Как читать химические формулы

У этанола и диметилового эфира одна формула C₂H₆O, но первый есть в напитках, а второй является газом, который используют как топливо.

Химическая формула похожа на короткое предложение из символов элементов. H₂O, CO₂ и NaCl в нескольких знаках сообщают очень многое: какие элементы есть в веществе, в каком соотношении и часто как связаны атомы. Если свободно читать формулы, легче даётся вся остальная химия, от уравнивания реакций до расчёта нужного количества вещества.

Символы и индексы

Каждый символ обозначает один атом элемента. Маленькое число справа внизу, индекс, показывает, сколько атомов того элемента, что стоит прямо перед ним. Нет индекса, значит атом один. Так, H₂O означает два атома водорода и один атом кислорода; CO₂ один углерод и два кислорода; CH₄ один углерод и четыре водорода. Следи за заглавными буквами: Co означает кобальт, а CO является угарным газом, это углерод и кислород.

Скобки объединяют атомы, которые входят группой. Гидроксид кальция записывают Ca(OH)₂: индекс после скобки умножает всё, что внутри, поэтому здесь один кальций, два кислорода и два водорода. Большое число перед формулой, коэффициент, считает целые частицы. 2H₂O означает две молекулы воды, в которых вместе четыре атома водорода и два атома кислорода.

Молекулярные, ионные и структурные формулы

Для ковалентной молекулы формула показывает настоящее число каждого атома в одной молекуле: глюкоза C₆H₁₂O₆ содержит шесть атомов углерода, двенадцать водорода и шесть кислорода. Для ионного соединения, например NaCl или MgCl₂, формула показывает лишь соотношение ионов в решётке, ведь отдельных молекул там нет. Молекулярная формула не показывает, как соединены атомы, а это может быть очень важно. У этанола и диметилового эфира одна формула C₂H₆O. В этаноле кислород стоит на конце и к нему присоединён водород, C-C-O-H; в диметиловом эфире кислород стоит между атомами углерода, C-O-C.

Поэтому химики пишут и сокращённые формулы, например CH₃CH₂OH или C₂H₅OH для этанола, которые подсказывают порядок атомов, и рисуют структурные формулы с чёрточкой для каждой связи. Этанол является жидкостью, кипит примерно при 78 °C и смешивается с водой, отчасти потому, что его группа O-H образует водородные связи. В диметиловом эфире группы O-H нет, и при комнатной температуре это газ.

Названия тоже следуют из формулы. В простых ковалентных соединениях из двух элементов греческие приставки считают атомы: моно для 1, ди для 2, три для 3, тетра для 4. CO называют монооксидом углерода, CO₂ диоксидом углерода, а N₂O₄ тетраоксидом диазота. В корейских названиях атомы считают так же, китайско-корейскими числительными. Ионные соединения называют без приставок, потому что заряды уже задают соотношение: по-английски сначала металл, затем неметалл с окончанием -ide, а по-русски хлорид натрия, оксид магния. Вода, аммиак и метан сохраняют традиционные названия.

От формулы к массе

Сложи атомные массы в формуле, и получишь молярную массу, то есть массу одного моля вещества в граммах. По значениям ИЮПАК 2024 года вода: 2 × 1.008 + 15.999 = 18.015 г/моль. Углекислый газ: 12.011 + 2 × 15.999 = 44.009 г/моль. Хлорид натрия: 22.990 + 35.45 = 58.44 г/моль. Глюкоза: 6 × 12.011 + 12 × 1.008 + 6 × 15.999 = 180.156 г/моль. С помощью такой суммы рецепт в молекулах превращается в рецепт в граммах.