1. Czy możemy określić budowę cząsteczki związku kowalencyjnego na podstawie jego wzoru?

Wzór chemiczny związku kowalencyjnego opisuje budowę jego cząsteczek. Użyte we wzorach symbole pierwiastków informują o rodzaju atomów tworzących cząsteczkę, a cyfry umieszczone z prawej strony u dołu symbolu informują o ich liczbie. Cyfry, za pomocą których wyrażamy liczbę atomów w cząsteczce, nazywają się indeksami stechiometrycznymiindeks stechiometrycznyindeksami stechiometrycznymi. Są one także nazywane indeksami dolnymi. Umieszcza się je we wzorze zawsze za symbolem pierwiastka, do którego atomów się odnoszą. Jeśli indeks stechiometryczny jest równy jedności, cyfry 1 nie wstawiamy. We wzorze chemicznym wody ${\text{H}}_{\text{2}}\text{O}$ indeks stechiometryczny dla wodoru wynosi 2, a dla tlenu – 1. Na tej podstawie możemy powiedzieć, że cząsteczka wody składa się z dwóch atomów wodoru i jednego atomu tlenu.

R1DCXt8jyoAik1

Rozkład sumarycznego wzoru na cząsteczkę wody. W centralnej części ilustracji znajduje się wzór H2O. Od góry dwie strzałki wskazują na symbole pierwiastków H i O, a napis głosi: Symbole pierwiastków oznaczają, że cząsteczka wody zbudowana jest z atomów wodoru i tlenu. Od dołu strzałka wskazuje mają liczbę przy literze H, czyli tak zwany indeks dolny. Napis głosi: Indeks stechiometryczny umieszczony za symbolem wodoru we wzorze cząsteczki wody informuje, że zawiera ona dwa atomy wodoru.

R1WGk2ukPhcjk1

Animacja wyjaśnia sposób tworzenia sumarycznego wzoru cząsteczki wody. Rozpoczyna się od rysunku modelu cząsteczki, czyli dużej czerwonej kuli przedstawiającej atom tlenu i dwóch mniejszych białych kul przedstawiających atomy wodoru. Na kulach pojawiają się symbole odpowiadających im pierwiastków, a punkty połączeń oznaczane są kreskami. W ten sposób powstaje wzór strukturalny kreskowy. Następnie znika obraz modelu cząsteczki, a następnie kreski łączące symbole pierwiastków. Leżące w jednej linii litery H powoli zbliżają się do siebie i łączą, zamieniając w literę H z dolnym indeksem 2. Znak ten przesuwa się następnie do góry i lokuje przed literą O, tworząc wzór sumaryczny cząsteczki wody.

Animacja wyjaśnia sposób tworzenia sumarycznego wzoru cząsteczki wody. Rozpoczyna się od rysunku modelu cząsteczki, czyli dużej czerwonej kuli przedstawiającej atom tlenu i dwóch mniejszych białych kul przedstawiających atomy wodoru. Na kulach pojawiają się symbole odpowiadających im pierwiastków, a punkty połączeń oznaczane są kreskami. W ten sposób powstaje wzór strukturalny kreskowy. Następnie znika obraz modelu cząsteczki, a następnie kreski łączące symbole pierwiastków. Leżące w jednej linii litery H powoli zbliżają się do siebie i łączą, zamieniając w literę H z dolnym indeksem 2. Znak ten przesuwa się następnie do góry i lokuje przed literą O, tworząc wzór sumaryczny cząsteczki wody.

Film dostępny pod adresem https://zpe.gov.pl/a/D1aAjQsf

Animacja wyjaśnia sposób tworzenia sumarycznego wzoru cząsteczki wody. Rozpoczyna się od rysunku modelu cząsteczki, czyli dużej czerwonej kuli przedstawiającej atom tlenu i dwóch mniejszych białych kul przedstawiających atomy wodoru. Na kulach pojawiają się symbole odpowiadających im pierwiastków, a punkty połączeń oznaczane są kreskami. W ten sposób powstaje wzór strukturalny kreskowy. Następnie znika obraz modelu cząsteczki, a następnie kreski łączące symbole pierwiastków. Leżące w jednej linii litery H powoli zbliżają się do siebie i łączą, zamieniając w literę H z dolnym indeksem 2. Znak ten przesuwa się następnie do góry i lokuje przed literą O, tworząc wzór sumaryczny cząsteczki wody.

Wzór ${\text{NH}}_{\text{3}}$ to wzór amoniaku – substancji której cząsteczki są zbudowane z jednego atomu azotu i trzech atomów wodoru.

RiVgNKpY3uQn51

Animacja wyjaśnia sposób tworzenia sumarycznego wzoru cząsteczki amoniaku. Rozpoczyna się od rysunku modelu cząsteczki, czyli niebieskiej kuli przedstawiającej atom azotu i trzech mniejszych białych kul przedstawiających atomy wodoru. Na kulach pojawiają się symbole odpowiadających im pierwiastków, a kule stopniowo znikają. Pomiędzy symbolem azotu i symbolami wodoru pojawiają się łączące je kreski. W ten sposób powstaje wzór strukturalny kreskowy. Znikają kreski, a litery H powoli zbliżają się do siebie i łączą, zamieniając w literę H z dolnym indeksem najpierw 2, a potem 3. Znak ten przesuwa się następnie do góry i lokuje za literą O, tworząc wzór sumaryczny cząsteczki amoniaku.

Animacja wyjaśnia sposób tworzenia sumarycznego wzoru cząsteczki amoniaku. Rozpoczyna się od rysunku modelu cząsteczki, czyli niebieskiej kuli przedstawiającej atom azotu i trzech mniejszych białych kul przedstawiających atomy wodoru. Na kulach pojawiają się symbole odpowiadających im pierwiastków, a kule stopniowo znikają. Pomiędzy symbolem azotu i symbolami wodoru pojawiają się łączące je kreski. W ten sposób powstaje wzór strukturalny kreskowy. Znikają kreski, a litery H powoli zbliżają się do siebie i łączą, zamieniając w literę H z dolnym indeksem najpierw 2, a potem 3. Znak ten przesuwa się następnie do góry i lokuje za literą O, tworząc wzór sumaryczny cząsteczki amoniaku.

Film dostępny pod adresem https://zpe.gov.pl/a/D1aAjQsf

Animacja wyjaśnia sposób tworzenia sumarycznego wzoru cząsteczki amoniaku. Rozpoczyna się od rysunku modelu cząsteczki, czyli niebieskiej kuli przedstawiającej atom azotu i trzech mniejszych białych kul przedstawiających atomy wodoru. Na kulach pojawiają się symbole odpowiadających im pierwiastków, a kule stopniowo znikają. Pomiędzy symbolem azotu i symbolami wodoru pojawiają się łączące je kreski. W ten sposób powstaje wzór strukturalny kreskowy. Znikają kreski, a litery H powoli zbliżają się do siebie i łączą, zamieniając w literę H z dolnym indeksem najpierw 2, a potem 3. Znak ten przesuwa się następnie do góry i lokuje za literą O, tworząc wzór sumaryczny cząsteczki amoniaku.

Czy możemy określić skład cząsteczek związku kowalencyjnego bez znajomości jego nazwy?

Bez znajomości dokładnej budowy i nazwy substancji kowalencyjnej, a tylko na podstawie wzoru sumarycznego można określić skład jej cząsteczki (rodzaj tworzących ją atomów i ich liczbę). Na przykład ze wzoru ${\text{H}}_{\text{2}}\text{S}{\text{O}}_{\text{4}}$ możemy wywnioskować, że cząsteczka związku opisanego tym wzorem składa się z dwóch atomów wodoru, jednego atomu siarki i czterech atomów tlenu. Podobnie wzór ${\text{H}}_{\text{3}}\text{P}{\text{O}}_{\text{4}}$ mówi nam, że cząsteczka substancji o tym wzorze zbudowana jest z trzech atomów wodoru, jednego atomu fosforu i czterech atomów tlenu.

2. W jaki sposób opisujemy zbiory cząsteczek?

W sytuacji, gdy chcemy przedstawić zbiór składający się z więcej niż jednej cząsteczki, np. z trzech cząsteczek wody, to liczbę tych cząsteczek umieszczamy przed wzorem związku. Trzy cząsteczki wody (${\text{H}}_{\text{2}}\text{O}$, ${\text{H}}_{\text{2}}\text{O}$, ${\text{H}}_{\text{2}}\text{O}$) opiszemy jako $\text{3}{\text{H}}_{\text{2}}\text{O}$. Liczbę umieszczoną przed wzorem związku nazywa się współczynnikiem stechiometrycznymwspółczynnik stechiometrycznywspółczynnikiem stechiometrycznym.

R15QeZvAuUl1o1

Ilustracja przedstawia rysunki trzech cząsteczek wody ulokowanych obok siebie i oznaczonych kolejnymi numerami od lewej do prawej. Poniżej numerów od cząstek prowadzą linie łączące się w jednym miejscu, nad zapisem sumarycznym 3H2O. Liczba trzy przed cząsteczką opisana jest jako współczynnik stechniometryczny.

Spróbujmy określić liczbę poszczególnych atomów pierwiastków w zbiorze trzech cząsteczek wody: ${\text{3H}}_{\text{2}}\text{O}$. Jedna cząsteczka zawiera dwa atomy wodoru i jeden atom tlenu, zaś w trzech znajduje się razem $\text{3 · 2}$, czyli sześć atomów wodoru i $\text{3 · 1}$, tj. trzy atomy tlenu.

RQY7iXUs4watJ1

Ilustracja uzupełniająca do zamieszczonego powyżej schematu tłumaczącego znaczenie współczynnika stechniometrycznego. Przedstawia trzy ulokowane obok siebie cząsteczki wody z kolejno ponumerowanymi od 1 do 3 atomami tlenu oraz od 1 do 6 atomami wodoru.

Pięć cząsteczek amoniaku, ${\text{5NH}}_{\text{3}}$, to łącznie ($\text{5 · 1 = 5}$) pięć atomów azotu i ($\text{5 · 3 = 15}$) piętnaście atomów wodoru.

R1EjuLn2DQVd51

Ilustracja procesu liczenia atomów w pięciu cząsteczkach amoniaku. Przedstawia pięć ulokowanych obok siebie cząsteczek NH3 z kolejno ponumerowanymi od 1 do 5 atomami azotu oraz od 1 do 15 atomami wodoru. Podpisy obok rysunku głoszą: 5 atomów azotu, 15 atomów wodoru.

R1383jqOXnKem1

Prezentacja rozpoczyna się od planszy ze wzorem sumarycznym wody, H2O. Następuje wyróżnienie żółtym kolorem współczynnika 2 za atomem wodoru oraz pustej przestrzeni za atomem tlenu. Pojawia się podpis Indeksy stechiometryczne. Następuje zmiana planszy na zawierającą zdjęcie pełnej cukierniczki oraz wzorem sumarycznym sacharozy C12H22O11. Indeksy stechiometryczne węgla, wodoru i tlenu obecne we wzorze zostają wyróżnione pomarańczowym kolorem. Następnie pod wzorem cząsteczki pojawia się liczba 1, a na ekranie pojawiają się trzy kolejne, również numerowane wzory cząsteczek sacharozy. Wszystkie numery poza ostatnim, czwórką, znikają, a sama czwórka zostaje wyróżniona i przesunięta na środek ekranu, gdzie pod nią pojawia się podpis Współczynnik stechiometryczny, a za nią wzór sumaryczny cząsteczki sacharozy. Liczba 4 zostaje wyróżniona kolorem turkusowym, podobnie jak indeksy przy symbolach atomów. Poniżej pojawia się podsumowanie wprowadzonych pojęć: Indeks stechiometryczny opisuje, ile atomów poszczególnych pierwiastków tworzy cząstkę. Współczynnik stechiometryczny mówi o liczbie cząstek.

Prezentacja rozpoczyna się od planszy ze wzorem sumarycznym wody, H2O. Następuje wyróżnienie żółtym kolorem współczynnika 2 za atomem wodoru oraz pustej przestrzeni za atomem tlenu. Pojawia się podpis Indeksy stechiometryczne. Następuje zmiana planszy na zawierającą zdjęcie pełnej cukierniczki oraz wzorem sumarycznym sacharozy C12H22O11. Indeksy stechiometryczne węgla, wodoru i tlenu obecne we wzorze zostają wyróżnione pomarańczowym kolorem. Następnie pod wzorem cząsteczki pojawia się liczba 1, a na ekranie pojawiają się trzy kolejne, również numerowane wzory cząsteczek sacharozy. Wszystkie numery poza ostatnim, czwórką, znikają, a sama czwórka zostaje wyróżniona i przesunięta na środek ekranu, gdzie pod nią pojawia się podpis Współczynnik stechiometryczny, a za nią wzór sumaryczny cząsteczki sacharozy. Liczba 4 zostaje wyróżniona kolorem turkusowym, podobnie jak indeksy przy symbolach atomów. Poniżej pojawia się podsumowanie wprowadzonych pojęć: Indeks stechiometryczny opisuje, ile atomów poszczególnych pierwiastków tworzy cząstkę. Współczynnik stechiometryczny mówi o liczbie cząstek.

Film dostępny pod adresem https://zpe.gov.pl/a/D1aAjQsf

Prezentacja rozpoczyna się od planszy ze wzorem sumarycznym wody, H2O. Następuje wyróżnienie żółtym kolorem współczynnika 2 za atomem wodoru oraz pustej przestrzeni za atomem tlenu. Pojawia się podpis Indeksy stechiometryczne. Następuje zmiana planszy na zawierającą zdjęcie pełnej cukierniczki oraz wzorem sumarycznym sacharozy C12H22O11. Indeksy stechiometryczne węgla, wodoru i tlenu obecne we wzorze zostają wyróżnione pomarańczowym kolorem. Następnie pod wzorem cząsteczki pojawia się liczba 1, a na ekranie pojawiają się trzy kolejne, również numerowane wzory cząsteczek sacharozy. Wszystkie numery poza ostatnim, czwórką, znikają, a sama czwórka zostaje wyróżniona i przesunięta na środek ekranu, gdzie pod nią pojawia się podpis Współczynnik stechiometryczny, a za nią wzór sumaryczny cząsteczki sacharozy. Liczba 4 zostaje wyróżniona kolorem turkusowym, podobnie jak indeksy przy symbolach atomów. Poniżej pojawia się podsumowanie wprowadzonych pojęć: Indeks stechiometryczny opisuje, ile atomów poszczególnych pierwiastków tworzy cząstkę. Współczynnik stechiometryczny mówi o liczbie cząstek.

3. Niektóre pierwiastki mogą tworzyć cząsteczki. Jak je opisujemy?

Niektóre niemetale (np. azot, tlen, fluor, chlor, brom, jod, siarka i fosfor) występują w przyrodzie w stanie wolnym w postaci cząsteczek. Na przykład atomy tlenu tworzą przede wszystkim cząsteczki dwuatomowe ${\text{O}}_{\text{2}}$, zbudowane z dwóch atomów (tlen atmosferyczny, składnik powietrza) oraz cząsteczki trójatomowe ${\text{O}}_{\text{3}}$, zbudowane z trzech atomów (ozon, obecny w powietrzu w trakcie wyładowań atmosferycznych).

Indeks stechiometryczny przy symbolu pierwiastka równy liczbie 3 wskazuje, że cząsteczki ozonu są zbudowane z trzech atomów tlenu.

Współczynnik stechiometryczny zapisany przed symbolem (np. $\text{6Cl}$ – 6 atomów chloru ) lub wzorem (np.${\text{6Cl}}_{\text{2}}$ – 6 cząsteczek chloru) informuje o liczbie atomów lub cząsteczek. Zapis $\text{6Cl}$ wskazuje na 6 wolnych niezwiązanych atomów chloru, natomiast ${\text{6Cl}}_{\text{2}}$ – na obecność 6 dwuatomowych cząsteczek chloru, czyli łącznie 12 atomów.

RBHSXuYoDUMAI1

Ilustracja przedstawia sześć par połączonych ze sobą kolejno ponumerowanych zielonych kulek, stanowiących modele cząsteczek chloru Cl2.

R1Pr8EPuGSoJp1

Ilustracja przedstawia sześć kolejno ponumerowanych zielonych kulek, stanowiących modele pojedynczych atomów chloru.

4. Jak interpretujemy zapisy dotyczące związków jonowych?

Związki jonowe powstają z połączenia metali z niemetalami. Związki te są zbudowane z jonów, które ułożone są naprzemiennie, tworzą uporządkowane struktury zwane kryształami. W krysztale nie występują izolowane grupy atomów, które można byłoby nazwać cząsteczkami. Wzór sumaryczny związku jonowego przedstawia zatem najmniejszy zbiór powtarzających się jonów w krysztale. Indeksy stechiometryczne określają liczbę jonów danego pierwiastka w tym zbiorze.

W związkach jonowych składających się z dwóch pierwiastków metal jest zawsze kationem, a niemetal – anionem. Przykładem takiego związku jest chlorek sodu. Jego wzór, $\text{NaCl}$, informuje, że kryształ chlorku sodu jest zbudowany z kationów sodu (${\text{Na}}^{\text{+}}$) i anionów chlorkowych (${\text{Cl}}^{-}$), a ich stosunek ilościowy wynosi 1 : 1.

Inna substancja jonowa, chlorek glinu, o wzorze ${\text{AlCl}}_{\text{3}}$, jest zbudowana z kationów glinu (${\text{Al}}^{\text{3+}}$) i anionów chlorkowych (${\text{Cl}}^{-}$). W tym związku najmniejszy zbiór powtarzających się jonów tworzą jeden jon glinu (kation) i trzy jony chlorkowe (aniony).
W krysztale kolejnej substancji jonowej, siarczku potasu, o wzorze ${\text{K}}_{\text{2}}\text{S}$, na jeden anion siarczkowy (${\text{S}}^{2-}$) przypadają dwa kationy potasu (${\text{K}}^{\text{+}}$).

Liczby umieszczone przed wzorem związku jonowego (współczynniki stechiometryczne) określają liczbę najmniejszych zbiorów tworzących kryształ. Na przykład zapis $\text{10NaCl}$ oznacza dziesięć zbiorów składających się z jednego kationu sodu (${\text{Na}}^{\text{+}}$) i jednego anionu chlorkowego (${\text{Cl}}^{-}$).

Rh1mbl7Tuu98D1

Ilustracja przedstawia wycinek atomowego modelu kryształku chlorku sodu, czyli soli kamiennej. Z lewej strony widoczny jest sześcian składający się z większych i mniejszych szarych kół złożonych w regularny deseń. Część z nich, na pierwszym planie zostało wyróżnionych w postaci kulek. Dziesięć większych ma kolor zielony, a dziesięć mniejszych popielaty. Po prawej stronie znajduje się legenda do tego modelu: mniejsze kulki szare opisane są jako jony Na+, a większe zielone jako Cl-. Zbiór ten można sumarycznie opisać wzorem 10NaCl.

5. Jak interpretujemy zapisy chemiczne z użyciem prostych wzorów chemicznych?

Spróbujmy odczytać zapis dotyczący tlenku azotu(IV): ${\text{4}\text{NO}}_{\text{2}}$. Aby dobrze zinterpretować to wyrażenie, musimy rozstrzygnąć, czy przedstawiony związek jest kowalencyjny, czy jonowy. Związek o wzorze ${\text{NO}}_{\text{2}}$ składa się z dwóch niemetali. Jak pamiętamy, wiązania kowalencyjne są tworzone przez atomy niemetali, dlatego możemy sądzić, że wzór opisuje związek kowalencyjny, zbudowany z cząsteczek. W opisie zbioru ${\text{4}\text{NO}}_{\text{2}}$ można posługiwać się pojęciem cząsteczka. Liczba 4 umieszczona przed wzorem informuje, że w zbiorze znajdują się cztery cząsteczki. Każda z nich składa się z jednego atomu azotu i dwóch atomów tlenu (o czym informuje liczba 2 znajdująca się za $\text{O}$). Razem w zbiorze są ($\text{4 · 1 = 4}$) cztery atomy azotu i ($\text{4 · 2 = 8}$) osiem atomów tlenu.

R1bD0uov2a27w1

Ilustracja przedstawia klucz interpretacji zapisu chemicznego czterech cząsteczek dwutlenku azotu wzorem sumarycznym. Centralną część obrazka stanowi duży wzór 4NO2. Do liczby cztery na początku prowadzi strzałka z komentarzem: Współczynnik stechiometryczny określa liczbę cząsteczek. Do liczby 2 za symbolem tlenu prowadzi strzałka z komentarzem: Indeks stechiometryczny określa liczbę atomów w cząsteczce.

Wzór $\text{NaBr}$ opisuje inną substancję, bromek sodu, zbudowaną z metalu (sodu) i niemetalu (bromu). W związkach zbudowanych z metalu i niemetalu występują wiązania jonowe. Z tego względu możemy przyjąć, że związek o wzorze $\text{NaBr}$ ma budowę jonową. Kationem jest jon utworzony z atomu metalu (sodu), a anionem – jon utworzony z atomu niemetalu (bromu). W najmniejszym zbiorze powtarzających się jonów w krysztale $\text{NaBr}$ znajduje się jeden kation sodu (${\text{Na}}^{\text{+}}$) i jeden anion bromkowy (${\text{Br}}^{-}$).

W zbiorze zapisanym jako $\text{4NaBr}$ znajdują się cztery kationy sodu (${\text{Na}}^{\text{+}}$) i cztery aniony bromkowe (${\text{Br}}^{-}$).

RYUeFwBfEuEFq1

Ilustracja przedstawia klucz interpretacji zapisu chemicznego czterech cząsteczek bromku sodu wzorem sumarycznym. Centralną część obrazka stanowi duży wzór 4NaBr. Do liczby cztery na początku prowadzi strzałka z komentarzem: Współczynnik stechiometryczny określa liczbę najmniejszych zbiorów powtarzających się jonów. Do pustych miejsc za symbolami sodu i bromu prowadzą strzałki z komentarzem: Indeksy stechiometryczne równe jedności.

6. Jak interpretujemy zapisy chemiczne z użyciem złożonych wzorów chemicznych?

W niektórych wzorach grupy atomów zapisuje się w nawiasie, po którym występuje liczba, np. ${\text{Ca}}_{\text{3}}\text{(}{\text{PO}}_{\text{4}}{\text{)}}_{\text{2}}$. W zaprezentowanym zbiorze liczba 2 odnosi się do wszystkich atomów znajdujących się w nawiasie. Aby dokładnie pokazać, jak należałoby ilościowo rozumieć zastosowany zapis, rozpiszmy ten wzór:

RGoh6ai4rtrJz1

Ilustracja zawiera interpretację zapisu wzoru chemicznego wykorzystującego nawiasy. Obiektem analizy jest cząsteczka fosforanu wapnia, która na potrzeby interpretacji została rozpisana na trzy elementy składowe w postaci słupka przypominającego równanie matematyczne. W skład tego słupka wchodzą następujące elementy składowe: Ca, oraz dwie grupy CaPO4. Pozwala to łatwo obliczyć liczbę poszczególnych atomów w cząsteczce.

Podany wzór ${\text{Ca}}_{\text{3}}\text{(}{\text{PO}}_{\text{4}}{\text{)}}_{\text{2}}$ możemy zinterpretować następująco: w zbiorze znajdują się trzy atomy wapnia, dwa atomy fosforu ($\text{2 · 1 = 2}$) i osiem atomów tlenu $\text{(2 · 4 = 8}$). W zbiorze opisanym wzorem $\text{2}{\text{Ca}}_{\text{3}}\text{(}{\text{PO}}_{\text{4}}{\text{)}}_{\text{2}}$ mamy ($\text{2 · 3 = 6}$) sześć atomów wapnia ($\text{2 · 2 = 4}$), cztery atomy fosforu i ($\text{2 · 2 · 4 = 16}$) szesnaście atomów tlenu.

Podsumowanie

• Za pomocą wzorów chemicznych można przedstawiać określoną liczbę cząsteczek, atomów i jonów.

• Liczbę atomów w cząsteczce bądź jonów w jednostce formalnej przedstawia się przy użyciu indeksu stechiometrycznego. We wzorze substancji liczbę tę zapisuje się z prawej strony u dołu symbolu pierwiastka.

• Liczbę atomów, cząsteczek bądź jednostek formalnych związku jonowego określa się, wykorzystując współczynnik stechiometryczny – liczbę zapisywaną przed wzorem sumarycznym związku.

Słowniczek

Zadania