathrm{NH_3}$? Відповідь дає фундаментальна властивість атомів — валентність.

Валентність — це здатність атома приєднувати до себе певну кількість інших атомів для утворення стійких хімічних зв’язків. Її позначають виключно римськими цифрами зверху над символом хімічного елемента (а не як степінь чи індекс): $\overset{\mathrm{I}}{\mathrm{H}}$, $\overset{\mathrm{II}}{\mathrm{O}}$, $\overset{\mathrm{IV}}{\mathrm{C}}$, $\overset{\mathrm{III}}{\mathrm{Fe}}$.

🤝 Аналогія з міцними «руками» атомів
Валентність можна легко уявити як кількість «рук», якими природа наділила кожен атом.
Хімічний зв’язок — це взаємне дружнє рукостискання: одна рука обов’язково тримає рівно одну руку іншого атома. У молекулі не може залишатися самотніх, порожніх «рук», усі вони мають бути з’єднані.

Як хімічні «руки» утворюють реальні сполуки (розбір моделей на фото):

1. Метан ($\mathrm{CH_4}$): чотирирукий атом Карбону (чорна кулька в центрі, валентність $\mathrm{IV}$) утримує чотири атоми Гідрогену (білі кульки, кожен має валентність $\mathrm{I}$). Разом вони утворюють просторову фігуру — правильний тетраедр.

2. Кисень ($\mathrm{O_2}$): два атоми Оксигену (помаранчеві кульки) мають по дві «руки» (валентність $\mathrm{II}$) і міцно тримають один одного обома руками, формуючи подвійне міцне рукостискання.

3. Вуглекислий газ ($\mathrm{CO_2}$): чотиривалентний Карбон (чорна кулька в центрі, валентність $\mathrm{IV}$) спрямовує по дві свої «руки» до двох дворуких атомів Оксигену (помаранчеві кульки, валентність $\mathrm{II}$), утворюючи лінійну молекулу.

4. Вода ($\mathrm{H_2O}$): атом Оксигену (помаранчева кулька в центрі, валентність $\mathrm{II}$) тримає за руки два одновалентні атоми Гідрогену (білі кульки, валентність $\mathrm{I}$). Молекула має характерну кутову форму.

5. Хлорид натрію ($\mathrm{NaCl}$): кухонна сіль, де одновалентний Натрій (жовта кулька, валентність $\mathrm{I}$) з’єднується однією «рукою» з одновалентним Хлором (зелена кулька, валентність $\mathrm{I}$). У просторі два сполучені атоми виглядають як акуратна «гантелька».

6. Аміак ($\mathrm{NH_3}$): трирукий атом Нітрогену (блакитна кулька в центрі, валентність $\mathrm{III}$) утримує три окремі атоми Гідрогену (білі кульки, валентність $\mathrm{I}$), утворюючи просторову трикутну пірамідку.

Постійна та змінна валентність хімічних елементів:

Усі хімічні елементи за своєю здатністю до зв’язування поділяються на дві групи:

• Елементи зі сталою (постійною) валентністю: у будь-яких сполуках вони завжди виявляють одне й те саме значення.
• Елементи зі змінною валентністю: здатні змінювати кількість зв’язків залежно від умов реакції та сусідніх атомів. Наприклад, Ферум буває двовалентним ($\overset{\mathrm{II}}{\mathrm{Fe}}$) або тривалентним ($\overset{\mathrm{III}}{\mathrm{Fe}}$), а Сульфур виявляє валентності $\mathrm{II}$, $\mathrm{IV}$ або $\mathrm{VI}$.

💡 Лайфхак № 1. Визначення сталої валентності за Періодичною системою
Для елементів головних підгруп (А-груп) перших трьох груп валентність дорівнює римському номеру групи:

• I група (головна підгрупа): $\mathrm{H, Li, Na, K, Rb, Cs}$ — завжди мають валентність I.
• II група (головна підгрупа): $\mathrm{Be, Mg, Ca, Sr, Ba}$, а також Цинк ($\mathrm{Zn}$) — завжди мають валентність II.
• III група (головна підгрупа): $\mathrm{B, Al}$ — завжди мають валентність III.
• Оксиген ($\mathrm{O}$): завжди має валентність II.
• Флуор ($\mathrm{F}$): завжди одновалентний — I.

⚠️ Важливе застереження: прямий збіг валентності з номером групи діє тільки для перших трьох груп. Починаючи з IV групи, елементи зазвичай мають змінну валентність.

💡 Лайфхак № 2. Таблиця розчинності підказує валентність
Погляньте на таблицю розчинності кислот, солей та основ. У верхньому рядку з катіонами металів заряд частинки точно відповідає її валентності:

• Заряд $+1$: $\mathrm{Na^+}, \mathrm{K^+}, \mathrm{Ag^+} \rightarrow$ валентність I;
• Заряд $+2$: $\mathrm{Ca^{2+}}, \mathrm{Mg^{2+}}, \mathrm{Ba^{2+}}, \mathrm{Zn^{2+}} \rightarrow$ валентність II;
• Заряд $+3$: $\mathrm{Al^{3+}} \rightarrow$ валентність III.

Як дізнатися валентність елемента, якщо вона змінна?
У хімічних назвах та умовах задач змінну валентність вказують римською цифрою в круглих дужках одразу після назви елемента. Наприклад, назва «Ферум(III) оксид» чітко сигналізує, що тут Ферум тривалентний ($\overset{\mathrm{III}}{\mathrm{Fe}}$), а «Сульфур(VI) оксид» — що Сульфур має валентність $\mathrm{VI}$ ($\overset{\mathrm{VI}}{\mathrm{S}}$).

Складання формул сполук за валентністю:

Кальцій оксид: Кальцій має валентність $\mathrm{II}$ (дві руки), а Оксиген — також $\mathrm{II}$ (дві руки). Їхні зв’язки повністю врівноважують один одного у співвідношенні $1:1$, тому формула речовини — $\mathrm{CaO}$ (з позначенням валентностей: $\overset{\mathrm{II}}{\mathrm{Ca}}\overset{\mathrm{II}}{\mathrm{O}}$).

Сульфур(IV) оксид: Сульфур має валентність $\mathrm{IV}$ (чотири руки), а кожен атом Оксигену — по $\mathrm{II}$ (дві руки). Щоб прийняти всі чотири руки Сульфуру, потрібно два атоми Оксигену ($2 \cdot 2 = 4$). Формула сполуки — $\mathrm{SO_2}$ (з позначенням валентностей: $\overset{\mathrm{IV}}{\mathrm{S}}\overset{\mathrm{II}}{\mathrm{O}}_2$).

• ← Назад до змісту довідника