Kemisk formel

Kemisk formel för aluminiumsulfat . Formeln för aluminiumsulfathexadekahydrat är Al 2 (SO 4 ) 3 · 16 H 2 O .
Strukturformel för butan . Exempel på andra kemiska formler för butan är den empiriska formeln C 2 H 5 , molekylformeln C 4 H 10 och den kondenserade (eller semi-strukturella) formeln CH 3 CH 2 CH 2 CH 3 .

Inom kemi är en kemisk formel ett sätt att presentera information om de kemiska proportionerna av atomer som utgör en viss kemisk förening eller molekyl , med hjälp av kemiska elementsymboler, siffror och ibland även andra symboler, såsom parentes, bindestreck, parentes, kommatecken och plus (+) och minustecken (−). Dessa är begränsade till en enda typografisk rad med symboler, som kan inkludera nedsänkta och upphöjda . En kemisk formel är inte ett kemiskt namn , och den innehåller inga ord. Även om en kemisk formel kan innebära vissa enkla kemiska strukturer , är den inte detsamma som en fullständig kemisk strukturformel . Kemiska formler kan helt specificera strukturen för endast de enklaste av molekyler och kemiska ämnen , och är generellt sett mer begränsade i kraft än kemiska namn och strukturformler.

De enklaste typerna av kemiska formler kallas empiriska formler , som använder bokstäver och siffror som anger de numeriska proportionerna av atomer av varje typ. Molekylformler indikerar de enkla talen för varje typ av atom i en molekyl, utan information om struktur. Till exempel är den empiriska formeln för glukos CH 2 O (dubbelt så många väteatomer som kol och syre ), medan dess molekylformel är C 6 H 12 O 6 (12 väteatomer, sex kol- och syreatomer).

Ibland är en kemisk formel komplicerad genom att skrivas som en kondenserad formel (eller kondenserad molekylformel, ibland kallad en "semi-strukturformel"), som förmedlar ytterligare information om de särskilda sätt på vilka atomerna är kemiskt bundna tillsammans, antingen i kovalent bindningar , jonbindningar eller olika kombinationer av dessa typer. Detta är möjligt om den relevanta bindningen är lätt att visa i en dimension. Ett exempel är den kondenserade molekylära/kemiska formeln för etanol , som är CH 3 −CH 2 −OH eller CH 3 CH 2 OH . Men även en kondenserad kemisk formel är nödvändigtvis begränsad i sin förmåga att visa komplexa bindningsförhållanden mellan atomer, speciellt atomer som har bindningar till fyra eller flera olika substituenter .

Eftersom en kemisk formel måste uttryckas som en enda rad av kemiska elementsymboler kan den ofta inte vara lika informativ som en sann strukturformel, som är en grafisk representation av det rumsliga förhållandet mellan atomer i kemiska föreningar (se till exempel figuren för butan strukturella och kemiska formler, till höger). På grund av strukturell komplexitet kan en enda kondenserad kemisk formel (eller semi-strukturformel) motsvara olika molekyler, kända som isomerer . Till exempel delar glukos sin molekylformel C 6 H 12 O 6 med ett antal andra sockerarter , inklusive fruktos , galaktos och mannos . Linjära ekvivalenta kemiska namn finns som unikt kan specificera vilken komplex strukturformel som helst (se kemisk nomenklatur ), men sådana namn måste använda många termer (ord), snarare än de enkla elementsymbolerna, siffrorna och enkla typografiska symbolerna som definierar en kemisk formel .

Kemiska formler kan användas i kemiska ekvationer för att beskriva kemiska reaktioner och andra kemiska omvandlingar, såsom upplösning av joniska föreningar i lösning. Även om, som nämnts, kemiska formler inte har den fulla kraften hos strukturformler för att visa kemiska samband mellan atomer, är de tillräckliga för att hålla reda på antalet atomer och antalet elektriska laddningar i kemiska reaktioner, och därmed balansera kemiska ekvationer så att dessa ekvationer kan användas i kemiska problem som involverar bevarande av atomer och bevarande av elektrisk laddning.

Översikt

En kemisk formel identifierar varje beståndsdel med sin kemiska symbol och anger det proportionella antalet atomer i varje element. I empiriska formler börjar dessa proportioner med ett nyckelelement och tilldelar sedan antalet atomer av de andra elementen i föreningen, genom förhållanden till nyckelelementet. För molekylära föreningar kan dessa förhållandetal alla uttryckas som heltal. Till exempel kan den empiriska formeln för etanol skrivas C 2 H 6 O eftersom molekylerna av etanol alla innehåller två kolatomer, sex väteatomer och en syreatom. Vissa typer av joniska föreningar kan dock inte skrivas med helt empiriska formler. Ett exempel är borkarbid , vars formel för CB n är ett variabelt icke-heltalsförhållande med n som sträcker sig från över 4 till mer än 6,5.

När den kemiska föreningen i formeln består av enkla molekyler , använder kemiska formler ofta sätt att föreslå molekylens struktur. Dessa typer av formler är olika kända som molekylformler och kondenserade formler . En molekylformel räknar upp antalet atomer som återspeglar de i molekylen, så att molekylformeln för glukos är C 6 H 12 O 6 snarare än den empiriska formeln för glukos, som är CH 2 O . Men förutom mycket enkla ämnen saknar molekylärkemiska formler nödvändig strukturell information och är tvetydiga.

För enkla molekyler är en kondenserad (eller semistrukturell) formel en typ av kemisk formel som helt kan antyda en korrekt strukturformel. Till exempel kan etanol representeras av den kondenserade och kemiska formeln . den formeln CH3OCH3 CH3CH2OH , dimetyleter av kondenserade Dessa två molekyler har samma empiriska och molekylära formler ( C 2 H 6 O ), men kan särskiljas av de visade kondenserade formlerna, som är tillräckliga för att representera den fullständiga strukturen av dessa enkla organiska föreningar .

Kondenserade kemiska formler kan också användas för att representera joniska föreningar som inte existerar som diskreta molekyler, men som ändå innehåller kovalent bundna kluster inom dem. Dessa polyatomära joner är grupper av atomer som är kovalent bundna tillsammans och har en total jonladdning, såsom sulfat-[ SO 4 ] 2 - jonen. Varje polyatomisk jon i en förening skrivs individuellt för att illustrera de separata grupperingarna. Till exempel har föreningen diklorhexoxid en empirisk formel ClO 3 och molekylformel Cl 2 O 6 , men i flytande eller fast form visas denna förening mer korrekt av en jonisk kondenserad formel [ ClO 2 ] + [ClO 4 ] − , vilket illustrerar att denna förening består av [ClO 2 ] + joner och [ClO 4 ] − joner. I sådana fall behöver den kondenserade formeln bara vara tillräckligt komplex för att visa minst en av varje jonart.

Kemiska formler som beskrivs här skiljer sig från de mycket mer komplexa kemiska systematiska namn som används i olika system av kemisk nomenklatur . Till exempel är ett systematiskt namn för glukos (2R , 3S , 4R ,5R )-2,3,4,5,6-pentahydroxihexanal . Detta namn, tolkat av reglerna bakom det, specificerar helt glukosens strukturformel, men namnet är inte en kemisk formel som vanligtvis förstås, och använder termer och ord som inte används i kemiska formler. Sådana namn, till skillnad från grundläggande formler, kanske kan representera fullständiga strukturformler utan grafer.

Typer

Empirisk formel

Huvudartikel: Empirisk formel

Inom kemi är den empiriska formeln för en kemikalie ett enkelt uttryck för det relativa antalet av varje typ av atom eller förhållandet mellan elementen i föreningen. Empiriska formler är standarden för joniska föreningar , såsom CaCl 2 , och för makromolekyler, såsom SiO 2 . En empirisk formel hänvisar inte till isomerism , struktur eller absolut antal atomer. Termen empirisk hänvisar till processen för elementaranalys , en teknik för analytisk kemi som används för att bestämma den relativa procentuella sammansättningen av en ren kemisk substans för element.

Till exempel har hexan en molekylformel C 6 H 14 , och (för en av dess isomerer, n-hexan) en strukturformel CH 3 CH 2 CH 2 CH 2 CH 2 CH 3 , vilket antyder att den har en kedjestruktur av 6 kolatomer och 14 väteatomer . Emellertid är den empiriska formeln för hexan C 3 H 7 . Likaså är den empiriska formeln för väteperoxid , H 2 O 2 , helt enkelt H O , vilket uttrycker förhållandet 1:1 av beståndsdelar. Formaldehyd och ättiksyra har samma empiriska formel, CH 2 O . Detta är den faktiska kemiska formeln för formaldehyd, men ättiksyra har dubbelt så många atomer.

Molekylär formel



Isobutan strukturformel Molekylformel: C 4 H 10 Kondenserad formel: (CH 3 ) 3 CH


n- Butanstrukturformel Molekylformel : C 4 H 10 Kondenserad formel: CH 3 CH 2 CH 2 CH 3

Molekylformler anger de enkla talen för varje typ av atom i en molekyl av ett molekylärt ämne. De är samma som empiriska formler för molekyler som bara har en atom av en viss typ, men annars kan ha större antal. Ett exempel på skillnaden är den empiriska formeln för glukos, som är CH 2 O ( förhållande 1:2:1), medan dess molekylformel är C 6 H 12 O 6 ( antal atomer 6:12:6). För vatten är båda formlerna H 2 O . En molekylformel ger mer information om en molekyl än dess empiriska formel, men är svårare att fastställa.

En molekylformel visar antalet grundämnen i en molekyl och avgör om den är en binär förening , ternär förening , kvartär förening eller har ännu fler element.

Strukturformel

Huvudartikel: Strukturformel

Förutom kvantitativ beskrivning av en molekyl, fångar en strukturformel hur atomerna är organiserade och visar (eller antyder) de kemiska bindningarna mellan atomerna. Det finns flera typer av strukturformler fokuserade på olika aspekter av den molekylära strukturen.

De två diagrammen visar två molekyler som är strukturella isomerer av varandra, eftersom de båda har samma molekylformel C 4 H 10 , men de har olika strukturformler som visas.

Kondenserad formel

Huvudartikel: Kondenserad formel

En molekyls kopplingsförmåga har ofta ett starkt inflytande på dess fysikaliska och kemiska egenskaper och beteende . Två molekyler som består av samma antal av samma typer av atomer (dvs. ett par isomerer ) kan ha helt olika kemiska och/eller fysikaliska egenskaper om atomerna är sammankopplade på olika sätt eller i olika positioner. I sådana fall är en strukturformel användbar, eftersom den illustrerar vilka atomer som är bundna till vilka andra. Från anslutningen är det ofta möjligt att härleda den ungefärliga formen på molekylen .

En kondenserad (eller semistrukturell) formel kan representera typerna och det rumsliga arrangemanget av bindningar i en enkel kemisk substans, även om den inte nödvändigtvis specificerar isomerer eller komplexa strukturer. Till exempel etan av två kolatomer enkelbundna till varandra, där varje kolatom har tre väteatomer bundna till sig. Dess kemiska formel kan återges som CH 3 CH 3 . I eten finns det en dubbelbindning mellan kolatomerna (och alltså har varje kol bara två väten), därför kan den kemiska formeln skrivas: CH 2 CH 2 , och det faktum att det finns en dubbelbindning mellan kolen är implicit p.g.a. kol har en valens på fyra. En mer explicit metod är dock att skriva H 2 C=CH 2 eller mindre vanligt H 2 C:: CH 2 . De två linjerna (eller två par punkter) indikerar att en dubbelbindning förbinder atomerna på vardera sidan av dem.

En trippelbindning kan uttryckas med tre linjer ( HC≡CH ) ​​eller tre par prickar ( HC:::CH ), och om det kan finnas tvetydighet kan en enkel linje eller ett par punkter användas för att indikera en enkelbindning.

Molekyler med flera funktionella grupper som är lika kan uttryckas genom att omsluta den upprepade gruppen inom runda parenteser . Till exempel kan isobutan skrivas ( CH3 ) 3CH . Denna kondenserade strukturformel innebär en annan anslutning än andra molekyler som kan bildas med samma atomer i samma proportioner ( isomerer ). Formeln (CH 3 ) 3 CH innebär en central kolatom kopplad till en väteatom och tre metylgrupper ( CH 3 ). Samma antal atomer av varje grundämne (10 väten och 4 kol, eller C 4 H 10 ) kan användas för att göra en rakkedjig molekyl, n - butan : CH 3 CH 2 CH 2 CH 3 .

Lagen om sammansättning

I en given kemisk förening kombineras elementen alltid i samma proportion med varandra. Detta är lagen om konstant sammansättning .

Lagen om konstant sammansättning säger att i en viss kemisk förening kommer alla prover av den föreningen att bestå av samma grundämnen i samma proportion eller förhållande. Till exempel är varje vattenmolekyl alltid uppbyggd av två väteatomer och en syreatom i förhållandet 2:1. Om vi ​​tittar på de relativa massorna av syre och väte i en vattenmolekyl, ser vi att 94% av massan av en vattenmolekyl står för syre och de återstående 6% är massan av väte. Denna massandel kommer att vara densamma för vilken vattenmolekyl som helst.

Kemiska namn som svar på begränsningar av kemiska formler

Huvudartikel: Kemisk nomenklatur

Alkenen som kallas but-2-en har två isomerer, som den kemiska formeln CH 3 CH=CHCH 3 inte identifierar. Den relativa positionen för de två metylgrupperna måste anges med ytterligare notation som anger om metylgrupperna är på samma sida av dubbelbindningen ( cis eller Z ) eller på motsatta sidor från varandra ( trans eller E ).

Som noterats ovan, för att representera de fullständiga strukturformlerna för många komplexa organiska och oorganiska föreningar, kan kemisk nomenklatur behövas som går långt utöver de tillgängliga resurserna som används ovan i enkla kondenserade formler. Se IUPAC nomenclature of organic chemistry och IUPAC nomenclature of inorganic chemistry 2005 för exempel. Dessutom tillåter linjära namngivningssystem som International Chemical Identifier (InChI) en dator att konstruera en strukturformel, och förenklat molekylärt inmatningssystem (SMILES) tillåter en mer mänskligt läsbar ASCII-inmatning. Men alla dessa nomenklatursystem går utöver standarderna för kemiska formler och är tekniskt sett kemiska namnsystem, inte formelsystem. [ citat behövs ]

Polymerer i kondenserade formler

För polymerer i kondenserade kemiska formler placeras parenteser runt den upprepande enheten. . CH3 (CH2 ) 50CH3 Till exempel är en kolvätemolekyl som beskrivs som , en molekyl med femtio repeterande enheter Om antalet upprepade enheter är okänt eller variabelt, kan bokstaven n användas för att indikera denna formel: CH 3 (CH 2 ) n CH 3 .

Joner i kondenserade formler

För joner kan laddningen på en viss atom betecknas med ett högra skrift. Till exempel Na + eller Cu2 + . Den totala laddningen på en laddad molekyl eller en polyatomisk jon kan också visas på detta sätt, såsom för hydronium , H 3 O + , eller sulfat , SO 2− 4 . Observera att + och - används i stället för +1 respektive -1.

För mer komplexa joner används ofta parenteser [ ] för att innesluta jonformeln, som i [ B 12 H 12 ] 2− , som finns i föreningar som cesiumdodekaborat , Cs 2 [B 12 H 12 ] . Parenteser ( ) kan sättas in inom parentes för att indikera en upprepad enhet, som i Hexaminkobolt(III)klorid , [Co(NH 3 ) 6 ] 3+ Cl − 3 . Här (NH 3 ) 6 att jonen innehåller sex amingrupper ( NH 3 ) bundna till kobolt , och [ ] omsluter hela formeln för jonen med laddning +3. [ ytterligare förklaring behövs ]

Detta är strikt valfritt; en kemisk formel är giltig med eller utan joniseringsinformation, och hexaminkobolt(III)klorid kan skrivas som [Co(NH 3 ) 6 ] 3+ Cl − 3 eller [Co(NH 3 ) 6 ]Cl 3 . Paranteser, som parenteser, beter sig i kemi som de gör i matematik, och grupperar termer tillsammans - de används inte specifikt endast för joniseringstillstånd. I det senare fallet här indikerar parentesen 6 grupper som alla har samma form, bundna till en annan grupp av storlek 1 (koboltatomen), och sedan är hela knippet, som en grupp, bundet till 3 kloratomer. I det förra fallet är det tydligare att bindningen som förbinder klorerna är jonisk snarare än kovalent .

Isotoper

Även om isotoper är mer relevanta för kärnkemi eller stabil isotopkemi än för konventionell kemi, kan olika isotoper indikeras med ett prefix i en kemisk formel. Till exempel [ 32PO4 ] 3- . Även en studie är fosfatjonen innehållande radioaktiv fosfor- 32 som involverar 18O16O . stabila isotopförhållanden kan inkludera molekylen

En vänsterhandssänkning används ibland redundant för att indikera atomnumret . Till exempel 8 O 2 för dioxygen och
16 8 O
2 för de vanligaste isotoparterna av dioxygen. Detta är praktiskt när man skriver ekvationer för kärnreaktioner , för att tydligare visa laddningsbalansen.

Instängda atomer


Traditionell formel: MC 60 "@"-notationen: M@C 60
Huvudartikel: Endohedral fulleren

@-symbolen ( vid tecknet ) indikerar en atom eller molekyl som är instängd i en bur men inte kemiskt bunden till den. Till exempel skulle en buckminsterfulleren ( C 60 ) med en atom (M) helt enkelt representeras som MC 60 oavsett om M var inuti fullerenen utan kemisk bindning eller utanför, bunden till en av kolatomerna. Med hjälp av @-symbolen skulle detta betecknas M@C 60 om M var inuti kolnätverket. Ett exempel på icke-fulleren är [As@Ni 12 As 20 ] 3− , en jon i vilken en arsenikatom (As) fångas i en bur som bildas av de andra 32 atomerna.

Denna notation föreslogs 1991 med upptäckten av fullerenburar ( endohedriska fullerener ), som kan fånga atomer som La för att till exempel bilda La@C 60 eller La@C 82 . Valet av symbolen har förklarats av författarna som att det är kortfattat, lätt att skriva ut och överföras elektroniskt (at-tecknet ingår i ASCII , som de flesta moderna teckenkodningsscheman är baserade på), och de visuella aspekterna antyder strukturen hos en endohedral fulleren.

Icke-stökiometriska kemiska formler

Huvudartikel: Icke-stökiometrisk förening

Kemiska formler använder oftast heltal för varje element. Det finns dock en klass av föreningar, som kallas icke-stökiometriska föreningar , som inte kan representeras av små heltal. En sådan formel kan skrivas med decimalbråk , som i Fe 0,95 O , eller så kan den inkludera en variabel del representerad av en bokstav, som i Fe 1- x O , där x normalt är mycket mindre än 1.

Allmänna former för organiska föreningar

En kemisk formel som används för en serie föreningar som skiljer sig från varandra med en konstant enhet kallas en allmän formel . Det genererar en homolog serie av kemiska formler. Till exempel alkoholer representeras av formeln C n H 2 n + 1 OH ( n ≥ 1), vilket ger homologerna metanol , etanol , propanol för 1 ≤ n ≤ 3.

Hill system

Hill -systemet (eller Hill-notation ) är ett system för att skriva empiriska kemiska formler, molekylärkemiska formler och komponenter i en kondenserad formel så att antalet kolatomer i en molekyl anges först, antalet väteatomer därefter, och sedan antal av alla andra kemiska grundämnen därefter, i alfabetisk ordning efter de kemiska symbolerna . När formeln inte innehåller något kol, listas alla grundämnen, inklusive väte, i alfabetisk ordning.

Genom att sortera formler enligt antalet atomer av varje element som finns i formeln enligt dessa regler, där skillnader i tidigare element eller siffror behandlas som mer signifikanta än skillnader i något senare element eller nummer - som att sortera textsträngar i lexikografisk ordning - det är möjligt att sammanställa kemiska formler till vad som kallas Hill-systemordning.

Hill-systemet publicerades först av Edwin A. Hill från USA:s patent- och varumärkesmyndighet 1900. Det är det mest använda systemet i kemiska databaser och tryckta index för att sortera listor över föreningar.

En lista med formler i Hill-systemordning är ordnad alfabetiskt, som ovan, med enbokstavselement som kommer före tvåbokstavssymboler när symbolerna börjar med samma bokstav (så "B" kommer före "Be", som kommer före "Br" ").

Följande exempelformler skrivs med hjälp av Hill-systemet och listas i Hill-ordning:

  • BrI
  • BrClH2Si _ _
  • CCl 4
  • CH 3 I
  • C2H5Br _ _ _ _
  • H2O4S _ _ _ _

Se även

Anteckningar

externa länkar

Hämtad från " https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Chemical_formula&oldid=1130712313 "