Химическая формула

Химическая формула - это способ представить информацию о химических пропорциях атомов , которые составляют конкретное химическое соединение или молекулу , используя символы химического элемента , числа, а иногда и другие символы, такие как скобки, тире, скобки, запятые и плюс (+ и минус ( -) знаки. Они ограничены одной типографской линией символов, которые могут включать подписки и суперкрипты . Химическая формула не является химическим названием , поскольку она не содержит никаких слов. Хотя химическая формула может подразумевать определенные простые химические структуры , это не то же самое, что полная химическая структурная формула . Химические формулы могут полностью указать структуру только самых простых молекул и химических веществ , и, как правило, более ограничены в мощности, чем химические названия и структурные формулы.

Самые простые типы химических формул называются эмпирическими формулами , в которых используются буквы и числа, указывающие численные пропорции атомов каждого типа. Молекулярные формулы указывают на простые числа каждого типа атома в молекуле, без информации о структуре. Например, эмпирическая формула для глюкозы - это CH ₂ O (вдвое больше водорода атомов , чем углерода и кислород ), в то время как его молекулярная формула C ₆ H ₁₂ O ₆ (12 атомов водорода, шесть атомов углерода и кислорода).

Иногда химическая формула осложняется тем, что она написана как конденсированная формула (или конденсированная молекулярная формула, иногда называемая «полуструктурной формулой»), которая передает дополнительную информацию о конкретных способах, которыми атомы химически связаны , либо в коваленте связи , ионные связи или различные комбинации этих типов. Это возможно, если соответствующая связь легко показать в одном измерении. Примером является конденсированная молекулярная/химическая формула для этанола , которая CH ₃ -Ch ₂ -Oh или Ch ₃ Ch ₂ OH . Тем не менее, даже конденсированная химическая формула обязательно ограничена в своей способности демонстрировать сложные связи между атомами, особенно атомы, которые имеют связи с четырьмя или более различными заместителями .

Поскольку химическая формула должна быть выражена в виде одной линии символов химического элемента , она часто не может быть такой информативной, как истинная структурная формула, которая представляет собой графическое представление пространственной связи между атомами в химических соединениях (см., Например, рисунок для бутана Структурные и химические формулы, справа). По причинам структурной сложности единственная конденсированная химическая формула (или полуструктурная формула) может соответствовать различным молекулам, известным как изомеры . Например, глюкоза разделяет свою молекулярную формулу C ₆ H ₁₂ O ₆ с рядом других сахаров , включая фруктозу , галактозу и маннозу . Существуют линейные эквивалентные химические имена , которые могут и действительно указывать уникально любую сложную структурную формулу (см. Химическую номенклатуру ), но такие имена должны использовать много терминов (слов), а не символы простых элементов, числа и простые типографские символы, которые определяют химическую формулу Полем

Химические формулы могут использоваться в химических уравнениях для описания химических реакций и других химических преобразований, таких как растворение ионных соединений в раствор. В то время как, как отмечалось, химические формулы не имеют полной мощности структурных формул, чтобы показать химические отношения между атомами, их достаточно, чтобы отслеживать количество атомов и количество электрических зарядов в химических реакциях, таким образом, сбалансируя химические уравнения, так что эти уравнения и эти уравнения. может использоваться в химических проблемах, связанных с сохранением атомов и сохранением электрического заряда.

Обзор

Химическая формула идентифицирует каждый составляющий элемент по его химическому символу и указывает пропорциональное количество атомов каждого элемента. В эмпирических формулах эти пропорции начинаются с ключевого элемента, а затем присваивают числа атомов других элементов в соединении, по соотношениям к ключевому элементу. Для молекулярных соединений эти числа соотношений могут быть выражены как целые числа. Например, эмпирическая формула этанола может быть написана C ₂ H ₆ O , потому что молекулы этанола содержат два атома углерода, шесть атомов водорода и один атом кислорода. Однако некоторые типы ионных соединений не могут быть написаны с полностью эмпирическими формулами целых числа. Примером является карбид Boron , чья формула CB _N является переменным соотношением чисел, не имеющих WHOLE, с N в диапазоне от 4 до более чем 6,5.

Когда химическое соединение формулы состоит из простых молекул , химические формулы часто используют способы предположить структуру молекулы. Эти типы формул по -разному известны как молекулярные формулы и конденсированные формулы . Молекулярная формула перечисляет количество атомов, чтобы отразить атлеты в молекуле, так что молекулярная формула для глюкозы - это C ₆ H ₁₂ O _6, а не эмпирическая формула глюкозы, которая Ch ₂ o . Однако, за исключением очень простых веществ, молекулярные химические формулы не имеют необходимой структурной информации и являются неоднозначными.

Для простых молекул конденсированная (или полуструктурная) формула является типом химической формулы, которая может полностью подразумевать правильную структурную формулу. Например, этанол может быть представлен конденсированной химической формулой CH ₃ CH ₂ OH , и диметиловый эфир с помощью конденсированной формулы Ch ₃ OCH ₃ . Эти две молекулы имеют одинаковые эмпирические и молекулярные формулы ( C ₂ H ₆ O ), но может быть дифференцирована с помощью показанных конденсированных формул, которые достаточны для представления полной структуры этих простых органических соединений .

Конденсированные химические формулы также могут использоваться для представления ионных соединений , которые не существуют в качестве дискретных молекул, но, тем не менее, содержат ковалентно связанные кластеры внутри них. Эти полиатомные ионы представляют собой группы атомов, которые ковалентно связаны вместе и имеют общий ионный заряд, такой как сульфат [Итак, ₄ ] ²⁻ ион Каждый полиатомный ион в соединении написан индивидуально, чтобы проиллюстрировать отдельные группировки. Например, соединение дихлорного гексоксида имеет эмпирическую формулу Clo ₃ и молекулярная формула CL ₂ O ₆ , но в жидких или твердых формах это соединение более правильно показано ионной конденсированной формулой [CLO ₂ ] ⁺[CLO ₄ ] ⁻, что иллюстрирует, что это соединение состоит из [CLO ₂ ] ⁺ ионы и [CLO ₄ ] ⁻ ионы В таких случаях конденсированная формула должна быть только достаточно сложной, чтобы показать хотя бы один из каждого ионного вида.

Химические формулы, как описано здесь, отличаются от гораздо более сложных химических систематических названий, которые используются в различных системах химической номенклатуры . Например, одно систематическое название для глюкозы составляет (2 R , 3 S , 4 R , 5 R ) -2,3,4,5,6-пентагидроксигексанал. Это имя, интерпретируемое правилами, стоящими за ним, полностью указывает структурную формулу глюкозы, но название не является химической формулой, как обычно понятно, 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 простую экспрессию относительного числа каждого типа атома или соотношения элементов в соединении. Эмпирические формулы являются стандартом для ионных соединений , таких как CaCl ₂ и для макромолекул, таких как SIO ₂ . Эмпирическая формула не ссылается на изомеризм , структуру или абсолютное количество атомов. Термин эмпирический относится к процессу элементарного анализа , методики аналитической химии, используемой для определения относительного процентного состава чистого химического вещества по элементу.

Например, гексан имеет молекулярную формулу C ₆ H ₁₄ и (для одного из его изомеров, N-гексан) 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 для гексана - это C ₃ H ₇ . Аналогично эмпирическая формула для перекиси водорода , H ₂ O ₂ , просто Хо , выражая соотношение 1: 1 элементов компонентов. Формальдегид и уксусная кислота имеют одинаковую эмпирическую формулу, Ch ₂ o . Это также молекулярная формула для формальдегида, но уксусная кислота вдвое больше атомов.

Как и другие типы формул, подробно описанные ниже, эмпирическая формула показывает количество элементов в молекуле и определяет, является ли это бинарным соединением , тройным соединением , четвертичным соединением или 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}}

n -бутан -структурная формула
Молекулярная формула: C ₄ H ₁₀
Сгущенная формула: CH ₃ CH ₂ CH ₂ CH ₃

Молекулярные формулы просто указывают количество каждого типа атома в молекуле молекулярного вещества. Они такие же, как эмпирические формулы для молекул, которые имеют только один атом конкретного типа, но в противном случае могут иметь большее число. Примером разницы является эмпирическая формула для глюкозы, которая Ch ₂ O ( соотношение 1: 2: 1), в то время как его молекулярная формула C ₆ H ₁₂ O ₆ ( количество атомов 6: 12: 6). Для воды обе формулы H ₂ o . Молекулярная формула предоставляет больше информации о молекуле, чем ее эмпирическая формула, но ее сложнее установить.

Структурная формула

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

Две диаграммы показывают две молекулы, которые являются структурными изомерами друг друга, поскольку они оба имеют одинаковую молекулярную формулу C ₄ H ₁₀ , но они имеют разные структурные формулы, как показано.

Сгущенная формула

Связь молекулы часто оказывает сильное влияние на ее физические и химические свойства и поведение. Две молекулы, состоящие из одинаковых чисел одинаковых типов атомов (то есть пара изомеров ), могут обладать совершенно разными химическими и/или физическими свойствами, если атомы связаны по -разному или в разных положениях. В таких случаях полезно структурная формула , поскольку она иллюстрирует, какие атомы связаны с какими другими. Из связности часто можно вывести приблизительную форму молекулы .

Конденсированная (или полуструктурная) формула может представлять собой 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, одиноких друг с другом, причем каждый атом углерода имеет три атома водорода с ним. Его химическая формула может быть оказана как Ch ₃ Ch ₃ . У этилена существует двойная связь между атомами углерода (и, следовательно, каждый углерод имеет только два гидрогина), поэтому химическая формула может быть написана: CH ₂ CH ₂ , и тот факт, что между углеродами существует двойная связь, неявна, потому что углерод имеет валентность из четырех. Тем не менее, более явным методом является написать H ₂ C = CH ₂ или менее часто H ₂ C :: CH ₂ . Две линии (или две пары точек) указывают на то, что двойная связь соединяет атомы по обе стороны от них.

Тройная связь может быть выражена с тремя линиями ( Hc≡CH ) или три пары точек ( HC ::: CH ), и если может быть двусмысленность, для указания одной связи может использоваться одна линия или пара точек.

Молекулы с несколькими функциональными группами , которые одинаковы, могут быть выражены путем включения повторной группы в круглые скобки . Например, isobutane может быть написан (Ch ₃ ) ₃ Ch . Эта конденсированная структурная формула подразумевает другую связь от других молекул, которые могут быть образованы с использованием одних и тех же атомов в одних и тех же пропорциях ( изомеры ). Формула (Ch ₃ ) ₃ CH подразумевает центральный атом углерода, связанный с одним атомом водорода и тремя метильными группами ( Ch ₃ ). Такое же количество атомов каждого элемента (10 гидрогин и 4 углерода, или C ₄ H ₁₀ ) может использоваться для изготовления молекулы прямой цепи, n - бутан : CH ₃ CH ₂ Ch ₂ CH ₃ .

Химические названия в ответ на ограничения химических формул

Алкен, называемый но-2-en, имеет два изомера, которые химическая формула CH ₃ CH = CHCH ₃ не идентифицирует. Относительное положение двух метильных групп должно быть указано дополнительным обозначением, обозначающим, находятся ли метильные группы на одной и той же стороне двойной связи ( CIS или Z ) или на противоположных сторонах друг от друга ( транс или E ). ^{[ 1 ]}

Как отмечалось выше, для представления полных структурных формул многих сложных органических и неорганических соединений может потребоваться химическая номенклатура , которая выходит далеко за рамки доступных ресурсов, используемых выше в простых конденсированных формулах. См. IUPAC Nomenclatore of Organic Chemistry и IUPAC Nomenclatore неорганической химии 2005 года для примеров. Кроме того, линейные системы именования, такие как международный химический идентификатор (Inchi), позволяют компьютеру построить структурную формулу, а также упрощенная система линейных вводов молекулярно-вход (Smiles) позволяет более читаемый на человеке вход ASCII. Тем не менее, все эти системы номенклатуры выходят за рамки стандартов химических формул и технически являются химическими системами именования, а не систем формул. ^{[ 2 ]}

Полимеры в конденсированных формулах

Для полимеров в конденсированных химических формулах вокруг повторного блока помещаются скобки. Например, молекула углеводородов , которая описывается как CH ₃ (Ch ₂ ) ₅₀ Ch ₃ , представляет собой молекулу с пятьдесят повторяющихся единиц. Если количество повторяющихся единиц неизвестно или переменное, буква n может использоваться для указания этой формулы: Ch ₃ Ch ₂ ) _N C3 ₍ .

Ионы в конденсированных формулах

Для ионов заряд на конкретный атом может быть обозначен правым надписей. Например, НА ⁺, или С ²⁺Полем Общий заряд на заряженную молекулу или полиатомный ион также может быть показан таким образом, например, для гидрония , H ₃ o ⁺, или сульфат , Итак 2–4 , . Здесь + и - - используются вместо +1 и -1 соответственно.

Для более сложных ионов кронштейны [] часто используются для охвата ионной формулы, как в [B ₁₂ H ₁₂ ] ²⁻, который содержится в таких соединениях, как цезий -додекабатор , CS ₂ [B ₁₂ H ₁₂ ] . Клори () могут быть вложены внутри скобков, чтобы указать повторную единицу, как в хлориде Hexamminecobalt (iii) , [CO (NH ₃ ) ₆ ] ³⁺Cl - 3 . Здесь, (NH ₃ ) ₆ указывает на то, что ион содержит шесть групп амминовых групп ( NH ₃ ) Связанный с кобальтом , и [] заключает всю формулу иона с зарядом +3. ^{[ необходимо дальнейшее объяснение ]}

Это строго необязательно; Химическая формула действительна с информацией о ионизации или без него, а хлорид гексамминекобальта (iii) может быть написан как [CO (NH ₃ ) ₆ ] ³⁺Cl - 3 или [CO (NH ₃ ) ₆ ] CL ₃ . Кроншеты, такие как скобки, ведут себя в химии, как они это делают в математике, группируют сроки вместе - они не используются только для состояний ионизации. В последнем случае здесь скобки указывают 6 групп в одной и той же форме, связанной с другой группой размера 1 (атом кобальта), а затем весь пакет, как группа, связана с 3 атомами хлора. В первом случае ясно, что связь, соединяющая хлорины, является ионной , а не ковалентной .

Изотопы

Хотя изотопы более актуальны для химии ядерной химии или химии стабильной изотопов , чем для обычной химии, различные изотопы могут быть указаны с префиксом суперпикса в химической формуле. Например, ион фосфата, содержащий радиоактивный фосфор-32 [ ³²По ₄ ] ³⁻Полем Также исследование с участием стабильных изотопных соотношений может включать молекулу ¹⁸А ¹⁶О. .

Иногда используется левый подписчик для указания атомного числа . Например, ₈ O ₂ для DioxyGen и ¹⁶
₈ o
₂ для наиболее распространенных изотопных видов диоксигена. Это удобно при написании уравнений для ядерных реакций , чтобы более четко показать баланс заряда.

В ловушке атомы

Символ @ ( у знака ) указывает атом или молекулу, захваченную внутри клетки, но не химически связан с ним. Например, Buckminsterfullerene ( C ₆₀ ) с атом (M) будет просто представлен как MC ₆₀ Независимо от того, находился ли M внутри фуллерена без химической связи или снаружи, связанного с одним из атомов углерода. Используя символ @, это будет обозначено M@C ₆₀ , если M был внутри углеродной сети. Пример нефлерена [Как@ni ₁₂ как ₂₀ ] ³⁻, ион, в котором один мышьяк (AS) атом попадает в клетку, образованную остальными 32 атомами.

Эта нотация была предложена в 1991 году ^{[ 3 ]} с обнаружением клетки фуллерена ( эндоэдральные фуллерены ), которые могут улавливать атомы, такие как LA , например, La@C ₆₀ или La@c ₈₂ . Выбор символа был объяснен авторами как кратко, легко напечатанные и передаваемые в электронном виде (знак AT включен в ASCII , на котором основаны большинство современных схем кодирования символов), а визуальные аспекты предполагают структуру эндоэдранных Фуллерен.

Нестучиометрические химические формулы

Химические формулы чаще всего используют целые числа для каждого элемента. Тем не менее, существует класс соединений, называемых нестехиометрическими соединениями , которые не могут быть представлены небольшими целыми числами. Такая формула может быть написана с использованием десятичных фракций , как в Fe _0,95 O , или она может включать переменную часть, представленную буквой, как в Fe _{1- x} O , где x обычно намного меньше 1.

Общие формы для органических соединений

Химическая формула, используемая для серии соединений, которые отличаются друг от друга постоянной единицей, называется общей формулой . Он генерирует гомологичную серию химических формул. Например, спирты могут быть представлены формулой C _N H _{2 N + 1} OH ( N ≥ 1), давая гомологам метанол , этанол , пропанол для 1 ≤ n ≤ 3.

Холмская система

Система холма (или обозначения холма) представляет собой систему написания эмпирических химических формул, молекулярные химические формулы и компоненты конденсированной формулы, так что сначала указано количество углерода атомов в молекуле число атомов водорода , а затем , а затем на Количество всех других химических элементов впоследствии, в алфавитном порядке химических символов . Когда формула не содержит углерода, все элементы, включая водород, перечислены в алфавитном порядке.

Сортируя формулы в соответствии с количеством 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 чисел - например, сортировка текстовых строк в лексикографический порядок - Можно собрать химические формулы в так называемый порядок системы холма.

Система Hill была впервые опубликована Эдвином А. Хиллом из патентного и товарного офиса США в 1900 году. ^{[ 4 ]} Это наиболее часто используемая система в химических базах данных и печатные индексы для сортировки списков соединений. ^{[ 5 ]}

Список формул в системном порядке в холме расположен в алфавитном порядке, как указано выше, с однобуквенными элементами, представленными перед двумя буквами символов, когда символы начинаются с той же буквы (так что «B» идет до «Be», что до «BR», которое идет до «BR». "). ^{[ 5 ]}

Следующий пример формул записано с использованием системы холма и перечислены в Hill Order:

Brclh ₂ Si
Бри
CCL ₄
Ch ₃ i
C ₂ H ₅ Br
H ₂ O ₄ S

Смотрите также

Примечания

Ссылки

^ Берроуз, Эндрю. (2013-03-21). Chemistry³: введение неорганической, органической и физической химии (второе изд.). Оксфорд: издательство Оксфордского университета. ISBN 978-0-19-969185-2 Полем OCLC 818450212 .
^ Майлз, Линда. «Libguides: CHE 120 - Введение в органическую химию - Учебник: Глава 1 - Обзор органической химии / углеводороды» . Guides.hostos.cuny.edu . Получено 2024-07-13 .
^ Чай, Ян; Го, Тинг; Джин, Чанминг; Haufler, Robert E.; Chibante, LP Felipe; Фуре, Ян; Ван, Лихонг; Алфорд, Дж. Майкл; Smalley, Richard E. (1991). «Fullerenes Wlth Metals внутри». Журнал физической химии . 95 (20): 7564–7568. doi : 10.1021/j100173a002 .
^ Эдвин А. Хилл (1900). «В системе индексации химической литературы, принятой подразделением классификации патентного управления США» . J. Am. Химический Соц 22 (8): 478–494. doi : 10.1021/ja02046a005 . HDL : 2027/UIUG.30112063986233 .
^ Jump up to: ^а ^{беременный} Виггинс, Гэри. (1991). Химическая информация источников. Нью -Йорк: МакГроу Хилл. п. 120.

Petrucci, Ralph H.; Харвуд, Уильям С.; Херринг, Ф. Джеффри (2002). "3" . Общая химия: принципы и современные применения (8 -е изд.). Верхняя седл -река, Нью -Джерси: Прентис Холл. ISBN 978-0-13-014329-7 Полем LCCN 2001032331 . OCLC 46872308 .

Внешние ссылки

СМИ, связанные с химическими формулами в Wikimedia Commons
Пример нотации холма , из библиотеки Лоуэлла Университета Массачусетса, в том числе о том, как разобраться в системном порядке холма
Расчет молекулярной формулы с применением обозначения холма . Библиотека, рассчитанная на холм, доступна на NPM .

[1] Берроуз, Эндрю. (2013-03-21). Chemistry³: введение неорганической, органической и физической химии (второе изд.). Оксфорд: издательство Оксфордского университета. ISBN 978-0-19-969185-2 Полем OCLC 818450212 .

[2] Майлз, Линда. «Libguides: CHE 120 - Введение в органическую химию - Учебник: Глава 1 - Обзор органической химии / углеводороды» . Guides.hostos.cuny.edu . Получено 2024-07-13 .

[YanChai-3] Чай, Ян; Го, Тинг; Джин, Чанминг; Haufler, Robert E.; Chibante, LP Felipe; Фуре, Ян; Ван, Лихонг; Алфорд, Дж. Майкл; Smalley, Richard E. (1991). «Fullerenes Wlth Metals внутри». Журнал физической химии . 95 (20): 7564–7568. doi : 10.1021/j100173a002 .

[4] Эдвин А. Хилл (1900). «В системе индексации химической литературы, принятой подразделением классификации патентного управления США» . J. Am. Химический Соц 22 (8): 478–494. doi : 10.1021/ja02046a005 . HDL : 2027/UIUG.30112063986233 .

[wiggins-5] Jump up to: ^а ^{беременный} Виггинс, Гэри. (1991). Химическая информация источников. Нью -Йорк: МакГроу Хилл. п. 120.

[ 1 ]

[ 2 ]

[ 3 ]

[ 4 ]

[ 5 ]