3.2: Химические формулы

В химической формуле представлена информация о пропорциях атомов, составляющих конкретное химическое соединение или молекулу, в основном с использованием символов элементов и чисел. Иногда другие символы, такие как тире, скобки, скобки, запятые, также используются знаки плюс и минус. Химическая формула может быть одним из трех типов – молекулярной, эмпирической и структурной.

Молекулярная формула

Молекулярная формула представляет молекулу или химическое соединение с использованием химических символов (для обозначения типов атомов) и подстрочных чисел (для отображения количества атомов каждого типа в молекуле). Молекулярные формулы также используются в качестве сокращений названий соединений.

Некоторые элементы состоят из дискретных, отдельных атомов,- такие как благородные газы гелий, неон и аргон. Такие элементы называются моноатомными газами и имеют молекулярные формулы HE, Ne и Ar соответственно. Немногие элементы существуют в виде молекул, состоящих из двух или более химически связанных атомов одного и того же элемента. Например, такие элементы, как водород, кислород и азот, существуют как двухатомные молекулы, содержащие по два атома в каждом и, таким образом, имеют молекулярные формулы H₂, O₂ и N₂ соответственно. Аналогично, такие элементы, как фосфор и сера, существуют как полиатомные молекулы с молекулярными формулами P₄ и S₈ соответственно.  

Важно отметить, что подписной знак, следующий за символом, и число перед символом не представляют одну и ту же вещь; например, H₂ и 2H представляют совершенно разные виды. H₂ – это молекулярная формула; она представляет собой диатомную молекулу водорода, состоящую из двух атомов элемента, которые химически связаны друг с другом. Выражение 2H, с другой стороны, указывает на два отдельных атома водорода, которые не объединены в единицу. Выражение 2H₂ представляет собой две молекулы двуатомного водорода.

Эмпирическая формула

Соединения образуются, когда два или более элементов химически объединяются, что приводит к образованию связей. Например, водород и кислород могут вступать в реакцию с образованием воды, а натрий и хлор могут вступать в реакцию с образованием хлористого натрия или пищевой соли. Мы иногда описываем состав этих соединений эмпирической формулой, которая показывает типы присутствующих атомов и простейшее отношение целых чисел числа атомов (или ионов) в составе соединения. Например, диоксид титана (используется в качестве пигмента в белой краске и в плотном, белом, блокирующем типе солнцезащитного крема) имеет эмпирическую формулу TiO₂. Это определяет элементы титана (Ti) и кислорода (O) как составляющие диоксида титана и указывает на наличие в два раза большего количества атомов кислорода элемента, чем атомов титана элемента.

Во многих случаях молекулярная формула вещества вытекает из экспериментального определения как его эмпирической формулы, так и его молекулярной массы (суммы атомных масс всех атомов, составляющих молекулу). Например, экспериментально можно определить, что бензол содержит два элемента: Углерод (C) и водород (H), и что для каждого атома углерода в бензоле существует один атом водорода. Таким образом, эмпирическая формула – CH. Экспериментальное определение молекулярной массы показывает, что молекула бензола содержит шесть атомов углерода и шесть атомов водорода, поэтому молекулярная формула бензола — C₆H₆.

Структурная формула

Структурная формула для соединения дает ту же информацию, что и его молекулярная формула (типы и числа атомов в молекуле), но также показывает, как атомы соединены в молекуле. Другими словами, структурная формула представляет молекулярную структуру соединения графически. В нем показано вероятное расположение атомов и то, как атомы соединены в реальном трехмерном пространстве, что дает больше информации о молекулярной геометрии. Линии используются для представления связей между атомами. Формула также может отображать приблизительные углы связи, давая ощущение формы молекулы.  

Этот текст адаптирован из Openstax Химия 2e изд., раздел 2.4: Химические формулы.

Химические соединения это вещества, состоящие из двух или более элементов в определенных соотношениях. Для точного описания этих соединений были разработаны химические формулы. Химическая формула предоставляет информацию об элементах и количестве входящих ионов или атомов.

Элементы обозначаются соответствующим химическим символом, а относительное количество ионов или атомов указывается с помощью нижнего индекса. Например, столовый сахар или сахароза это соединение, содержащее углерод, водород и кислород, представленные их символами C, H и O.Числа двенадцать, двадцать два и одиннадцать указывают общее количество атомов углерода, водорода и кислорода, присутствующих в соединении. Обычно элементы перечислены не в алфавитном порядке, а, скорее, начиная с более положительно заряженных или металлических элементов, за которыми следуют более отрицательно заряженные или менее металлические элементы, например калия гидроксид.

Химические формулы делятся на молекулярные, эмпирические и структурные. Молекулярные формулы описывают соединение, перечисляя каждый элемент и точное количество присутствующих атомов. Молекулярная формула глюкозы C_6H_12O_6, что означает, что глюкоза состоит из шести атомов углерода, двенадцати атомов водорода и шести атомов кислорода.

Эмпирическая формула отображает простейшее целочисленное соотношение атомов присутствующих элементов. В глюкозе простейшее соотношение атомов углерода, водорода и кислорода составляет 1:2:1, что дает эмпирическую формулу CH_2O. Молекулярная формула соединения также является целым числом, кратным его эмпирической формуле.

В глюкозе умножение ее эмпирической формулы на целое число шесть дает ее молекулярную формулу. В отличие от этого, структурная формула графически представляет связи между отдельными атомами. Химические символы обозначают атомы, а короткие линии обозначают химические связи.

Одинарные линии представляют одинарные связи, а две и три линии двойные и тройные связи соответственно. Расширенные модели структурной формулы, такие как перспективный рисунок, шаростержневая модель или пространственная модель, представляют различные трехмерные перспективы формы молекулы. Из трех химических формул наибольшее количество информации о химическом веществе дает структурная формула, за которой следует молекулярная формула.

Эмпирическая формула наименее информативна.