Химическая формула

В химии химическая формула — это способ представления информации о химических пропорциях атомов , составляющих конкретное химическое соединение или молекулу , с использованием символов химических элементов , чисел, а иногда и других символов, таких как круглые скобки, тире, квадратные скобки, запятые и т. д. Знаки плюс (+) и минус (-). Они ограничены одной типографской строкой символов, которая может включать нижние и верхние индексы . Химическая формула не является химическим названием, поскольку не содержит слов. Хотя химическая формула может подразумевать определенные простые химические структуры , она не то же самое, что полная химическая структурная формула . Химические формулы могут полностью описать структуру только простейших молекул и химических веществ и, как правило, более ограничены в своих возможностях, чем химические названия и структурные формулы.

Простейшие типы химических формул называются эмпирическими формулами , в которых используются буквы и цифры, обозначающие численные пропорции атомов каждого типа. Молекулярные формулы указывают простые числа атомов каждого типа в молекуле, но не содержат информации о структуре. Например, эмпирическая формула глюкозы : CH ₂ O (вдвое больше водорода атомов , чем углерода и кислорода ), а его молекулярная формула C ₆ H ₁₂ O ₆ (12 атомов водорода, по шесть атомов углерода и кислорода).

Иногда химическая формула усложняется тем, что ее записывают в виде сокращенной формулы (или сокращенной молекулярной формулы, иногда называемой «полуструктурной формулой»), которая передает дополнительную информацию о конкретных способах химического соединения атомов друг с другом, либо в виде ковалентной связи. связи , ионные связи или различные комбинации этих типов. Это возможно, если соответствующую связь легко показать в одном измерении. Примером может служить сокращенная молекулярно-химическая формула этанола : СН ₃ -СН ₂ -ОН или СН ₃ СН ₂ ОН . Однако даже краткая химическая формула обязательно ограничена в своей способности показывать сложные связи между атомами, особенно атомами, которые имеют связи с четырьмя или более различными заместителями .

Поскольку химическая формула должна быть выражена в виде одной строки символов химических элементов , она часто не может быть столь же информативной, как истинная структурная формула, которая представляет собой графическое представление пространственного взаимодействия между атомами в химических соединениях (см., например, рисунок бутана). структурные и химические формулы справа). По причинам структурной сложности одна сокращенная химическая формула (или полуструктурная формула) может соответствовать разным молекулам, известным как изомеры . Например, глюкоза имеет общую молекулярную формулу C ₆ H ₁₂ O ₆ с рядом других сахаров , включая фруктозу , галактозу и маннозу . Существуют линейные эквивалентные химические названия , которые могут однозначно определять любую сложную структурную формулу (см. Химическую номенклатуру ), но в таких названиях должно использоваться множество терминов (слов), а не простые символы элементов, числа и простые типографские символы, которые определяют химическую формулу. .

Химические формулы могут использоваться в химических уравнениях для описания химических реакций и других химических превращений, таких как растворение ионных соединений в растворе. Хотя, как уже отмечалось, химические формулы не обладают всей мощью структурных формул, чтобы показать химические связи между атомами, их достаточно, чтобы отслеживать количество атомов и количество электрических зарядов в химических реакциях, таким образом уравновешивая химические уравнения , чтобы эти уравнения может использоваться в химических задачах, связанных с сохранением атомов и сохранением электрического заряда.

Обзор

Химическая формула идентифицирует каждый составной элемент по его химическому символу и указывает пропорциональное количество атомов каждого элемента. В эмпирических формулах эти пропорции начинаются с ключевого элемента, а затем присваиваются числа атомов других элементов в соединении в соотношениях с ключевым элементом. Для молекулярных соединений все эти соотношения могут быть выражены целыми числами. Например, эмпирическую формулу этанола можно записать C ₂ H ₆ O, поскольку все молекулы этанола содержат два атома углерода, шесть атомов водорода и один атом кислорода. Однако некоторые типы ионных соединений невозможно записать полностью целочисленными эмпирическими формулами. Примером является карбид бора , формула которого CB _n представляет собой переменное соотношение нецелых чисел, где n варьируется от более 4 до более 6,5.

Когда химическое соединение формулы состоит из простых молекул , в химических формулах часто используются способы, позволяющие предположить структуру молекулы. Эти типы формул известны по-разному как молекулярные формулы и сокращенные формулы . Молекулярная формула перечисляет количество атомов, отражающее количество атомов в молекуле, так что молекулярная формула глюкозы имеет вид C ₆ H ₁₂ O ₆ , а не брутто-формулу глюкозы, которая СН ₂ О. Однако, за исключением очень простых веществ, молекулярно-химические формулы лишены необходимой структурной информации и неоднозначны.

Для простых молекул конденсированная (или полуструктурная) формула — это тип химической формулы, которая может полностью подразумевать правильную структурную формулу. Например, этанол может быть представлен сокращенной химической формулой CH ₃ CH ₂ OH и диметиловый эфир сокращенной формулы СН ₃ ОЧ ₃ . Эти две молекулы имеют одинаковые эмпирические и молекулярные формулы ( C ₂ H ₆ O ), но их можно отличить по приведенным сокращенным формулам, которых достаточно, чтобы представить полную структуру этих простых органических соединений .

Сокращенные химические формулы также можно использовать для обозначения ионных соединений , которые не существуют в виде дискретных молекул, но, тем не менее, содержат внутри себя ковалентно связанные кластеры. Эти многоатомные ионы представляют собой группы атомов, которые ковалентно связаны друг с другом и имеют общий ионный заряд, например, сульфат [ТАК ₄ ] ²⁻ион. Каждый многоатомный ион в соединении записывается отдельно, чтобы проиллюстрировать отдельные группы. Например, соединение гексоксида дихлора имеет эмпирическую формулу ClO ₃ и молекулярная формула Cl ₂ O ₆ , но в жидкой или твердой форме это соединение правильнее изображать ионной сокращенной формулой [ClO ₂ ] ⁺[ClO ₄ ] ⁻, что показывает, что это соединение состоит из [ClO ₂ ] ⁺ ионы и [ClO ₄ ] ⁻ионы. В таких случаях сокращенная формула должна быть достаточно сложной, чтобы отображать хотя бы один ион каждого типа.

Химические формулы, описанные здесь, отличаются от гораздо более сложных химических систематических названий, которые используются в различных системах химической номенклатуры . Например, одно систематическое название глюкозы — (2R , 3S , 4R , 5R ) -2,3,4,5,6-пентагидроксигексаналь. Это название, интерпретируемое в соответствии с лежащими в его основе правилами, полностью определяет структурную формулу глюкозы, но это название не является химической формулой в обычном понимании и использует термины и слова, не используемые в химических формулах. Такие имена, в отличие от основных формул, могут представлять полные структурные формулы без графиков.

Типы

Эмпирическая формула

В химии эмпирическая формула химического вещества представляет собой простое выражение относительного количества атомов каждого типа или соотношения элементов в соединении. Эмпирические формулы являются стандартом для ионных соединений , таких как CaCl ₂ , а для макромолекул, таких как СиО ₂ . Эмпирическая формула не содержит ссылок на изомерию , структуру или абсолютное число атомов. Термин «эмпирический» относится к процессу элементного анализа , методу аналитической химии , используемому для определения относительного процентного состава чистого химического вещества по элементам.

Например, гексан имеет молекулярную формулу C ₆ H ₁₄ , и (для одного из его изомеров, н-гексана) структурная формула CH ₃ CH ₂ CH ₂ CH ₂ CH ₂ CH ₃ , подразумевая, что он имеет цепную структуру из 6 атомов углерода и 14 водорода атомов . Однако эмпирическая формула гексана такова: С ₃ Ч ₇ . Аналогично эмпирической формуле перекиси водорода : H ₂ O ₂ , это просто HO , выражающее соотношение составляющих элементов 1:1. Формальдегид и уксусная кислота имеют одинаковую эмпирическую формулу: СН ₂ О. Это также молекулярная формула формальдегида, но в уксусной кислоте вдвое больше атомов.

Как и другие типы формул, подробно описанные ниже, эмпирическая формула показывает количество элементов в молекуле и определяет, является ли она бинарным соединением , тройным соединением , четвертичным соединением или содержит еще больше элементов.

Молекулярная формула

{\ce {H-{\overset {\displaystyle H \atop |}{\underset {| \atop \displaystyle H}{C}}}-{\overset {\displaystyle H \atop |}{\underset {| \atop \displaystyle H}{C}}}-{\overset {\displaystyle H \atop |}{\underset {| \atop \displaystyle H}{C}}}-{\overset {\displaystyle H \atop |}{\underset {| \atop \displaystyle H}{C}}}-H}}

н -бутана Структурная формула
Молекулярная формула: С ₄ Ч ₁₀
Сокращенная формула: СН ₃ СН ₂ СН ₂ СН ₃

Молекулярные формулы просто указывают количество атомов каждого типа в молекуле молекулярного вещества. Они аналогичны эмпирическим формулам для молекул, которые имеют только один атом определенного типа, но в остальном их число может быть большим. Примером различия является эмпирическая формула для глюкозы, которая CH ₂ O ( соотношение 1:2:1), а его молекулярная формула C ₆ H ₁₂ O ₆ ( число атомов 6:12:6). Для воды обе формулы Н ₂ О. Молекулярная формула дает больше информации о молекуле, чем ее эмпирическая формула, но ее труднее установить.

Структурная формула

Помимо указания количества атомов каждой молекулы элемента, структурная формула указывает, как организованы атомы, и показывает (или подразумевает) химические связи между атомами. Существует несколько типов структурных формул, ориентированных на различные аспекты молекулярной структуры.

На двух диаграммах показаны две молекулы, которые являются структурными изомерами друг друга, поскольку обе они имеют одинаковую молекулярную формулу. C ₄ H ₁₀ , но, как показано, они имеют разные структурные формулы.

Сокращенная формула

Связность молекулы часто оказывает сильное влияние на ее физические и химические свойства и поведение. Две молекулы, состоящие из одинакового количества атомов одного и того же типа (т.е. пары изомеров ), могут иметь совершенно разные химические и/или физические свойства, если атомы соединены по-разному или находятся в разных положениях. В таких случаях полезна структурная формула , поскольку она показывает, какие атомы с какими другими связаны. По связности часто можно определить приблизительную форму молекулы .

Сокращенная (или полуструктурная) формула может отражать типы и пространственное расположение связей в простом химическом веществе, хотя она не обязательно указывает изомеры или сложные структуры. Например, этан состоит из двух атомов углерода, связанных одинарной связью друг с другом, причем с каждым атомом углерода связано три атома водорода. Его химическую формулу можно представить как СН ₃ СН ₃ . В этилене между атомами углерода имеется двойная связь (и, следовательно, каждый углерод имеет только два атома водорода), поэтому химическую формулу можно записать: CH ₂ CH ₂ , и тот факт, что между атомами углерода существует двойная связь, подразумевается, поскольку валентность углерода равна четырем. Однако более явный метод — написать H ₂ C=CH ₂ или реже Н ₂ С::СН ₂ . Две линии (или две пары точек) указывают на то, что двойная связь атомы по обе стороны от них соединяет .

Тройную связь можно выразить тремя линиями ( HC≡CH ) или три пары точек ( HC:::CH ), а если может возникнуть двусмысленность, для обозначения одинарной связи можно использовать одну линию или пару точек.

Молекулы с несколькими одинаковыми функциональными группами можно выразить, заключив повторяющуюся группу в круглые скобки . Например, изобутан можно записать (СН ₃ ) ₃ СН . Эта сжатая структурная формула подразумевает иную связность, чем у других молекул, которые могут быть образованы с использованием тех же атомов в тех же пропорциях ( изомеров ). Формула (CH ₃ ) ₃ CH подразумевает центральный атом углерода, соединенный с одним атомом водорода и тремя метильными группами ( СН ₃ ). Одинаковое количество атомов каждого элемента (10 атомов водорода и 4 углерода, или C ₄ H ₁₀ ) можно использовать для получения молекулы с прямой цепью н - бутана : СН ₃ СН ₂ СН ₂ СН ₃ .

Химические названия в ответ на ограничения химических формул

Алкен, называемый бут-2-еном, имеет два изомера, химическая формула которых СН ₃ СН=СНСН ₃ не идентифицируется. Относительное положение двух метильных групп должно быть указано дополнительными обозначениями, обозначающими, находятся ли метильные группы по одну сторону двойной связи ( цис или Z ) или по разные стороны друг от друга ( транс или E ). ^[1]

Как отмечалось выше, для представления полных структурных формул многих сложных органических и неорганических соединений химическая номенклатура может потребоваться см . в номенклатуре органической химии ИЮПАК и номенклатуре неорганической химии ИЮПАК 2005 г. , которая выходит далеко за рамки доступных ресурсов, использованных выше в простых сокращенных формулах. Примеры Кроме того, линейные системы именования, такие как Международный химический идентификатор (InChI), позволяют компьютеру создавать структурные формулы, а упрощенная система линейного ввода молекулярного ввода (SMILES) обеспечивает более удобочитаемый ввод ASCII. Однако все эти номенклатурные системы выходят за рамки стандартов химических формул и технически представляют собой системы химических наименований, а не системы формул. ^{[ нужна цитата ]}

Полимеры в сокращенных формулах

Для полимеров в сокращенных химических формулах повторяющуюся единицу ставят в круглые скобки. Например, молекула углеводорода , которая описывается как CH ₃ (CH ₂ ) ₅₀ CH ₃ представляет собой молекулу с пятьюдесятью повторяющимися единицами. Если количество повторяющихся единиц неизвестно или варьируется, букву n : для обозначения этой формулы можно использовать СН ₃ (СН ₂ ) _n СН ₃ .

Ионы в сокращенных формулах

Для ионов заряд конкретного атома может быть обозначен правым верхним индексом. Например, Уже ⁺, или С ²⁺. Полный заряд заряженной молекулы или многоатомного иона также может быть показан таким образом, например, для гидроксония , H₃H3O ⁺, или сульфат , ТАК 2- 4 . Здесь + и – используются вместо +1 и –1 соответственно.

Для более сложных ионов часто используются скобки [ ] для заключения ионной формулы, как в [Б ₁₂ Ч ₁₂ ] ²⁻, который содержится в таких соединениях, как додекаборат цезия , Cs ₂ [В ₁₂ Н ₁₂ ] . Круглые скобки ( ) могут быть вложены в скобки для обозначения повторяющейся единицы, как в хлориде гексамминкобальта(III) , [Со(NH ₃ ) ₆ ] ³⁺Cl - 3 . Здесь, (NH ₃ ) ₆ указывает на то, что ион содержит шесть амминных групп ( NH ₃ ) связан с кобальтом , а [ ] заключает в себе всю формулу иона с зарядом +3. ^{[ нужны дальнейшие объяснения ]}

Это строго необязательно; химическая формула действительна с информацией об ионизации или без нее, а хлорид гексамминкобальта (III) может быть записан как [Со(NH ₃ ) ₆ ] ³⁺Cl - 3 или [Co(NH ₃ ) ₆ ]Cl ₃ . Скобки, как и круглые скобки, ведут себя в химии так же, как и в математике, группируя члены вместе – они не используются специально только для состояний ионизации. В последнем случае здесь в скобках указаны 6 групп одинаковой формы, связанных с другой группой размера 1 (атомом кобальта), а затем весь пучок, как группа, связан с 3 атомами хлора. В первом случае очевиднее, что связь, соединяющая хлоры, является ионной , а не ковалентной .

изотопы

Хотя изотопы более важны для ядерной химии или химии стабильных изотопов , чем для традиционной химии, различные изотопы могут обозначаться с помощью верхнего индекса в химической формуле . Например, фосфат-ион, содержащий радиоактивный фосфор-32, [ ³²ПО ₄ ] ³⁻. Также исследование, включающее соотношения стабильных изотопов, может включать молекулу ¹⁸О ¹⁶О.

Левый индекс иногда используется избыточно для обозначения атомного номера . Например, ₈ O ₂ для дикислорода и ¹⁶
₈ О
₂ для наиболее распространенных изотопных разновидностей дикислорода. Это удобно при написании уравнений ядерных реакций , чтобы более наглядно показать баланс зарядов.

Захваченные атомы

Символ @ ( в знаке ) указывает на атом или молекулу, оказавшуюся внутри клетки, но не связанную с ней химически. Например, бакминстерфуллерен ( C ₆₀ ) с атомом (M) можно было бы просто представить как MC ₆₀ независимо от того, находился ли М внутри фуллерена без химической связи или снаружи, связанный с одним из атомов углерода. Используя символ @, это будет обозначаться M@C ₆₀ , если M находился внутри углеродной сети. Нефуллереновый пример: [As@Ni ₁₂ As ₂₀ ] ³⁻, ион, в котором один атом мышьяка (As) заперт в клетке, образованной другими 32 атомами.

Такое обозначение было предложено в 1991 г. ^[2] с открытием фуллереновых каркасов ( эндоэдральных фуллеренов ), которые могут захватывать атомы, такие как La , с образованием, например, La@C ₆₀ или Ла@С ₈₂ . Выбор символа авторы объяснили как лаконичный, легко печатаемый и передаваемый в электронном виде (знак at включен в ASCII , на котором основано большинство современных схем кодирования символов), а также визуальные аспекты, предполагающие структуру эндоэдрального символа. фуллерен.

Нестехиометрические химические формулы

В химических формулах чаще всего используются целые числа для каждого элемента . Однако существует класс соединений, называемых нестехиометрическими соединениями , которые не могут быть представлены маленькими целыми числами. Такая формула может быть записана с использованием десятичных дробей , как в Fe _0,95 O , или оно может включать переменную часть, обозначенную буквой, как в Fe _{1− x} O , где x обычно намного меньше 1.

Общие формы органических соединений

Химическая формула, используемая для ряда соединений, отличающихся друг от друга на постоянную единицу, называется общей формулой . Он генерирует гомологический ряд химических формул. Например, спирты могут быть представлены формулой C _n H _{2 n + 1} OH ( n ≥ 1), давая гомологи метанол , этанол , пропанол при 1 ≤ n ≤ 3.

Система холмов

Система Хилла (или обозначение Хилла) — это система записи эмпирических химических формул, молекулярно-химических формул и компонентов сокращенной формулы, при которой углерода количество атомов в молекуле сначала указывается , затем число атомов водорода , а затем число атомов водорода. количество всех остальных химических элементов далее в алфавитном порядке химических символов . Если в формуле нет углерода, все элементы, включая водород, перечисляются в алфавитном порядке.

Путем сортировки формул по количеству атомов каждого элемента, присутствующего в формуле, в соответствии с этими правилами, при этом различия в более ранних элементах или числах рассматриваются как более значимые, чем различия в любом более позднем элементе или числе — например, сортировка текстовых строк в лексикографическом порядке — можно сопоставить химические формулы в так называемый порядок системы Хилла.

Система Хилла была впервые опубликована Эдвином А. Хиллом из Ведомства США по патентам и товарным знакам в 1900 году. ^[3] Это наиболее часто используемая система в химических базах данных и печатных указателях для сортировки списков соединений. ^[4]

Список формул в порядке системы Хилла расположен в алфавитном порядке, как указано выше, при этом однобуквенные элементы идут перед двухбуквенными символами, когда символы начинаются с одной и той же буквы (поэтому «B» идет перед «Be», которая идет перед «Br». "). ^[4]

Следующие примеры формул написаны с использованием системы Хилла и перечислены в порядке Хилла:

BrClH ₂ Si
БрИ
ССl ₄
CH₃CH3I
С ₂ Ч ₅ Бр
Н ₂ О ₄ С

Смотрите также

Примечания

Внешние ссылки

СМИ, связанные с химическими формулами, на Викискладе?
Пример обозначения Хилла из библиотеки Лоуэлла Массачусетского университета, включая порядок сортировки по системе Хилла.
Расчет молекулярной формулы с использованием обозначений Хилла . Библиотека, вычисляющая нотацию Хилла, доступна на npm .

[1] Берроуз, Эндрю. (21 марта 2013 г.). Химия³: введение в неорганическую, органическую и физическую химию (Второе изд.). Оксфорд: Издательство Оксфордского университета. ISBN 978-0-19-969185-2 . OCLC 818450212 .

[YanChai-2] Чай, Ян; Го, Тин; Джин, Чанмин; Хауфлер, Роберт Э.; Чибанте, LP Фелипе; Фюре, Ян; Ван, Лихун; Алфорд, Дж. Майкл; Смолли, Ричард Э. (1991). «Фуллерены с металлами внутри». Журнал физической химии . 95 (20): 7564–7568. дои : 10.1021/j100173a002 .

[3] Эдвин А. Хилл (1900). «О системе индексирования химической литературы; Принята Классификационным отделом Патентного ведомства США» . Варенье. хим. Соц. 22 (8): 478–494. дои : 10.1021/ja02046a005 . hdl : 2027/uiug.30112063986233 .

[wiggins-4] Перейти обратно: ^а ^б Виггинс, Гэри. (1991). Химические источники информации. Нью-Йорк: МакГроу Хилл. п. 120.

[1]

[2]

[3]

[4]