Всё, что дальше, стоит на этой теме. Разберём её так, чтобы больше не возвращаться.
Химия — это язык. Прежде чем строить фразы (реакции), договоримся о словах. Понятия ниже путают чаще всего — закрепим их сразу.
Химия — наука о веществах, их строении, свойствах и превращениях друг в друга. Ключевое слово — превращения: если вещество не изменилось, а поменяло только форму или агрегатное состояние, это ещё не химия.
| Раздел химии | Что изучает |
|---|---|
| Общая | Основные понятия, теории и законы — фундамент под всем остальным |
| Неорганическая | Простые вещества, оксиды, гидроксиды, соли и их свойства |
| Органическая | Соединения углерода (кроме CO, CO2, карбонатов, карбидов и цианидов) |
| Аналитическая | Качественный и количественный состав веществ — «что это и сколько» |
Курс ЕГЭ построен ровно в этом порядке: общая → неорганическая → органическая. Пропустишь общую — вторая и третья посыплются.
Наименьшая частица химического элемента, сохраняющая его свойства. Дальше делится только на протоны, нейтроны и электроны — но это уже физика, а не химия.
Наименьшая частица вещества, способная существовать самостоятельно и сохраняющая его химические свойства. Пример: H2O, O2.
Вид атомов с одинаковым зарядом ядра. Именно заряд ядра, а не масса — это ключ ко всей теме.
Атом или группа атомов с зарядом. Потерял электроны → катион (+); принял → анион (−).
То, из чего состоит физическое тело. Гвоздь — тело, железо — вещество. У вещества есть постоянный состав и набор свойств: цвет, плотность, температура плавления.
Запись состава вещества знаками элементов и индексами. H2SO4 — это «2 атома H, 1 атом S, 4 атома O» и ничего больше.
Простое вещество состоит из атомов одного элемента (O2, Fe, S8). Сложное — из атомов разных элементов (H2O, H2SO4). Не путай «простое вещество» и «элемент»: кислород-элемент один, а простых веществ у него два — кислород O2 и озон O3. Это явление называется аллотропией.
«Элемент» — это про атомы (строка в таблице Менделеева). «Вещество» — это про то, что можно подержать в пробирке. Как только видишь индекс (O2, N2) — речь уже о веществе.
Атом — это плотное ядро из протонов и нейтронов, вокруг которого в облаке движутся электроны. Почти вся масса — в ядре, почти весь объём — в электронном облаке.
| Частица | Обозначение | Заряд | Масса (а.е.м.) | Где живёт |
|---|---|---|---|---|
| Протон | p+ | +1 | 1 | в ядре |
| Нейтрон | n0 | 0 | 1 | в ядре |
| Электрон | e− | −1 | ≈ 1/1840 | вокруг ядра |
Массой электрона в расчётах пренебрегают — она в ~1840 раз меньше массы протона (9,11·10−31 кг против 1,67·10−27 кг). Поэтому масса атома почти целиком определяется ядром.
Атом в целом электронейтрален: сколько в ядре протонов (+), столько же вокруг электронов (−). Значит для любого нейтрального атома: число протонов = числу электронов = порядковому номеру элемента.
Знать эту цепочку полезно не ради истории: каждая модель добавляла ровно одну идею, которой мы пользуемся до сих пор.
| Модель | Автор, год | Что добавила | Почему её сменили |
|---|---|---|---|
| «Пудинг с изюмом» | Дж. Томсон, 1904 | Атом делим, в нём есть электроны | Опыт с α-частицами показал: положительный заряд не «размазан» |
| Планетарная | Э. Резерфорд, 1911 | Есть крошечное тяжёлое ядро, вокруг — электроны | По законам физики такой электрон должен упасть на ядро |
| Модель Бора | Н. Бор, 1913 | Электрон живёт на разрешённых уровнях и не излучает на них энергию | Работала только для водорода |
| Квантово-механическая | совр. | Электрон — «облако», можно говорить лишь о вероятности найти его в области — орбитали | Это и есть рабочая модель ЕГЭ |
Тонкую золотую фольгу обстреляли α-частицами. Почти все прошли насквозь → атом в основном пустой. Единицы отскочили назад → внутри есть очень маленькое и очень плотное положительное ядро. Из одного опыта — вся картина атома.
90% заданий 1–2 — это устный счёт по трём величинам. Выучи связку — и они закрываются за секунды.
→ Z = 15 — фосфор стоит 15-м. Значит 15 протонов и, раз атом нейтральный, 15 электронов.
→ A = 31 (число сверху).
→ N = A − Z = 31 − 15 = 16 нейтронов.
Итог: 15 p+ · 16 n0 · 15 e- — и всё это за 10 секунд.
В заданиях массовое число A и относительную атомную массу Ar из таблицы легко перепутать. Для счёта нейтронов бери округлённую Ar: у хлора Ar = 35,5, но массовое число берём 35 (или указанное в условии).
Атом становится ионом, только меняя число электронов. Ядро (протоны и нейтроны) при этом не трогается — иначе поменялся бы сам элемент.
Na0 − 1e- → Na+
Металл отдаёт электроны. Протонов осталось 11, электронов стало 10 → перевес «+».
Cl0 + 1e- → Cl-
Неметалл принимает электроны. Протонов 17, электронов стало 18 → перевес «−».
Число электронов = Z − заряд иона. Для Fe3+: 26 − 3 = 23 электрона. Для S2−: 16 − (−2) = 18 электронов. Протоны и нейтроны — как у нейтрального атома, они не меняются.
Если у разных частиц совпало число электронов, их называют изоэлектронными. Это любимая заготовка составителей: спрашивают не «какой это элемент», а «у кого одинаковая электронная оболочка».
| Частица | Z (протонов) | Заряд | Электронов |
|---|---|---|---|
| O2− | 8 | −2 | 10 |
| F− | 9 | −1 | 10 |
| Ne | 10 | 0 | 10 |
| Na+ | 11 | +1 | 10 |
| Mg2+ | 12 | +2 | 10 |
Все пятеро несут по 10 электронов — оболочку неона. Именно к ней «стремятся» соседи неона в таблице, отдавая или принимая электроны. Отсюда и заряды ионов: Na всегда +1, Mg — +2, O — −2, F — −1.
Изоэлектронные — не изотопы и не одно вещество. У них разное число протонов, то есть это разные элементы. Совпадает только число электронов.
Заряд ядра у элемента фиксирован, а вот нейтронов может быть разное количество. Такие «версии» одного элемента и называют изотопами.
Изотопы — атомы одного элемента с одинаковым числом протонов (одинаковый Z), но разным числом нейтронов, а значит и разным массовым числом A.
У обоих 17 протонов — это точно хлор. Разница только в нейтронах: 18 против 20. Химически они ведут себя одинаково, отличается лишь масса.
В природе элемент — это смесь изотопов. Относительная атомная масса в таблице — это среднее взвешенное по их долям. Поэтому у хлора Ar = 35,5: природа смешала «лёгкий» и «тяжёлый» хлор примерно 3 : 1.
Пусть 35Cl — 75%, а 37Cl — 25%.
Ar = 35·0,75 + 37·0,25 = 26,25 + 9,25 = 35,5
Сходится с таблицей — значит доли угаданы верно.
1H — протий (0 нейтронов) · 2H — дейтерий D (1 нейтрон) · 3H — тритий T (2 нейтрона). У всех один протон — все это водород.
Хлор — удобный, но простой случай. В реальных заданиях доли дают для трёх-четырёх изотопов, и формула та же: каждое массовое число умножаем на его долю и складываем.
| Элемент | Изотопы и их доля в природе |
|---|---|
| Алюминий | 27Al — 100% |
| Водород | 1H — 99,985% · 2H — 0,015% |
| Хлор | 35Cl — 75,77% · 37Cl — 24,23% |
| Хром | 50Cr — 4,35% · 52Cr — 83,79% · 53Cr — 9,50% · 54Cr — 2,36% |
Ar = 50·0,0435 + 52·0,8379 + 53·0,0950 + 54·0,0236
= 2,175 + 43,571 + 5,035 + 1,274 = 52,06
В таблице у хрома 52 — сошлось. Логика видна сразу: 83,79% приходится на 52Cr, поэтому результат «прилипает» к 52.
Ответ обязан лежать между самым лёгким и самым тяжёлым изотопом и быть ближе к тому, чья доля больше. Получил 58 для хрома — ошибся в арифметике, даже не надо перепроверять по таблице.
Химические свойства изотопов практически одинаковы — реакции идут одни и те же. Различается только масса, а с ней — плотность и температуры плавления/кипения. Поэтому «тяжёлая вода» D2O — та же вода по химии, но с M = 20 г/моль.
Электроны вокруг ядра не свалены в кучу — они распределены по энергетическим уровням. Здесь берём только то, что нужно для заданий 1–2; подробный разбор подуровней и орбиталей — в конспекте 2.
Энергетический уровень (электронный слой) — совокупность электронов с близкой энергией. Номер уровня обозначают n. Число заполненных уровней у атома равно номеру периода, в котором стоит элемент.
Отсюда ёмкости: 1-й уровень — 2, 2-й — 8, 3-й — 18, 4-й — 32 электрона. При этом на внешнем уровне не бывает больше 8 электронов — этим и объясняется правило октета.
Валентные — те электроны, что участвуют в образовании химической связи. Для элементов главных подгрупп их число равно номеру группы и совпадает с числом электронов на внешнем уровне. У побочных подгрупп в игру входят ещё и d-электроны предвнешнего уровня — там правило сложнее.
| Элемент | Период | Группа | Всего e- | Уровней | e- на внешнем |
|---|---|---|---|---|---|
| H | 1 | I | 1 | 1 | 1 |
| C | 2 | IV | 6 | 2 | 4 |
| Al | 3 | III | 13 | 3 | 3 |
| Cl | 3 | VII | 17 | 3 | 7 |
| Ca | 4 | II | 20 | 4 | 2 |
Для элемента главной подгруппы всё берётся с двух координат: период = число уровней, номер группы = число внешних электронов. Ни считать, ни зубрить не нужно — достаточно найти клетку.
Атомы не посчитать поштучно, поэтому химики считают их «пачками». Одна такая пачка — моль. Это самый рабочий инструмент во всех расчётных задачах.
Массы атомов чудовищно малы, работать с ними в килограммах неудобно. Поэтому ввели свою «линейку» — атомную единицу массы.
1 а.е.м. = 1/12 массы атома 12C = 1,66·10−27 кг. Относительная атомная масса Ar показывает, во сколько раз масса атома больше а.е.м. Она безразмерна — это просто число из таблицы.
| Величина | Что это | Единицы | Пример |
|---|---|---|---|
| Ar | относительная атомная масса — для атома | безразмерна | Ar(S) = 32 |
| Mr | относительная молекулярная масса — сумма Ar всех атомов формулы | безразмерна | Mr(H2SO4) = 98 |
| M | молярная масса — масса одного моля | г/моль | M(H2SO4) = 98 г/моль |
Mr(N2) = 2·14 = 28
Mr(HCl) = 1 + 35,5 = 36,5
Mr(H2SO4) = 2·1 + 32 + 4·16 = 98
Скобки в формуле — это множитель на всю группу: Mr(Al2(SO4)3) = 2·27 + 3·(32 + 4·16) = 54 + 288 = 342.
Численно они совпадают, но Mr — число без единиц, а M измеряется в г/моль. В ответе задачи писать «M = 98» без единиц — потеря балла на ровном месте.
В одном моле любого вещества — одинаковое число частиц: NA = 6,02 · 1023 штук. Как «дюжина» — это всегда 12, только очень-очень большая.
Численно M равна Ar (для молекул — сумме Ar), только в г/моль. У воды M(H2O) = 2·1 + 16 = 18 г/моль. Всё берётся прямо из таблицы Менделеева.
→ M(H2O) = 18 г/моль.
→ n = m / M = 36 / 18 = 2 моль
→ N = n · NA = 2 · 6,02·1023 = 1,204·1024 молекул
Формула вещества имеет смысл, только если вещество чистое. Как только компонентов несколько — состав перестаёт быть постоянным, и вместо формулы появляются доли и примеси.
| Чистое (индивидуальное) вещество | Смесь | |
|---|---|---|
| Состав | частицы одного вещества, состав постоянный | частицы двух и более веществ, состав любой |
| Свойства | постоянные: своя tпл, tкип, плотность | зависят от соотношения; свойства компонентов сохраняются |
| Разделение | только химической реакцией | физическими способами |
| Пример | дистиллированная вода, чистое железо | воздух, морская вода, сталь |
Границы раздела между компонентами нет — даже под микроскопом. Воздух, сладкий чай, столовый уксус, любые растворы и сплавы.
Компоненты разделены поверхностью раздела фаз и видны. Железные стружки с песком, вода со льдом, мутная взвесь мела.
Отстаивание и фильтрование — если частицы не растворились (песок в воде). Выпаривание и кристаллизация — вернуть соль из раствора. Дистилляция (перегонка) — разделить жидкости по температуре кипения. Действие магнитом — вытащить железо. Все способы физические: вещества при этом не меняются.
Одно и то же вещество бывает твёрдым, жидким и газообразным — меняется не состав, а расположение частиц. Переходы между состояниями — физические явления, формула вещества остаётся прежней.
| Переход | Как называется | Пример |
|---|---|---|
| твёрдое → жидкое | плавление | таяние льда |
| жидкое → твёрдое | кристаллизация (отвердевание) | замерзание воды |
| жидкое → газ | испарение (кипение) | кипящий чайник |
| газ → жидкое | конденсация | роса на стекле |
| твёрдое → газ | возгонка (сублимация) | «сухой лёд» CO2, иод |
| газ → твёрдое | десублимация | иней |
Всё предыдущее было описанием. Химия начинается там, где одни вещества превращаются в другие.
Химическая реакция — процесс, в котором из одних веществ образуются другие. Атомы при этом никуда не деваются — они перегруппировываются. Химическое уравнение — запись реакции формулами с коэффициентами.
Масса веществ до реакции равна массе веществ после неё. Поэтому число атомов каждого элемента слева и справа должно совпадать — именно ради этого и расставляют коэффициенты.
Индекс (маленькая цифра внизу) — часть формулы вещества, менять его нельзя: H2O и H2O2 — разные вещества. Коэффициент (большая цифра впереди) показывает число молекул и меняется свободно. Уравнивать реакцию правкой индексов — грубейшая ошибка.
Вещество то же, изменились форма или состояние: лёд растаял, проволоку согнули, сахар растворился.
Появилось новое вещество. Признаки: осадок, газ, изменение цвета, запаха, выделение или поглощение теплоты и света.
Символы элементов — сокращения от латинских названий, а не русских. Отсюда Fe у железа и Ag у серебра. На письме это не мешает, но в устном разборе и в органических названиях всплывает постоянно.
| № | Русское название | Латинское | Символ | Как читают |
|---|---|---|---|---|
| 1 | Водород | Hydrogenium | H | аш |
| 6 | Углерод | Carboneum | C | це |
| 7 | Азот | Nitrogenium | N | эн |
| 8 | Кислород | Oxygenium | O | о |
| 14 | Кремний | Silicium | Si | силициум |
| 15 | Фосфор | Phosphorus | P | пэ |
| 16 | Сера | Sulfur | S | эс |
| 26 | Железо | Ferrum | Fe | феррум |
| 29 | Медь | Cuprum | Cu | купрум |
| 33 | Мышьяк | Arsenicum | As | арсеникум |
| 47 | Серебро | Argentum | Ag | аргентум |
| 50 | Олово | Stannum | Sn | станум |
| 51 | Сурьма | Stibium | Sb | стибиум |
| 79 | Золото | Aurum | Au | аурум |
| 80 | Ртуть | Hydrargyrum | Hg | гидраргирум |
| 82 | Свинец | Plumbum | Pb | плюмбум |
Элементы вне этого списка читаются как их русское название: аргон — «аргон», хром — «хром», калий — «калий». Запоминать нужно только шестнадцать строк выше.
Ответь мысленно, потом раскрой карточку. Первые вопросы — на понимание, последние три — в формате задания 1 из ЕГЭ.
26 протонов (Z = 26) и столько же электронов — атом нейтрален. Нейтронов: N = 56 − 26 = 30.
Только числом нейтронов (18 и 20). Протонов у обоих 17, поэтому это один элемент — хлор. Это изотопы.
Сера: Z = 16 → 16 протонов. Ион принял 2 электрона: 16 + 2 = 18 электронов. Протоны и нейтроны не изменились.
M(CO2) = 12 + 2·16 = 44 г/моль. Тогда m = n · M = 0,5 · 44 = 22 г.
У всех по 10 электронов: Na 11−1 = 10, F 9+1 = 10, Ne = 10. Такие частицы называют изоэлектронными. Протонов при этом у всех разное число — это разные элементы.
Физическое. Нового вещества не появилось: выпарь воду — сахар вернётся. А вот обугливание сахара при нагревании — уже химическое: образуются углерод и вода.
Считаем N = A − Z по округлённой Ar:
Ответ: 24.
N = A − Z: Cl 35−17 = 18 · Ar 40−18 = 22 · K 39−19 = 20 · Ca 40−20 = 20 · S 32−16 = 16.
Ответ: 34. Обрати внимание: у 40Ar и 40Ca одинаковое массовое число, но разное число нейтронов — это не изотопы.
Для главных подгрупп число внешних электронов = номеру группы: N — V (5), Be — II (2) ✓, Na — I (1), Sr — II (2) ✓, F — VII (7).
Ответ: 24. Считать электронную формулу целиком здесь не нужно — достаточно найти столбец.
Орбита оценит уровень по каждой из 34 тем ЕГЭ и сама подберёт, что решать дальше. Первая диагностика — 12 задач, регистрация по логину, почту не спрашиваем.
Начать бесплатно