3.2: Wzory chemiczne

Wzór chemiczny przedstawia informacje o proporcjach atomów tworzących dany związek chemiczny lub cząsteczkę, głównie za pomocą symboli pierwiastków i liczb. Czasami używane są również inne symbole, takie jak myślniki, nawiasy okrągłe i kwadratowe, przecinki, znaki plus i minus. Istnieją trzy typy wzorów chemicznych: molekularny, empiryczny i strukturalny.

Formuła molekularna

Wzór cząsteczkowy przedstawia cząsteczkę lub związek chemiczny za pomocą symboli chemicznych (w celu wskazania rodzajów atomów) i liczb w indeksie dolnym (w celu pokazania liczby atomów każdego typu w cząsteczce). Wzory molekularne są również używane jako skróty nazw związków.

Niektóre pierwiastki składają się z dyskretnych, pojedynczych atomów, jak gazy szlachetne: hel, neon i argon. Takie pierwiastki nazywane są gazami jednoatomowymi i mają odpowiednio wzory cząsteczkowe He, Ne i Ar. Niewiele pierwiastków istnieje w postaci cząsteczek składających się z dwóch lub więcej chemicznie związanych atomów tego samego pierwiastka. Na przykład pierwiastki takie jak wodór, tlen i azot istnieją jako cząsteczki dwuatomowe zawierające po dwa atomy, a zatem mają odpowiednio wzory cząsteczkowe H2, O2 i N2. Podobnie pierwiastki takie jak fosfor i siarka istnieją jako cząsteczki wieloatomowe o wzorach cząsteczkowych odpowiednio P4 i S8.

Należy zauważyć, że indeks dolny następujący po symbolu i liczba przed symbolem nie reprezentują tego samego; na przykład H2 i 2H reprezentują wyraźnie różne rodzaje. H2 jest wzorem cząsteczkowym; reprezentuje dwuatomową cząsteczkę wodoru, składającą się z dwóch atomów pierwiastka, które są ze sobą chemicznie związane. Z drugiej strony wyrażenie 2H wskazuje dwa oddzielne atomy wodoru, które nie są połączone w jednostkę. Wyrażenie 2H2 oznacza dwie cząsteczki dwuatomowego wodoru.

Wzór empiryczny

Związki powstają, gdy dwa lub więcej pierwiastków łączy się chemicznie, w wyniku czego powstają wiązania. Na przykład wodór i tlen mogą reagować, tworząc wodę, a sód i chlor mogą reagować, tworząc chlorek sodu lub sól kuchenną. Czasami opisujemy skład tych związków wzorem empirycznym, który wskazuje rodzaje występujących atomów i najprostszy całkowity stosunek liczby atomów (lub jonów) w związku. Na przykład dwutlenek tytanu (stosowany jako pigment w białej farbie i w gęstym, białym, blokującym filtrze przeciwsłonecznym) ma empiryczny wzór TiO2. Identyfikuje to pierwiastki tytan (Ti) i tlen (O) jako składniki dwutlenku tytanu i wskazuje na obecność dwukrotnie większej liczby atomów pierwiastka tlenu niż atomów pierwiastka tytanu.

W wielu przypadkach wzór cząsteczkowy substancji wyprowadza się z eksperymentalnego określenia zarówno jej wzoru empirycznego, jak i masy cząsteczkowej (suma mas atomowych wszystkich atomów tworzących cząsteczkę). Można na przykład ustalić eksperymentalnie, że benzen zawiera dwa pierwiastki, węgiel (C) i wodór (H), i że na każdy atom węgla w benzenie przypada jeden atom wodoru. Zatem wzór empiryczny to CH. Eksperymentalne określenie masy cząsteczkowej wykazało, że cząsteczka benzenu zawiera sześć atomów węgla i sześć atomów wodoru, zatem wzór cząsteczkowy benzenu to C6H6.

Formuła strukturalna

Wzór strukturalny związku zawiera te same informacje, co jego wzór cząsteczkowy (rodzaje i liczba atomów w cząsteczce), ale pokazuje także, w jaki sposób atomy są połączone w cząsteczce. Innymi słowy, wzór strukturalny przedstawia graficznie strukturę molekularną związku. Pokazuje prawdopodobne rozmieszczenie atomów i sposób, w jaki atomy są połączone w rzeczywistej trójwymiarowej przestrzeni, dając więcej informacji o geometrii molekularnej. Linie służą do przedstawienia wiązań występujących pomiędzy atomami. Wzór może również przedstawiać przybliżone kąty wiązań, dając wyobrażenie o kształcie cząsteczki.

Tekst jest adaptacją z Openstax Chemistry 2e, Section 2.4: Chemical Formulas.

Związki chemiczne to substancje złożone z dwóch lub więcej pierwiastków w określonych proporcjach. Aby dokładnie opisać te związki, opracowano wzory chemiczne. 

Wzór chemiczny dostarcza informacji o pierwiastkach i liczbie zaangażowanych jonów lub atomów. Pierwiastki są przedstawiane za pomocą ich symbolu chemicznego, podczas gdy względna liczba jonów lub atomów jest oznaczona numerem indeksu dolnego. 

Na przykład cukier stołowy lub sacharoza to związek zawierający pierwiastki węgiel, wodór i tlen – reprezentowane za pomocą ich symboli C, H i O. Liczby 12, 22 i 11 wskazują całkowitą liczbę atomów węgla, wodoru i tlenu obecnych w związku.

Ogólnie rzecz biorąc, pierwiastki nie są wymienione w kolejności alfabetycznej, ale raczej zaczynają się od bardziej naładowanych dodatnio lub pierwiastków metalicznych, a następnie bardziej ujemnie naładowanych lub mniej metalicznych pierwiastków, takich jak wodorotlenek potasu. 

Wzory chemiczne dzielą się na molekularne, empiryczne i strukturalne.

Wzory molekularne opisują związek, wymieniając każdy pierwiastek i dokładną liczbę obecnych atomów. Wzór cząsteczkowy glukozy to C₆H₁₂O₆, co oznacza, że glukoza składa się z sześciu atomów węgla, dwunastu atomów wodoru i sześciu atomów tlenu.

Wzór empiryczny przedstawia najprostszy stosunek atomów obecnych pierwiastków do liczb całkowitych. W glukozie najprostszy stosunek atomów węgla, wodoru i tlenu wynosi 1:2:1 - co daje mu wzór empiryczny_CH2O.

Wzór cząsteczkowy związku jest również wielokrotnością liczby całkowitej jego wzoru empirycznego. W glukozie pomnożenie jej wzoru empirycznego przez liczbę całkowitą sześć daje jej wzór cząsteczkowy.

Natomiast wzór strukturalny przedstawia relacje między poszczególnymi atomami graficznie. Symbole chemiczne przedstawiają atomy, a krótkie linie oznaczają wiązania chemiczne. Pojedyncze linie reprezentują wiązania pojedyncze, podczas gdy dwie i trzy linie charakteryzują odpowiednio wiązania podwójne i potrójne.

Rozszerzone modele wzoru strukturalnego, takie jak rysunek perspektywiczny, model kuli i kija lub model wypełniający przestrzeń, zapewniają różne trójwymiarowe perspektywy dotyczące kształtu molekularnego.

Spośród trzech wzorów chemicznych najwięcej informacji o materiale chemicznym dostarcza wzór strukturalny, a następnie wzór cząsteczkowy. Formuła empiryczna jest najmniej pouczająca.