3.2: Fórmulas Químicas

Una fórmula química presenta información sobre la proporcion de átomos que constituyen un compuesto químico o molécula particular, utilizando principalmente símbolos de elementos y números. A veces también se utilizan otros símbolos, como guiones, paréntesis, corchetes, comas y los signos más y menos. Una fórmula química puede ser uno de tres tipos– Molecular, empírica y estructural.

Fórmula molecular

La fórmula molecular representa una molécula o un compuesto químico utilizando símbolos químicos (para indicar los tipos de átomos) y números de subíndice (para mostrar el número de átomos de cada tipo en la molécula). Las fórmulas moleculares también se utilizan como abreviaturas para los nombres de compuestos.

Algunos elementos consisten en átomos individuales discretos, como los gases nobles helio, neón y argón. Estos elementos se llaman gases monoatómicos y tienen fórmulas moleculares He, Ne y Ar, respectivamente. Pocos elementos existen como moléculas formadas por dos o más átomos químicamente unidos del mismo elemento. Por ejemplo, elementos como el hidrógeno, el oxígeno y el nitrógeno existen como moléculas diatómicas que contienen dos átomos cada uno y, por lo tanto, tienen las fórmulas moleculares H₂, O₂ y N₂, respectivamente. Asimismo, elementos como el fósforo y el azufre existen como moléculas poliatómicas con fórmulas moleculares P₄ y S₈, respectivamente. 

Es importante señalar que un subíndice que sigue a un símbolo y un número delante de un símbolo no representan lo mismo; por ejemplo, H₂ y 2H representan especies claramente diferentes. H₂ es una fórmula molecular; representa una molécula diatómica de hidrógeno, que consiste en dos átomos del elemento que están unidos químicamente. La expresión 2H, por otro lado, indica dos átomos de hidrógeno separados que no se combinan como una unidad. La expresión 2H₂ representa dos moléculas de hidrógeno diatómico.

Fórmula empírica

Los compuestos se forman cuando dos o más elementos se combinan químicamente, dando como resultado la formación de enlaces. Por ejemplo, el hidrógeno y el oxígeno pueden reaccionar para formar agua, y el sodio y el cloro pueden reaccionar para formar cloruro de sodio o sal de mesa. A veces describimos la composición de estos compuestos con una fórmula empírica, que indica los tipos de átomos presentes y la relación de números enteros más simple del número de átomos (o iones) en el compuesto. Por ejemplo, el dióxido de titanio (usado como pigmento en la pintura blanca y en el tipo de bloqueador solar grueso y blanco) tiene una fórmula empírica de TiO₂. Esto identifica los elementos titanio (Ti) y oxígeno (O) como los constituyentes del dióxido de titanio e indica la presencia del doble de átomos del elemento oxígeno que los átomos del elemento titanio.

En muchos casos, la fórmula molecular de una sustancia se deriva de una determinación experimental tanto de su fórmula empírica como de su masa molecular (la suma de masas atómicas para todos los átomos que componen la molécula). Por ejemplo, se puede determinar experimentalmente que el benceno contiene dos elementos, carbono (C) e hidrógeno (H), y que por cada átomo de carbono en el benceno hay un átomo de hidrógeno. Por lo tanto, la fórmula empírica es CH. Una determinación experimental de la masa molecular revela que una molécula de benceno contiene seis átomos de carbono y seis átomos de hidrógeno, por lo que la fórmula molecular del benceno es C₆H₆.

Fórmula estructural

La fórmula estructural de un compuesto da la misma información que su fórmula molecular (los tipos y números de átomos en la molécula) pero también muestra cómo los átomos están conectados en la molécula. En otras palabras, la fórmula estructural representa gráficamente la estructura molecular de un compuesto. Muestra la probable disposición de los átomos y cómo están conectados en el espacio tridimensional real, dando más información sobre la geometría molecular. Las líneas se utilizan para representar los enlaces presentes entre los átomos. La fórmula también puede representar los ángulos de enlace aproximados, dando un sentido de la forma de la molécula. 

Este texto está adaptado de Openstax Química 2e, Sección 2.4: Fórmulas Químicas.

Los compuestos químicos son sustancias que están formadas por dos o más elementos en proporciones específicas. Para describir estos compuestos de manera precisa, se desarrollaron las fórmulas químicas. Una fórmula química brinda información sobre los elementos y el número de iones o átomos involucrados.

Los elementos se expresan con su símbolo químico, mientras que el número relativo de iones o átomos se señala con un subíndice. Por ejemplo, el azúcar común o sacarosa es un compuesto que contiene los siguientes elementos:carbono, hidrógeno y oxígeno, que se representan con los símbolos C, H y O.Los números doce, veintidós y once indican el número total de átomos de carbono, hidrógeno y oxígeno que están presentes en este compuesto. En general, los elementos no se organizan por orden alfabético, sino que se comienza con los elementos que tienen una carga más positiva, o elementos metálicos, seguidos por los de carga más negativa, o elementos menos metálicos, como el hidróxido de potasio.

Las fórmulas químicas se clasifican en molecular, empírica y estructural. Las fórmulas moleculares describen un compuesto enumerando cada elemento y el número exacto de átomos presentes en el mismo. La fórmula molecular de la glucosa es C6H12O6, es decir, que la glucosa está compuesta por seis átomos de carbono, doce de hidrógeno y seis de oxígeno.

La fórmula empírica muestra la proporción más simple de número entero en la que están presentes los átomos de los elementos. En la glucosa, la proporción más simple de átomos de carbono, hidrógeno y oxígeno es 1:2:1, lo que resulta en la fórmula empírica CH2O. La fórmula molecular de un compuesto también es un número entero que es múltiplo de su fórmula empírica.

En la glucosa, la multiplicación de la fórmula empírica con el número entero seis da como resultado la fórmula molecular. Por otra parte, la fórmula estructural presenta gráficamente la relación entre los átomos individuales. Los símbolos químicos representan los átomos y las líneas señalan los enlaces químicos.

Una sola línea representa un solo enlace, y dos y tres líneas indican enlaces dobles y triples, respectivamente. Los modelos extendidos de la fórmula estructural, como el de proyección de caballete, el de barras y esferas o el de espacio lleno, ofrecen varias perspectivas tridimensionales sobre la forma molecular. De las tres fórmulas químicas, la fórmula estructural brinda la mayor cantidad de información sobre el compuesto químico, seguido por la fórmula molecular.

La fórmula empírica es la menos informativa.