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, брутто-формула глюкозы — CH 2 O (вдвое больше атомов водорода , чем углерода и кислорода ), а ее молекулярная формула — C 6 H 12 O 6 (12 атомов водорода, 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 химической связи 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 : CH 3 -CH 2 -OH или CH 3 CH 2 OH . 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 разделяет свою 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.
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 номера 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 CB n которого представляет собой переменное нецелое числовое соотношение с n в диапазоне 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 — C 6 H 12 O 6 , а не эмпирическая формула глюкозы, которая — CH 2 O. 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 , а диметиловый эфир - сокращенной формулой CH 3 OCH 3 . Эти две молекулы имеют одинаковые эмпирические и молекулярные формулы ( C 2 H 6 O ), но их можно отличить по показанным 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, как, например, ион сульфата [SO 4 ] 2- . Каждый многоатомный ион в соединении записывается отдельно, чтобы проиллюстрировать отдельные группы. Например, соединение гексоксид дихлора имеет брутто-формулу ClO 3 , а молекулярную формулу Cl 2 O 6 , но в жидкой или твердой формах это соединение правильнее изображать ионной сокращенной формулой [ClO 2 ] + [ClO 4 ] - , что показывает, что данное соединение состоит из ионов [ClO 2 ] + и ионов [ClO 4 ] − . В таких случаях сокращенная формула должна быть достаточно сложной, чтобы отображать хотя бы один ион каждого вида.
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.
В химии эмпирическая формула химического вещества представляет собой простое выражение относительного количества атомов каждого типа или соотношения элементов в соединении. Эмпирические формулы являются стандартными для ионных соединений , таких как CaCl 2 , и для макромолекул, таких как SiO 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 , а (для одного из его изомеров, н-гексана) структурную формулу CH 3 CH 2 CH 2 CH 2 CH 2 CH 3 , что означает, что он имеет цепную структуру 6 атомов углерода и 14 атомов водорода . Однако эмпирическая формула гексана — C 3 H 7 . Точно так же эмпирическая формула перекиси водорода H 2 O 2 представляет собой просто HO , выражая соотношение составляющих элементов 1:1 . Формальдегид и уксусная кислота имеют одну и ту же брутто- формулу CH 2 O. 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.
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 глюкозы CH 2 O ( соотношение 1:2:1), а ее молекулярная формула — C 6 H 12 O 6 ( число атомов 6:12:6). Для воды обе формулы — H 2 O . Молекулярная формула дает больше информации о молекуле, чем ее эмпирическая формула, но ее труднее установить.
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 одну и ту же молекулярную формулу C 4 H 10 , но, как показано, они имеют разные структурные формулы.
Связность молекулы часто оказывает сильное влияние на ее физические и химические свойства и поведение . Две молекулы, состоящие из одинакового числа 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 CH 3 CH 3 . В этилене между атомами углерода имеется двойная связь (и, таким образом, 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, неявно, потому что углерод имеет валентность четыре. Однако более явным методом является запись H 2 C=CH 2 или, реже, H 2 C::CH 2 . Две линии (или две пары точек) указывают на то, что атомы по обе стороны от них соединяет двойная связь .
Тройная связь может быть выражена тремя линиями ( HC≡CH ) или тремя парами 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 может быть записан как (CH 3 ) 3 CH . 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 (СН 3 ) 3 СН 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 атома углерода или C 4 H 10 ) можно использовать для образования молекулы с прямой цепью н - бутана : CH 3 CH 2 CH 2 CH 3 .
В любом химическом соединении элементы всегда сочетаются друг с другом в одной и той же пропорции. Это закон постоянного состава .
Закон постоянного состава гласит, что в любом конкретном химическом соединении все образцы этого соединения состоят из одних и тех же элементов в одной и той же пропорции или соотношении. Например, любая молекула воды всегда состоит из двух атомов водорода и одного атома кислорода в соотношении 2:1. Если мы посмотрим на относительные массы кислорода и водорода в молекуле воды, то увидим, что 94% массы молекулы воды приходится на кислород, а оставшиеся 6% — на массу водорода. Эта массовая пропорция будет одинакова для любой молекулы воды. [1]
Алкен, называемый бут-2-еном, имеет два изомера, которые химическая формула CH 3 CH=CHCH 3 не идентифицирует. 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 ). [2]
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, использованных выше в простых сокращенных формулах. Примеры см. в номенклатуре органической химии ИЮПАК и номенклатуре неорганической химии ИЮПАК 2005 г. 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 ]
Для полимеров в сокращенных химических формулах повторяющуюся единицу ставят в круглые скобки. Например, молекула углеводорода , описываемая как CH 3 (CH 2 ) 50 CH 3 , представляет собой молекулу с пятьюдесятью повторяющимися единицами. Если количество повторяющихся единиц неизвестно или варьируется, для обозначения этой формулы можно использовать букву n : CH 3 (CH 2 ) n CH 3 .
Для ионов заряд конкретного атома может быть обозначен правым верхним индексом. Например, Na + или Cu2 + . Полный заряд заряженной молекулы или многоатомного иона также может быть показан таким способом, например, для гидроксония , H 3 O + , или сульфата , SO .2-4. Здесь + и - используются вместо +1 и -1 соответственно.
Для более сложных ионов скобки [ ] часто используются для заключения ионной формулы, как в [B 12 H 12 ] 2- , который встречается в таких соединениях, как додекаборат цезия , Cs 2 [B 12 H 12 ] . Круглые скобки ( ) могут быть вложены в скобки для обозначения повторяющейся единицы, как в хлориде гексамминкобальта(III) , [Co(NH 3 ) 6 ] 3+ Cl .−3. Здесь (NH 3 ) 6 указывает на то, что ион содержит шесть амминных групп ( NH 3 ), связанных 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 [Co(NH 3 ) 6 ] 3+ Cl.−3или [Co(NH 3 ) 6 ]Cl 3 . Скобки, как и круглые скобки, ведут себя в химии так же, как и в математике, группируя термины – 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 .
Хотя изотопы более важны для ядерной химии или химии стабильных изотопов , чем для традиционной химии, различные изотопы могут обозначаться в химической формуле с помощью верхнего индекса . Например, фосфат-ион, содержащий радиоактивный фосфор-32, представляет собой [ 32 PO 4 ] 3- . Также исследование, связанное с соотношением стабильных изотопов, может включать молекулу 18 O 16 O .
Левый индекс иногда используется избыточно для обозначения атомного номера . Например, 8 O 2 для дикислорода, а16
8О
2 для наиболее распространенных изотопных разновидностей дикислорода. Это удобно при написании уравнений ядерных реакций , чтобы более наглядно показать баланс зарядов.
Символ @ ( в знаке ) указывает на атом или молекулу, оказавшуюся внутри клетки, но не связанную с ней химически. Например, бакминстерфуллерен ( C 60 ) с атомом (M) будет просто обозначаться как MC 60 независимо от того, находится ли M внутри фуллерена без химической связи или снаружи, связанный с одним из атомов углерода. Используя символ @, это было бы обозначено M@C 60 , если бы M находился внутри углеродной сети. Нефуллереновым примером является [As@Ni 12 As 20 ] 3- , ион, в котором один атом мышьяка (As) захвачен в клетке, образованной другими 32 атомами.
Это обозначение было предложено в 1991 году [3] с открытием фуллереновых каркасов ( эндоэдральных фуллеренов ), которые могут захватывать такие атомы, как La , с образованием, например, La@C 60 или La@C 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.
В химических формулах чаще всего для каждого элемента используются целые числа . 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 может включать переменную часть, представленную буквой, как в Fe 1- x O , где x обычно намного меньше 1.
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), что дает гомологи метанол , этанол , пропанол при 1 ≤ n ≤ 3.
Система Хилла (или обозначение Хилла) — это система записи эмпирических химических формул, молекулярно-химических формул и компонентов сокращенной формулы, при которой сначала указывается количество атомов углерода в молекуле , 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 Бюро по патентам и товарным знакам США в 1900 году . [4] Это наиболее часто используемая система в химических базах данных и печатных указателях для сортировки списков соединений. [5]
Список формул в порядке системы Хилла расположен в алфавитном порядке, как указано выше, при этом однобуквенные элементы располагаются перед двухбуквенными символами, когда символы начинаются с одной и той же буквы (поэтому «B» идет перед «Be», которая идет перед «Br». "). [5]
Следующие примеры формул написаны с использованием системы Хилла и перечислены в порядке Хилла:
химическая формула (P274) (см. применение )
Этот материал доступен по лицензии Creative Commons Attribution-Share Alike 3.0.
СМИ, связанные с химическими формулами, на Викискладе?
