Типові завдання НМТ: будова речовини

На НМТ важливо розрізняти прості й складні речовини, а також вільно визначати склад атомів і простих йонів. Це основа, без якої не обійтися в жодному розділі хімії.

Прості та складні речовини

Проста речовина складається з атомів лише одного хімічного елемента. Наприклад: O₂ (кисень), Fe (залізо), S₈ (сірка). Молекула озону O₃ — теж проста речовина, а не «сполука», хоч і складається з трьох атомів, адже всі вони належать одному елементові — Оксигену.

Складна речовина (хімічна сполука) містить атоми різних елементів: H₂O (вода), NaCl (натрій хлорид), CaCO₃ (кальцій карбонат).

Будова атома

Атом складається з ядра (протони й нейтрони) та електронної оболонки. Число протонів у ядрі називають протонним числом Z. Саме воно визначає, до якого елемента належить атом. У нейтральному атомі число електронів дорівнює Z.

Число нейтронів N обчислюють за формулою: N = A − Z, де A — нуклонне число (масове число) — сумарна кількість протонів і нейтронів у ядрі. Не плутай нуклонне число A з відносною атомною масою Ar, яка є середнім значенням мас ізотопів і може бути дробовою (наприклад, Cl — 35,5).

Приклад: для атома Калію Z = 19, A = 39. Отже, протонів — 19, електронів — 19, нейтронів — 39 − 19 = 20.

Йони: катіони й аніони

Йон — це заряджена частинка, що утворюється з атома внаслідок втрати або приєднання електронів.

• Катіон K⁺ має 19 протонів (Z не змінюється) і 18 електронів (один електрон втрачено).

• Аніон S²⁻ має 16 протонів і 18 електронів (два електрони приєднано).

Загальне правило: число електронів у йоні дорівнює Z ∓ заряд йона. Для катіона — віднімаємо заряд, для аніона — додаємо. Електронна конфігурація йона, як правило, збігається з конфігурацією найближчого інертного елемента (наприклад, K⁺ має конфігурацію Ar, S²⁻ — теж Ar).

Ізотопи

Ізотопи — це атоми одного хімічного елемента, які мають однакове протонне число Z, але різне нуклонне число A, тобто різну кількість нейтронів. Найвідоміший приклад — ізотопи Гідрогену: ¹H (протій, 1 протон, 0 нейтронів), ²H (дейтерій, 1 протон, 1 нейтрон), ³H (тритій, 1 протон, 2 нейтрони). Хімічні властивості ізотопів майже однакові, а фізичні (маса, густина) — різні.

Періодичний закон і Періодична система хімічних елементів — один із головних інструментів на НМТ. За допомогою ПС, яку ти отримаєш у довідкових матеріалах, можна визначити електронну будову атома, передбачити властивості елемента та його сполук.

Електронна формула атома

Електронна формула показує розподіл електронів за енергетичними рівнями й підрівнями. Наприклад, для Сульфуру (S, Z = 16) вона має вигляд: 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁴. Це означає, що 16 електронів розміщені на трьох енергетичних рівнях (період 3), а на зовнішньому рівні — 6 електронів (3s² 3p⁴), тому Сульфур належить до VIa групи.

Для s- і p-елементів номер групи дорівнює числу валентних електронів — тобто електронів на зовнішньому енергетичному рівні. Наприклад, Натрій (Na, Z = 11) має формулу 1s² 2s² 2p⁶ 3s¹ — один валентний електрон, I група. Хлор (Cl, Z = 17) — 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁵ — сім валентних електронів, VII група.

Зміна властивостей у групі та в періоді

У групі (стовпчику ПС) згори вниз:

• радіус атома зростає (додаються нові енергетичні рівні);

• електронегативність зменшується;

• неметалічні властивості слабшають, металічні — посилюються.

У періоді (рядку ПС) зліва направо:

• радіус атома зменшується (зростає заряд ядра, що сильніше притягує електрони);

• електронегативність зростає;

• металічні властивості слабшають, неметалічні — посилюються.

Наприклад, у третьому періоді: Na (метал) → Mg → Al → Si → P → S → Cl (типовий неметал). Радіус атома поступово зменшується, а електронегативність зростає.

Формули вищих оксидів і летких сполук з Гідрогеном

За номером групи можна визначити формулу вищого оксиду елемента. Для елементів I–III груп це E₂O (I), EO (II), E₂O₃ (III); для IV групи — EO₂; для V — E₂O₅; для VI — EO₃; для VII — E₂O₇. Формули летких сполук з Гідрогеном: для IV групи — EH₄, для V — EH₃, для VI — H₂E, для VII — HE. Ці рядки є в довідкових матеріалах НМТ, тому вчити їх напам’ять не потрібно — важливо вміти ними користуватися.

Увага: у Періодичній системі довідки НМТ подано символи елементів, протонні числа й відносні атомні маси (Ar) з десятковими знаками; для завдань 21–24 їх треба самостійно округлювати до одиниць. Назви елементів ти маєш знати самостійно. Наприклад, побачивши символ Fe, ти маєш знати, що це Ферум (залізо), а Pb — Плюмбум (свинець).

Тип хімічного зв'язку та тип кристалічних ґраток визначають фізичні й хімічні властивості речовини. На НМТ ці теми перевіряють як за формулою речовини, так і за моделлю (рисунком) ґраток.

Типи хімічного зв'язку

Розрізняють кілька основних типів хімічного зв'язку:

Кратність ковалентного зв'язку: у N₂ — потрійний зв'язок (N≡N), у O₂ — подвійний (O=O), у Cl₂ — одинарний (Cl−Cl).

Типи кристалічних ґраток

Кристалічні ґратки — це просторове розташування частинок (атомів, йонів або молекул) у твердій речовині. Тип ґраток визначає фізичні властивості:

За моделлю (рисунком) ґраток тип визначають так: чергування різнозаряджених куль — йонні ґратки; кулі-атоми, сполучені лініями (зв'язками), — атомні; окремі групи куль (молекули) — молекулярні; кулі однакового розміру в щільному пакуванні — металічні.

Ступінь окиснення та кількість речовини — дві теми, які можуть поєднуватися в одному завданні. Важливо чітко засвоїти правила й не плутати ступінь окиснення з валентністю.

Правила визначення ступеня окиснення

Ступінь окиснення — це умовний заряд атома в сполуці, обчислений у припущенні, що всі зв'язки — йонні. Основні правила:

• У простих речовинах ступінь окиснення дорівнює 0 (O₂, Fe, Cl₂).

• Гідроген у сполуках має +1, крім гідридів металів (NaH, CaH₂), де він −1.

• Оксиген у сполуках має −2, крім пероксидів (H₂O₂, Na₂O₂), де він −1.

• Сума ступенів окиснення всіх атомів у нейтральній сполуці дорівнює 0.

• У складному йоні сума ступенів окиснення дорівнює заряду йона.

Приклад: у KNO₃ Калій має +1, Оксиген −2 (три атоми дають −6), тому Нітроген має +5 (1 + x − 6 = 0 → x = +5). В NH₃ Гідроген +1 (три атоми дають +3), тому Нітроген має −3.

Ступінь окиснення vs валентність

Валентність — це число хімічних зв'язків, які утворює атом. Вона не має знака. Ступінь окиснення — умовний заряд, який може бути додатним, від'ємним або нульовим.

Як бачиш, валентність і ступінь окиснення можуть збігатися за модулем, але ступінь окиснення має знак, а валентність — ні. У простій речовині ступінь окиснення завжди 0, а валентність може бути ненульовою.

Кількість речовини

Кількість речовини n обчислюють за формулою: n = m / M, де m — маса (г), M — молярна маса (г/моль). Молярна маса M чисельно дорівнює відносній молекулярній масі Mr.

Число частинок N знаходять за формулою: N = n · Nₐ, де Nₐ = 6,02 · 10²³ моль⁻¹ — стала Авогадро.

Приклад обчислення Mr: Mr(Ca(NO₃)₂) = 40 + 2·14 + 6·16 = 40 + 28 + 96 = 164. Отже, M = 164 г/моль.

Пастка: не забудь помножити індекс за дужкою на всі атоми всередині дужок! У Ca(NO₃)₂ індекс 2 означає, що в сполуці є 2 атоми Нітрогену й 6 атомів Оксигену. Якщо просто додати Ca + N + O₃, отримаєш 40 + 14 + 48 = 102 — це хибний результат.

Поєднання правил: скільки атомів Оксигену міститься в 0,5 моль Ca(NO₃)₂? В одній формульній одиниці — 6 атомів Оксигену. Кількість атомів: N = 6 · 0,5 · 6,02 · 10²³ = 3 · 6,02 · 10²³ = 1,806 · 10²⁴.

У цьому розділі розберемо чотири типові завдання НМТ, які охоплюють усі теми юніта. Кожне завдання супроводжується покроковим розв'язанням і аналізом помилок.

Приклад 1. Число протонів і електронів у йоні S²⁻

Завдання (вибір однієї з чотирьох): Визнач число протонів і число електронів у йоні S²⁻.

Варіанти відповідей:

• 16 протонів, 16 електронів

• 18 протонів, 16 електронів

• 16 протонів, 18 електронів

• 18 протонів, 18 електронів

Розв'язання: Сульфур (S) має протонне число Z = 16. Отже, в ядрі завжди 16 протонів — це не змінюється ні для атома, ні для йона. У нейтральному атомі S електронів теж 16. Йон S²⁻ утворюється, коли атом Сульфуру приєднує 2 електрони. Тому електронів стає 16 + 2 = 18. Правильна відповідь: 16 протонів, 18 електронів.

Чому хибні інші варіанти:

• 16 і 16 — це склад нейтрального атома S, а не йона S²⁻.

• 18 і 16 — помилка: протонне число не може дорівнювати 18 для Сульфуру (Z = 16), а електронів менше, ніж протонів, було б у катіона, а не аніона.

• 18 і 18 — кількість електронів правильна, але протонне число Сульфуру — 16, а не 18: заряд ядра під час утворення йона не змінюється.

Приклад 2. Пари «речовина — тип зв'язку»

Завдання (логічні пари): Установи відповідність між речовиною (1–3) і типом хімічного зв'язку (А–Д).

1 NaCl · 2 O₂ · 3 HCl

А йонний · Б ковалентний полярний · В ковалентний неполярний · Г металічний · Д водневий

Розв'язання: NaCl — сполука типового металу (Na) з типовим неметалом (Cl) → йонний зв'язок (А). O₂ — молекула з двох однакових атомів → ковалентний неполярний (В). HCl — молекула з різних атомів неметалів → ковалентний полярний (Б). Ключ: 1А, 2В, 3Б.

Поширена помилка — плутати HCl (полярний) і Cl₂ (неполярний) або вважати NaCl сполукою з ковалентним зв'язком.

Приклад 3. Зміна властивостей у періоді

Завдання (вибір однієї з чотирьох): Як змінюються радіус атома й електронегативність у ряду Na → Mg → Al → Si?

Варіанти відповідей:

• радіус зростає, електронегативність зростає

• радіус зменшується, електронегативність зростає

• радіус зростає, електронегативність зменшується

• радіус зменшується, електронегативність зменшується

Розв'язання: Na, Mg, Al, Si — елементи третього періоду. У періоді зліва направо заряд ядра зростає, що сильніше притягує електрони, тому радіус атома зменшується. Електронегативність при цьому зростає, оскільки атоми сильніше притягують електрони в хімічному зв'язку. Правильна відповідь: радіус зменшується, електронегативність зростає.

Дистрактори змішують напрямки: хтось плутає період із групою (у групі радіус зростає, електронегативність падає), хтось вважає, що обидві величини змінюються в один бік.

Приклад 4. Відносна молекулярна маса Ca(NO₃)₂

Завдання (коротка відповідь): Обчисли відносну молекулярну масу кальцій нітрату Ca(NO₃)₂.

Розв'язання: Mr(Ca(NO₃)₂) = Ar(Ca) + 2 · Ar(N) + 6 · Ar(O) = 40 + 2 · 14 + 6 · 16 = 40 + 28 + 96 = 164.

Відповідь: 164.

Пастка: найпоширеніша помилка — не врахувати індекс 2 за дужкою. Учень пише Mr = 40 + 14 + 3 · 16 = 40 + 14 + 48 = 102. Це хибний результат, тому що індекс 2 множить усе, що в дужках: два атоми Нітрогену й шість атомів Оксигену.

На НМТ з хімії є кілька типових пасток, через які учні часто втрачають бали. Розберімо їх, щоб ти не потрапив у ці самі пастки.

• Плутати валентність зі ступенем окиснення, забуваючи про знак і нульові значення. Валентність — це число зв'язків (без знака), ступінь окиснення — умовний заряд (зі знаком). У N₂ валентність Нітрогену III, а ступінь окиснення 0.

• Плутати нуклонне число з відносною атомною масою. Нуклонне число A — це сума протонів і нейтронів у конкретному ізотопі (ціле число). Відносна атомна маса Ar — середнє значення для всіх ізотопів елемента, може бути дробовою (Cl — 35,5).

• Рахувати електрони йона так само, як атома. У йоні кількість електронів змінюється: катіон має менше електронів, ніж протонів, аніон — більше. Завжди враховуй заряд!

• Плутати тип зв'язку в HCl (полярний) і Cl₂ (неполярний) та в NaCl (йонний). HCl — різні неметали → полярний ковалентний. Cl₂ — однакові атоми → неполярний. NaCl — метал + неметал → йонний.

• Вважати «сухий лід» CO₂ речовиною з йонними ґратками. CO₂ — молекулярна сполука з ковалентним полярним зв'язком, у твердому стані утворює молекулярні ґратки (леткі, легкоплавкі). Йонні ґратки характерні для солей, оксидів металів тощо.

• Не врахувати індекс за дужкою під час обчислення Mr. У Ca(NO₃)₂ індекс 2 множить усе, що в дужках: 2 атоми N і 6 атомів O. Забути про це — отримати Mr = 102 замість 164.

Щоб ефективно готуватися, важливо знати, у якій формі та з якими акцентами ці теми з'являються на НМТ. Орієнтуйся на структуру демоваріанта 2026 року.

Що було в демоваріанті 2026

У демоваріанті 2026 року завдання № 1 перевіряло вміння розрізняти прості й складні речовини (тема 1.1 програми). Завдання № 2 стосувалося зміни радіуса атома й електронегативності в групі (тема 1.4) — для його виконання потрібно було скористатися Періодичною системою з довідки. Завдання № 3 вимагало визначити тип кристалічних ґраток за моделлю (рисунком) — тема 1.5.

Формати завдань

На НМТ з хімії теми будови речовини перевіряють у таких форматах:

• Вибір однієї з чотирьох відповідей (0 або 1 бал) — наприклад, визначення числа протонів і електронів у йоні, зміна властивостей у періоді чи групі, тип зв'язку за формулою.

• Логічні пари 1–3 → А–Д (0–3 бали) — наприклад, установлення відповідності між речовиною та типом хімічного зв'язку або типом кристалічних ґраток.

• Частина завдання 21.1 (1 бал) — обчислення відносної молекулярної маси (наприклад, Mr алкану) у форматі короткої відповіді.

Як користуватися довідкою

Демоваріант 2026 вимагає вміти користуватися Періодичною системою (завдання № 2). В усіх розрахунках (завдання 21–24) використовують відносні атомні маси Ar з довідки, які ти сам округлюєш до одиниць, як вимагає інструкція. Наприклад, Ar(Ca) = 40, Ar(N) = 14, Ar(O) = 16.

Стратегія: спочатку розв'язуй завдання, які не потребують обчислень (№ 1–3, логічні пари), — вони дають швидкі бали. До розрахункових завдань (21–24) переходь, коли маєш час і впевненість у формулах.

• A = Z + N; електрони атома = Z, електрони йона = Z ∓ заряд

• у групі радіус росте, електронегативність падає; у періоді — навпаки

• тип зв'язку — за різницею електронегативності: однакові атоми — неполярний, різні неметали — полярний, метал і неметал — йонний

• ступінь окиснення має знак, валентність — ні; n = m/M