Wzór chemiczny - Chemical formula

Al 2 (SO 4 ) 3
Siarczan glinu ma wzór chemiczny Al 2 (SO 4 ) 3 . Postać heksadekahydratu siarczanu glinu to Al 2 (SO 4 ) 3 · 16 H 2 O .
Wzór strukturalny dla butanu . Przykłady innych wzorach chemicznych dla butan wzór empiryczny C 2 H 5 , wzór cząsteczkowy C 4 H 10 i skrapla się (lub pół-strukturalnego) o wzorze CH 3 CH 2 CH 2 CH 3 .

Wzór chemiczny (liczba mnoga: wzory ) to sposób przedstawienia informacji o proporcjach chemicznych atomów tworzących dany związek chemiczny lub cząsteczkę za pomocą symboli pierwiastków chemicznych , liczb, a czasem także innych symboli, takich jak nawiasy, myślniki, nawiasy, przecinki oraz znaki plus (+) i minus (−). Są one ograniczone do jednej linii symboli typograficznych, które mogą zawierać indeksy dolne i górne . Wzór chemiczny nie jest nazwą chemiczną i nie zawiera słów. Chociaż wzór chemiczny może sugerować pewne proste struktury chemiczne, nie jest tożsamy ​​z pełnym chemicznym wzorem strukturalnym . Wzory chemiczne mogą w pełni określać strukturę tylko najprostszych cząsteczek i substancji chemicznych i są na ogół bardziej ograniczone pod względem mocy niż nazwy chemiczne i wzory strukturalne.

Najprostsze typy wzorów chemicznych nazywane są wzorami empirycznymi , które wykorzystują litery i cyfry wskazujące liczbowe proporcje atomów każdego typu. Wzory cząsteczkowe wskazują proste liczby każdego typu atomu w cząsteczce, bez informacji o strukturze. Na przykład, wzór empiryczny do glukozy oznacza CH 2 O (dwa razy tyle wodoru, węgla, jak węgla i tlenu ), a jego wzór cząsteczkowy C 6 H 12 O 6 (atomy 12 wodoru sześć atomów węgla i tlenu).

Czasami wzór chemiczny jest skomplikowany, ponieważ jest zapisany jako skondensowany wzór (lub skondensowany wzór cząsteczkowy, czasami nazywany „wzórem półstrukturalnym”), który zawiera dodatkowe informacje na temat konkretnych sposobów, w jakie atomy są ze sobą wiązane chemicznie , albo kowalencyjnie. wiązania , wiązania jonowe lub różne kombinacje tych typów. Jest to możliwe, jeśli odpowiednie wiązanie można łatwo pokazać w jednym wymiarze. Przykładem jest skondensowany cząsteczkowej / wzór chemiczny etanolu , co oznacza CH 3 -CH 2 -OH lub CH 3 CH 2 OH. Jednak nawet skondensowany wzór chemiczny jest z konieczności ograniczony pod względem zdolności do pokazywania złożonych relacji wiązań między atomami, zwłaszcza atomami, które mają wiązania z czterema lub więcej różnymi podstawnikami .

Ponieważ wzór chemiczny musi być wyrażony jako pojedyncza linia symboli pierwiastków chemicznych, często nie może być tak informacyjny jak prawdziwy wzór strukturalny, który jest graficzną reprezentacją przestrzennej relacji między atomami w związkach chemicznych (patrz na przykład rysunek dotyczący butanu wzory strukturalne i chemiczne po prawej). Ze względu na złożoność strukturalną pojedynczy skondensowany wzór chemiczny (lub wzór półstrukturalny) może odpowiadać różnym cząsteczkom, znanym jako izomery . Na przykład glukoza dzieli jego wzór sumaryczny C 6 H 12 O 6 o szeregu innych cukrów , w tym fruktozy , galaktozy i mannozy . Istnieją liniowe równoważne nazwy chemiczne , które mogą i określają jednoznacznie każdy złożony wzór strukturalny (patrz nomenklatura chemiczna ), ale takie nazwy muszą zawierać wiele terminów (słów), a nie proste symbole pierwiastków, liczby i proste symbole typograficzne, które definiują wzór chemiczny .

Wzory chemiczne mogą być używane w równaniach chemicznych do opisywania reakcji chemicznych i innych przemian chemicznych, takich jak rozpuszczanie związków jonowych w roztworze. Chociaż, jak zauważono, wzory chemiczne nie mają pełnej mocy wzorów strukturalnych, aby pokazać związki chemiczne między atomami, są one wystarczające do śledzenia liczby atomów i liczby ładunków elektrycznych w reakcjach chemicznych, równoważąc w ten sposób równania chemiczne , aby te równania może być stosowany w problemach chemicznych związanych z zachowaniem atomów i zachowaniem ładunku elektrycznego.

Przegląd

Wzór chemiczny identyfikuje każdy pierwiastek składowy za pomocą jego symbolu chemicznego i wskazuje proporcjonalną liczbę atomów każdego pierwiastka. We wzorach empirycznych te proporcje zaczynają się od kluczowego pierwiastka, a następnie przypisują liczby atomów innych pierwiastków w związku, poprzez stosunki do kluczowego pierwiastka. W przypadku związków molekularnych wszystkie te proporcje można wyrazić jako liczby całkowite. Na przykład, wzór empiryczny w etanolu może być napisany C 2 H 6 O ponieważ cząsteczki etanolu wszystkie zawierają dwa atomy węgla, sześć atomów wodoru i jeden atom tlenu. Niektórych typów związków jonowych nie można jednak zapisać za pomocą całkowicie liczbowych wzorów empirycznych. Przykładem jest węglik boru , którego wzór na CB n jest zmiennym stosunkiem liczb niecałkowitych z n w zakresie od ponad 4 do ponad 6,5.

Gdy związek chemiczny o wzorze składa się z prostych cząsteczek , we wzorach chemicznych często wykorzystuje się sposoby sugerowania struktury cząsteczki. Tego typu formuły są różnie znane jako formuły cząsteczkowe i formuły skondensowane . Wzór cząsteczkowy wylicza liczbę atomów w celu odzwierciedlenia atomów w cząsteczce, tak że wzór cząsteczkowy glukozy to C 6 H 12 O 6, a nie wzór empiryczny glukozy, czyli CH 2 O. Jednak z wyjątkiem bardzo prostych substancji, molekularne wzory chemiczne nie zawierają potrzebnych informacji strukturalnych i są niejednoznaczne.

W przypadku prostych cząsteczek wzór skondensowany (lub półstrukturalny) jest rodzajem wzoru chemicznego, który może w pełni sugerować poprawny wzór strukturalny. Na przykład, etanolu , mogą być reprezentowane przez skondensowanego wzorze chemicznym CH 3 CH 2 OH i eteru dimetylowego skróconym wzorze CH 3 OCH 3 . Te dwie cząsteczki wykazują te same wzory empiryczne i molekularnych (C 2 H 6 O), ale może być zróżnicowana w zależności od skróconego wzorach pokazanych, które są wystarczające, aby w pełni reprezentują strukturę tych prostych związków organicznych .

Skondensowane wzory chemiczne mogą być również używane do przedstawiania związków jonowych , które nie istnieją jako odrębne cząsteczki, ale mimo to zawierają w sobie kowalencyjnie związane klastry. Te jony wieloatomowe to grupy atomów, które są ze sobą związane kowalencyjnie i mają całkowity ładunek jonowy, taki jak siarczan [SO
4
]2-
jon. Każdy jon wieloatomowy w związku jest zapisany indywidualnie w celu zilustrowania oddzielnych grup. Na przykład związek sześciotlenek dichloru ma wzór empiryczny ClO
3
i wzór cząsteczkowy Cl
2
O
6
, ale w postaci ciekłej lub stałej, związek ten jest bardziej poprawnie przedstawiony przez skondensowany wzór jonowy [ClO
2
]+
[ClO
4
]
, co pokazuje, że związek ten składa się z [ClO
2
]+
jony i [ClO
4
]
jony. W takich przypadkach skondensowana formuła musi być tylko wystarczająco złożona, aby pokazać co najmniej jedną z każdej postaci jonowej.

Opisane tutaj wzory chemiczne różnią się od znacznie bardziej złożonych chemicznych nazw systematycznych, które są używane w różnych systemach nomenklatury chemicznej . Na przykład, jedna systematyczna nazwa glukozy to ( 2R , 3S , 4R , 5R )-2,3,4,5,6-pentahydroksyheksanal. Nazwa ta, interpretowana zgodnie z zasadami, które nią rządzą, w pełni określa wzór strukturalny glukozy, ale nazwa nie jest wzorem chemicznym w powszechnym rozumieniu i używa terminów i słów nie używanych we wzorach chemicznych. Takie nazwy, w przeciwieństwie do wzorów podstawowych, mogą być w stanie reprezentować pełne wzory strukturalne bez wykresów.

Wzór empiryczny

W chemii The wzór empiryczny chemikaliów jest prosty ekspresję względną liczbę każdego typu atomu lub wskaźnika elementów w związku. Wzory empiryczne są standardem dla związków jonowych , takich jak CaCl
2
, a dla makrocząsteczek, takich jak SiO
2
. Formuła empiryczna nie odnosi się do izomerii , struktury lub bezwzględnej liczby atomów. Termin empiryczny odnosi się do procesu analizy elementarnej , techniki chemii analitycznej stosowanej do określenia względnego składu procentowego czystej substancji chemicznej według pierwiastka.

Na przykład heksan ma wzór cząsteczkowy C
6
H
14
lub strukturalnie CH
3
CH
2
CH
2
CH
2
CH
2
CH
3
, co oznacza, że ​​ma strukturę łańcuchową składającą się z 6 atomów węgla i 14 atomów wodoru . Jednak empiryczny wzór dla heksanu to C
3
H
7
. Podobnie empiryczny wzór na nadtlenek wodoru , H
2
O
2
, to po prostu HO wyrażający stosunek pierwiastków składowych 1:1. Formaldehyd i kwas octowy mają ten sam wzór empiryczny, CH
2
O
. To jest rzeczywisty wzór chemiczny formaldehydu, ale kwas octowy ma podwójną liczbę atomów.

Formuła molekularna

Wzory molekularne wskazują proste liczby każdego rodzaju atomu w cząsteczce substancji molekularnej. Są takie same jak wzory empiryczne dla cząsteczek, które mają tylko jeden atom określonego typu, ale poza tym mogą mieć większe liczby. Przykład różnicy jest wzór empiryczny glukozy, co oznacza CH 2 O ( stosunek 1: 2: 1), a jego wzór cząsteczkowy C 6 H 12 O 6 ( liczba atomów 6: 12: 6). W przypadku wody oba wzory to H 2 O. Wzór cząsteczkowy dostarcza więcej informacji o cząsteczce niż wzór empiryczny, ale jest trudniejszy do ustalenia.

Wzór cząsteczkowy pokazuje liczbę elementów w cząsteczce, a także określa, czy jest on binarny związek , związek trójskładnikowy , związek czwartorzędowy , a nawet ma więcej elementów.

Skondensowana formuła

Wzór strukturalny izobutanu Wzór
cząsteczkowy: C 4 H 10
Skondensowany lub półstrukturalny wzór chemiczny: (CH 3 ) 3 CH
n - Wzór strukturalny butanu Wzór
cząsteczkowy: C 4 H 10 Wzór
skondensowany lub półstrukturalny: CH 3 CH 2 CH 2 CH 3

Łączność cząsteczki często ma duży wpływ na jej właściwości fizyczne i chemiczne oraz zachowanie. Dwie cząsteczki złożone z tej samej liczby atomów tego samego typu (tj. pary izomerów ) mogą mieć zupełnie inne właściwości chemiczne i/lub fizyczne, jeśli atomy są połączone w różny sposób lub w różnych pozycjach. W takich przypadkach przydatny jest wzór strukturalny , który ilustruje, które atomy są połączone z jakimi innymi. Z łączności często można wywnioskować przybliżony kształt cząsteczki .

Skrócony wzór chemiczny może reprezentować rodzaje i przestrzenne rozmieszczenie wiązań w prostej substancji chemicznej, chociaż niekoniecznie określa izomery lub złożone struktury. Na przykład etan składa się z dwóch połączonych ze sobą atomów węgla, przy czym każdy atom węgla ma połączone ze sobą trzy atomy wodoru. Jego wzór chemiczny może być wyświetlany jako CH 3 CH 3 . W etylenie istnieje wiązanie podwójne między atomami węgla (a więc każdy węgiel ma tylko dwa wodory), dlatego wzór chemiczny można zapisać: CH 2 CH 2 , a fakt istnienia wiązania podwójnego między węglami jest domniemany, ponieważ węgiel ma wartościowość równą cztery. Jednak bardziej wyraźną metodą jest zapisanie H 2 C=CH 2 lub rzadziej H 2 C :: CH 2 . Dwie linie (lub dwie pary kropek) wskazują, że podwójne wiązanie łączy atomy po obu ich stronach.

Potrójne wiązanie może być wyrażany przez trzy linie (HC≡CH) lub trzy pary punktów (HC ::: CH), i jeśli nie może być dwuznaczność pojedynczej linii lub kropek pary może być wykorzystany do wskazania wiązanie pojedyncze.

Cząsteczki z wieloma takimi samymi grupami funkcyjnymi można wyrazić, umieszczając powtarzającą się grupę w nawiasach okrągłych . Na przykład, izobutan, można zapisać (CH 3 ) 3 CH. Ten skondensowany wzór strukturalny implikuje inną łączność niż inne cząsteczki, które można utworzyć przy użyciu tych samych atomów w tych samych proporcjach ( izomery ). O wzorze (CH 3 ) 3 CH oznacza, centralny atom węgla połączony z jednym atomem wodoru, a trzy CH 3 grupy . Ta sama liczba atomów każdego elementu (10 wodoru i 4 atomów węgla, lub grupę C 4 H 10 ) może być wykorzystywane do wytwarzania prosty łańcuch cząsteczki, n - butan : CH 3 CH 2 CH 2 CH 3 .

Prawo składu

W dowolnym związku chemicznym pierwiastki zawsze łączą się ze sobą w tej samej proporcji. To jest prawo stałego składu .

Prawo stałego składu mówi, że w każdym konkretnym związku chemicznym wszystkie próbki tego związku będą się składać z tych samych pierwiastków w tych samych proporcjach lub proporcjach. Na przykład każda cząsteczka wody zawsze składa się z dwóch atomów wodoru i jednego atomu tlenu w stosunku 2:1. Jeśli spojrzymy na względne masy tlenu i wodoru w cząsteczce wody, zobaczymy, że 94% masy cząsteczki wody przypada na tlen, a pozostałe 6% to masa wodoru. Ta proporcja masowa będzie taka sama dla każdej cząsteczki wody.

Nazwy chemiczne w odpowiedzi na ograniczenia wzorów chemicznych

Alken zwany but-2-eno dwa izomery, których wzór chemiczny CH 3 CH = CHCH 3 nie określono. Względne położenie dwóch grup metylowych musi być wskazane dodatkowym zapisem oznaczającym, czy grupy metylowe znajdują się po tej samej stronie wiązania podwójnego ( cis lub Z ) czy po przeciwnych stronach względem siebie ( trans lub E ).

Jak zauważono powyżej, w celu przedstawienia pełnych wzorów strukturalnych wielu złożonych związków organicznych i nieorganicznych może być potrzebna nomenklatura chemiczna , która wykracza daleko poza dostępne zasoby stosowane powyżej w prostych skondensowanych wzorach. Przykłady można znaleźć w nomenklaturze IUPAC chemii organicznej i nomenklaturze IUPAC chemii nieorganicznej 2005 . Ponadto liniowe systemy nazewnictwa, takie jak Międzynarodowy Identyfikator Chemiczny (InChI), umożliwiają komputerowi skonstruowanie wzoru strukturalnego, a uproszczony system wprowadzania linii z wprowadzaniem molekularnym (SMILES) umożliwia bardziej czytelne dla człowieka dane wejściowe ASCII. Jednak wszystkie te systemy nomenklatury wykraczają poza standardy wzorów chemicznych iz technicznego punktu widzenia są systemami nazewnictwa chemicznego, a nie systemami formuł.

Polimery w formułach skondensowanych

W przypadku polimerów o skondensowanych wzorach chemicznych, wokół powtarzającej się jednostki umieszcza się nawiasy. Na przykład, węglowodór cząsteczka, która jest opisana jako CH 3 (CH 2 ) 50 CH 3 , jest cząsteczką o pięćdziesiąt merów. Jeżeli liczba powtarzających się jednostek jest nieznana lub zmienna, litera n może być użyta do wskazania tego wzoru: CH 3 (CH 2 ) n CH 3 .

Jony w formułach skondensowanych

W przypadku jonów ładunek danego atomu może być oznaczony prawym indeksem górnym. Na przykład Na + lub Cu 2+ . Całkowity ładunek naładowanej cząsteczki lub jonu poliatomowego może być również pokazany w ten sposób. Na przykład: H 3 O + lub SO 4 2− . Zauważ, że + i - są używane odpowiednio zamiast +1 i -1.

W przypadku bardziej złożonych jonów, nawiasy [ ] są często używane do objęcia wzoru jonowego, jak w [B 12 H 12 ] 2- , który występuje w związkach takich jak Cs 2 [B 12 H 12 ] . Nawiasy ( ) mogą być zagnieżdżone w nawiasach, aby wskazać powtarzającą się jednostkę, jak w [Co(NH 3 ) 6 ] 3+ Cl 3 . Tutaj (NH 3 ) 6 wskazuje, że jon zawiera sześć grup NH 3 związanych z kobaltem , a [ ] obejmuje cały wzór jonu z ładunkiem +3.

Jest to całkowicie opcjonalne; wzór chemiczny jest ważne z lub bez informacji jonizacji i chlorek Hexamminecobalt (III) może być zapisane jako [Co (NH 3 ) 6 ] 3+ Cl 3 - i [Co (NH 3 ) 6 ] CI 3 . Nawiasy, podobnie jak nawiasy, zachowują się w chemii tak samo, jak w matematyce, grupując terminy – nie są one używane specjalnie do stanów jonizacji. W tym ostatnim przypadku nawiasy wskazują 6 grup o tym samym kształcie, związanych z inną grupą o wielkości 1 (atom kobaltu), a następnie cała wiązka jako grupa jest związana z 3 atomami chloru. W pierwszym przypadku wyraźniej widać, że wiązanie łączące chlory jest raczej jonowe niż kowalencyjne .

Izotopy

Chociaż izotopy są bardziej istotne w chemii jądrowej lub chemii stabilnych izotopów niż w chemii konwencjonalnej, różne izotopy mogą być wskazane z przedrostkiem w indeksie górnym we wzorze chemicznym. Na przykład, jony fosforanowe zawierające fosfor 32 radioaktywnych w [ 32 PO 4 ] 3- . Również badanie obejmujące stabilne stosunki izotopowe może obejmować cząsteczkę 18 O 16 O.

Indeks dolny po lewej stronie jest czasami używany nadmiarowo w celu wskazania liczby atomowej . Na przykład 8 O 2 dla tlenu i16
8
O
2
dla najliczniejszych izotopowych gatunków tlenu. Jest to wygodne podczas pisania równań reakcji jądrowych , aby wyraźniej pokazać bilans ładunków.

Uwięzione atomy

Formuła tradycyjna: MC 60
Zapis „@”: M@C 60

Symbol @ ( przy znaku ) oznacza atom lub cząsteczkę uwięzioną w klatce, ale niezwiązaną z nią chemicznie. Na przykład buckminsterfulleren (C 60 ) z atomem (M) byłby po prostu reprezentowany jako MC 60, niezależnie od tego, czy M znajdował się wewnątrz fulerenu bez wiązania chemicznego, czy na zewnątrz, związany z jednym z atomów węgla. Używając symbolu @, byłoby to oznaczone jako M@C 60, gdyby M znajdowało się wewnątrz sieci węglowej. Przykładem niefulerenowym jest [As@Ni 12 As 20 ] 3- , jon, w którym jeden atom As jest uwięziony w klatce utworzonej przez inne 32 atomy.

Zapis ten został zaproponowany w 1991 roku wraz z odkryciem fulerenów klatkach ( endohedral fulerenów ), przy czym atomy mogą Pułapka jak La do formy, na przykład, La @ C 60 lub La @ C 82 . Wybór symbolu został przez autorów wyjaśniony jako zwięzły, łatwo drukowany i przesyłany elektronicznie (znak at jest zawarty w ASCII , na którym opiera się większość współczesnych schematów kodowania znaków), a aspekty wizualne sugerujące budowę endoedry fuleren.

Niestechiometryczne wzory chemiczne

Wzory chemiczne najczęściej używają liczb całkowitych dla każdego pierwiastka. Istnieje jednak klasa związków, zwanych związkami niestechiometrycznymi , których nie można przedstawić za pomocą małych liczb całkowitych. Taka formuła może być zapisana przy użyciu ułamków dziesiętnych , jak w Fe 0,95 O, lub może zawierać zmienną część reprezentowaną przez literę, jak w Fe 1-x O, gdzie x jest zwykle znacznie mniejsze niż 1.

Ogólne formy związków organicznych

Wzór chemiczny stosowany dla szeregu związków, które różnią się od siebie stałą jednostką, nazywa się wzorem ogólnym . Generuje homologiczną serię wzorów chemicznych. Na przykład alkohole można przedstawić wzorem C n H (2n + 1) OH ( n ≥ 1), dając homologi metanol , etanol , propanol dla n = 1–3.

System skoczni

System Hilla (lub notacja Hilla) to system zapisywania empirycznych wzorów chemicznych, molekularnych wzorów chemicznych i składników wzoru skondensowanego, tak że najpierw podawana jest liczba atomów węgla w cząsteczce , następnie liczba atomów wodoru , a następnie liczba wszystkich innych pierwiastków następnie w kolejności alfabetycznej z symboli chemicznych . Gdy formuła nie zawiera węgla, wszystkie pierwiastki, w tym wodór, są wymienione alfabetycznie.

Poprzez sortowanie formuł według liczby atomów każdego pierwiastka występującego we wzorze zgodnie z tymi regułami, przy czym różnice we wcześniejszych elementach lub liczbach są traktowane jako bardziej znaczące niż różnice w jakimkolwiek późniejszym elemencie lub liczbie — podobnie jak sortowanie ciągów tekstowych w porządku leksykograficznym — możliwe jest zestawienie wzorów chemicznych w tak zwany porządek systemu Hilla.

System Hill został po raz pierwszy opublikowany przez Edwina A. Hilla z Biura Patentów i Znaków Towarowych Stanów Zjednoczonych w 1900 roku. Jest to najczęściej używany system w chemicznych bazach danych i drukowanych indeksach do sortowania list związków.

Lista formuł w porządku systemowym Hilla jest ułożona alfabetycznie, jak powyżej, z elementami jednoliterowymi poprzedzającymi symbole dwuliterowe, gdy symbole zaczynają się od tej samej litery (więc „B” znajduje się przed „Be”, które występuje przed „Br ").

Poniższe przykładowe formuły są napisane przy użyciu systemu Hill i wymienione w kolejności Hill:

  • BrI
  • CCI 4
  • CH 3 I
  • C 2 H 5 Br
  • H 2 O 4 S

Zobacz też

Bibliografia

Linki zewnętrzne