Ключевые слова конспекта: химическая формула, индекс, коэффициент, качественный и количественный состав, формульная единица.
- это условная запись состава вещества посредством химических знаков и индексов.
Цифру, стоящую в формуле справа внизу у знака элемента, называют индексом . Индекс обозначает число атомов элемента, входящих в состав данного вещества.
Если требуется обозначить не одну, а несколько молекул (или отдельных атомов), то перед химической формулой (или знаком) ставят соответствующую цифру, которую называют коэффициентом . Например, три молекулы воды обозначаются 3Н 2 О , пять атомов железа - 5Fe . Индекс 1 в химических формулах и коэффициент 1 перед химическими символами и формулами не пишут.
Представленные на рисунке формулы читаются так: три-купрум-хлор-два, пять-алюминий-два-о-три, три-феррум-хлор-три . Запись 5Н 2 О (пять-аш-два-о) следует понимать так: пять молекул воды образованы десятью атомами водорода и пятью атомами кислорода.
Химическая формула показывает, из атомов каких элементов состоит вещество (то есть качественный состав вещества ); и каково соотношение атомов этих элементов (то есть количественный состав вещества ).
Формульная единица
Химические формулы веществ, имеющих немолекулярное строение, например FeS , не описывают состав молекулы; а только показывают соотношение элементов, образующих данное вещество.
Так, кристаллическая решётка поваренной соли - хлорида натрия состоит не из молекул, а из . На каждый положительно заряженный ион натрия в ней приходится один отрицательно заряженный ион хлора. Получается, что отношение индексов в записи NaCl совпадает с отношением; в котором химические элементы соединяются между собой, образуя вещество. По отношению к веществам, имеющим немолекулярное строение, такую запись правильнее называть не формула, а формульная единица .
Установить тип химической формулы по структурным данным (т. е. по модели структуры или по ее проекции - чертежу) можно и иным путем, подсчитав число атомов каждого сорта (химического элемента), приходящихся на одну элементарную ячейку . Например, в структуре флюорита CaF 2 все восемь ионов F - расположены внутри элементарной ячейки, т. е. принадлежат только этой ячейке. Расположение же ионов Са 2+ различно: часть из них локализована в восьми вершинах кубической ячейки структуры минерала, другая часть - в центрах всех шести ее граней. Поскольку каждый из восьми «вершинных» ионов Са 2+ принадлежит одновременно восьми соседним элементарным ячейкам - кубам, то лишь у часть каждого из них принадлежит исходной ячейке. Таким образом, вклад «вершинных» атомов Са в исходную ячейку будет равен 1 Са (1/8 х 8 = 1 Са). Каждый же из шести атомов Са, расположенных в центрах граней кубической ячейки, принадлежит одновременно двум соседним ячейкам. Отсюда вклад шести центрирующих грани куба атомов Са будет равен 1/2 х 6 = 3 Са. В итоге на одну элементарную ячейку будет приходиться 1 + 3 = 4 атома Са. Проведенный подсчет показывает, что на одну ячейку приходятся четыре атома Са и восемь атомов F. Это подтверждает тип химической формулы (АХ 2) минерала - CaF 2 , где атомов Са в два раза меньше, чем атомов F. К аналогичным результатам легко прийти, если сдвинуть начало координат элементарной ячейки так, чтобы все атомы оказались в пределах одной ячейки.Определение числа атомов в ячейке Браве позволяет кроме типа химической формулы получить еще одну полезную константу - число формульных единиц, обозначаемое буквой Z Для простых веществ, состоящих из атомов одного элемента (Си, Fe, Se и др.), число формульных единиц соответствует числу атомов в элементарной ячейке . Для простых молекулярных веществ (I 2 , S 8 и т. д.) и молекулярных соединений (СО 2 , реальгара As 4 S 4) число Z равно числу молекул в ячейке. В подавляющем же большинстве неорганических и интерметаллических соединений (NaCl, CaF 2 , CuAu и т. д.) молекул нет, и в этом случае вместо термина "количество молекул" используют термин «число формульных единиц». В нашем примере для флюорита 4, так как четыре атома Са и восемь F, приходящиеcя на одну ячейку Браве, составят четыре формульные единицы «CaF 2 ».Число формульных единиц можно определить экспериментально в процессе рентгеновского исследования вещества. Если в структуре нет таких микродефектов, как вакансии в положении атомов или замещения одних частиц другими, а также макродефектов (трещиноватости, включений, межблочных пустот), то в пределах ошибки опыта Z должно оказаться целым числом. Определив экспериментально Z и округлив его до целого числа, можно вычислить плотность идеального монокристалла, которую называют рентгеновской плотностью
4.1. Формулы пишутся отдельной строкой, выравниваются по центру. Выше и ниже каждой формулы должна быть оставлена одна свободная строка.
4.2. После формулы помещают перечень всех принятых в формуле символов с расшифровкой их значений и указанием размерности (если в этом есть необходимость). Буквенные обозначения дают в той же последовательности, в которой они приведены в формуле.
4.3. Формулы нумеруются сквозной нумерацией в пределах всей работы арабскими цифрами. Номер формулы указывают в круглых скобках в крайнем правом положении на строке. Одну формулу обозначают – (1).
4.4. В формулах в качестве символов физических величин следует применять обозначения, установленные соответствующими государственными стандартами (ГОСТ 8.417). Пояснения символов и числовых коэффициентов, входящих в формулу, если они не пояснены ранее в тексте, должны быть приведены непосредственно под формулой и должны соответствовать типу и размеру шрифта, принятому при написании самой формулы. Пояснения каждого символа следует давать с новой строки в той последовательности, в которой символы приведены в формуле.
4.6. Первая строка пояснения должна начинаться с абзацного отступа со слова «где» без двоеточия после него. Знаки «–» (тире) располагаются на одной вертикальной линии.
Например,
R = ∑ pi (Yi + Z i + Wi) (5)
где R – величина экологического риска;
∑ – знак суммы;
pi – вероятность возникновения i-ого опасного фактора, воздействующего на окружающую среду, население;
Yi – ущерб от воздействия i-ого опасного фактора;
Z i – утрата или повреждение имущества лица;
W i – расходы, которые лицо произвело для восстановления права.
4.7. Знаки препинания перед формулой и после нее ставятся по смыслу. Формулы, следующие одна за другой и не разделенные текстом, разделяют запятой.
4.8. Если формула не помещается в строку, то часть ее переносят на другую строку только на математическом знаке основной строки, обязательно повторяя знак во второй строке. При переносе формулы на знаке умножения применяют знак «×». При написании формул не допускаются разрывные линии. В многострочной формуле номер формулы ставится против последней строки.
4.9. Условные буквенные обозначения, изображения или знаки должны соответствовать принятым в государственных стандартах (ГОСТ 8.417).
4.10. При необходимости применения условных обозначений, изображений или знаков, не установленных действующими стандартами, их следует пояснять в тексте или в перечне обозначений.
4.11. В тексте следует применять стандартизованные единицы физических величин, их наименования и обозначения в соответствии с ГОСТ 8.417.
4.12. Единица физической величины от числа указывается через пробел, включая проценты, например, 5 м, 99,4 %.
4.13. Интервалы величин в виде «от и до» записываются через тире без пробелов. Например, 8-11 % или с. 5-7 и т.д.
4.14. При приведении цифрового материаладолжны использоваться только арабские цифры, за исключением общепринятой нумерации кварталов, полугодий, которые обозначаются римскими цифрами. Количественные числительные в тексте даются без падежных окончаний.
Любое измерение связано с нахождением численных значений физических величин , при помощи их определяются закономерности явлений, которые исследуются.
Понятие физических величин , например, силы, веса и др., - это отображение объективно существующих, присущих материальным объектам характеристик инертности, протяженности и так далее. Эти характеристики существуют вне и независимо от нашего сознания, не завися от человека, качества средств и методов, которые используются при измерениях.
Физические величины, которые характеризуют материальный объект в заданных условиях, не создаются измерениями, а всего лишь определяются при помощи их. Измерить любую величину это означает определить ее численное соотношение с какой-либо другой однородной величиной, которая принята за единицу измерений.
Исходя из этого, измерением называется процесс сравнения заданной величины с некоторым ее значением, которое принято за единицу измерений .
Формула связи между величиной, для которой устанавливается производная единица и величинами А, В, С, ... единицы измерения у них установлены независимо, общий вид:
где k - числовой коэффициент (в заданном случае k=1 ).
Формула для связи производной единицы с основными или остальными единицами, зовется формулой размерности , а показатели степени размерностями Для удобства при практическом использовании единиц ввели такие понятия как кратные и дольные единицы.
Кратная единица - единица, которая в целое количество раз больше системной либо внесистемной единицы. Кратная единица образуется посредством умножения основной либо производной единицы на число 10 в соответствующей положительной степени.
Дольная единица - единица, которая в целое число раз меньше системной либо внесистемной единицы. Дольная единица образуется посредством умножения основной либо производной единицы на число 10 в соответствующей отрицательной степени.
Определение термина “единица измерения“.
Унификацией единицы измерения занимается наука, которая называется метрология. В точном переводе - это наука об измерениях.
Заглянув в Международный словарь по метрологии мы выясняем, что единица измерения - это действительная скалярная величина, которая определена и принята по соглашению, с которой легко сравнить всякую другую величину одного рода и выразить их отношение при помощи числа.
Единица измерения может рассматриваться и как физическая величина. Однако, между физической величиной и единицей измерения есть очень важная разница: у единицы измерения есть фиксированное принятое по соглашению численное значение. Значит, единицы измерения для одной и той же физической величины возможны разные.
Например, вес может иметь следующие единицы: килограмм, грамм, фунт, пуд, центнер. Разница между ними понятна каждому.
Числовое значение физической величины представляют при помощи отношения измеренного значения к стандартному значению, которое и есть единицей измерения . Число, у которого указана единица измерения есть именованное число .
Существуют основные и производные единицы.
Основные единицы устанавливают для таких физических величин, которые отобраны в качестве основных в конкретной системе физических величин.
Таким образом, Международная система единиц (СИ) основывается на Международной системе величин, в ней основные величины это семь величин: длина, масса, время, электрический ток, термодинамическая температура, количество вещества и сила света. Значит, в СИ основные единицы это единицы величин, которые указаны выше.
Размер основных единиц устанавливают по соглашению в рамках конкретной системы единиц и фиксируются или при помощи эталонов (прототипов), или методом фиксации числовых значений фундаментальных физических постоянных.
Производные единицы определяют через основные методом использования тех связей между физическими величинами, которые установлены в системе физических величин.
Есть огромное число разных систем единиц. Они различаются как системами величин, на которых они основываются, так и выбором основных единиц.
Обычно государство при помощи законов устанавливает определенную систему единиц предпочтительной либо обязательной для использования в стране. В РФ основными являются единицы величин системы СИ.
Системы единиц измерения.
Метрические системы.
- МКГСС,
Системы естественных единиц измерения.
- Атомная система единиц,
- Планковские единицы,
- Геометризованная система единиц,
- Единицы Лоренца — Хевисайда.
Традиционные системы мер.
- Русская система мер,
- Английская система мер,
- Французская система мер,
- Китайская система мер,
- Японская система мер,
- Уже устаревшие (древнегреческая, древнеримская, древнеегипетская, древневавилонская, древнееврейская).
Единицы измерения, сгруппированные по физическим величинам.
- Единицы измерения массы (масса),
- Единицы измерения температуры (температура),
- Единицы измерения расстояния (расстояние),
- Единицы измерения площади (площадь),
- Единицы измерения объёма (объём),
- Единицы измерения информации (информация),
- Единицы измерения времени (время),
- Единицы измерения давления (давление),
- Единицы измерения потока тепла (поток тепла).
Зная модель кристаллической структуры, т. е. пространственное расположение атомов относительно элементов симметрии в элементарной ячейке - их координаты, а, следовательно, и характеристики правильных систем точек, которые занимают атомы, можно сделать ряд кристаллохимических выводов, используя достаточно простые приемы описания структур. Поскольку 14 выведенных решеток Браве не могут отразить все многообразие известных к настоящему времени кристаллических структур, необходимы характеристики, позволяющие однозначно описать индивидуальные особенности каждой кристаллической структуры. К таким характеристикам, дающим представление о геометрическом характере структуры, относятся: координационные числа (КЧ), координационные многогранники (КМ), или полиэдры (КП), и число формульных единиц (Z). Прежде всего по модели можно решить вопрос о типе химической формулы рассматриваемого соединения, т. е. установить количественное соотношение атомов в структуре. Это нетрудно сделать на основе анализа взаимного окружения - взаимной координации - атомов разных (или одинаковых) элементов.
Термин «координация атома» был введен в химии в конце XIX в. в процессе формирования ее новой области - химии координационных (комплексных) соединений. И уже в 1893 г. А. Вернер ввел понятие координационное число (КЧ) как число атомов (лигандов - ионы, непосредственно связанные с центральными атомами (катионами)), непосредственно связанных с центральным. Химики в свое время столкнулись с тем фактом, что число связей, образуемых атомом, может отличаться от его формальной валентности и даже превышать ее. Например, в ионном соединении NaCl каждый ион окружен шестью ионами противоположного заряда (KЧ Na / Cl = 6, KЧ Cl / Na = 6), хотя формальная валентность атомов Na и С1 равна 1. Таким образом, согласно современному представлению, КЧ - это число ближайших к данному атому (иону) соседних атомов (ионов) в структуре кристалла независимо от того, являются они атомами того же сорта, что и центральный, или иного. При этом межатомные расстояния являются основным критерием, используемым при подсчете КЧ.
Например, в кубических структурах модификации a-Fe (рис. 7.2.а) и CsCl (рис. 7.2. в) координационные числа всех атомов равны 8: в структуре a-Fe атомы Fe располагаются в узлах объемноцентрированного куба, отсюда KЧ Fe = 8; в структуре CsCl в вершинах элементарной ячейки располагаются ионы Сl - , а в центре объема - ион Cs + , координационное число которого тоже равно 8 (КЧ Cs / Cl = 8), так же как и каждый ион Cl окружен восемью ионами Cs + по кубу (КЧ Cl / Cs = 8). Это подтверждает отношение Cs: С1 = 1: 1 в структуре этого соединения.
В структуре α –Fe координационное число атома Fe по первой координационной сфере равно 8, с учетом второй сферы - 14 (8 + 6). Координационные полиэдры - соответственно куб и ромбододекаэдр.
Координационные числа и координационные многогранники являются важнейшими характеристиками конкретной кристаллической структуры, отличающими ее от остальных структур. На этой основе можно проводить классификацию, относя конкретную кристаллическую структуру к определенному структурному типу.
Установить тип химической формулы по структурным данным (т. е. по модели структуры или по ее проекции - чертежу) можно и иным путем, подсчитав число атомов каждого сорта (химического элемента), приходящихся на одну элементарную ячейку. Это подтверждает тип химической формулы NaCl.
В структуре NаС1 (рис. 7.4), типичной для ионных кристаллов типа АВ (где А-атомы (ионы) одного сорта, В-другого), в построении элементарной ячейки принимают участие 27 атомов обоих сортов, из них 14 атомов А (шары большого размера) и 13 атомов В (меньшие шары), но полностью входит в ячейку лишь один. атом, находящийся в ее центре. Атом, находящийся в центре грани элементарной ячейки, принадлежит одновременно двум ячейкам-данной и смежной с ней. Поэтому данной ячейке принадлежит лишь половина этого атома. В каждой из вершин ячейки сходится одновременно по 8 ячеек, поэтому данной ячейке принадлежит лишь 1/8 атома, расположенного в вершине. От каждого атома, находящегося на ребре ячейки, ей принадлежит лишь 1/4.
Вычислим общее число атомов, приходящихся на одну элементарную ячейку NаС1:
Итак, на долю ячейки, показанной на рис. 7.4, приходится не 27 атомов, а всего 8 атомов: 4 атома натрия и 4 атома хлора.
Определение числа атомов в ячейке Браве позволяет кроме типа химической формулы получить еще одну полезную константу - число формульных единиц, обозначаемое буквой Z. Для простых веществ, состоящих из атомов одного элемента (Сu, Fe, Se и др.), число формульных единиц соответствует числу атомов в элементарной ячейке. Для простых молекулярных веществ (I 2 , S 8 и т. д.) и молекулярных соединений (СО 2) число Z paвно числу молекул в ячейке. В подавляющем же большинстве неорганических и интерметаллических соединений (NaCl, CaF 2 , СuАu и т. д.) молекул нет, и в этом случае вместо термина «количество молекул» используют термин «число формульных единиц».
Число формульных единиц можно определить экспериментально в процессе рентгеновского исследования вещества.