Chemický vzorec - Chemical formula

Al 2 (SO 4 ) 3
Síran hlinitý má chemický vzorec Al 2 (SO 4 ) 3 . Forma síranu hlinitého hexadecahydrate je Al 2 (SO 4 ) 3 · 16 H 2 O .
Strukturní vzorec pro butan . Příklady dalších chemických vzorců pro butan jsou empirický vzorec C 2 H 5 , molekulární vzorec C 4 H 10 a kondenzuje (nebo polostrukturální) vzorec CH 3 CH 2 CH 2 CH 3 .

Chemický vzorec (množný: formule ) je způsob, jak prezentovat informace o chemických podílů atomů , které tvoří určitou chemickou sloučeninu nebo molekulu, za použití chemických prvků symboly, čísla, a někdy i další symboly, jako jsou závorky, čárkami, držáky, čárky a znaménka plus (+) a minus (-). Ty jsou omezeny na jednu typografickou řadu symbolů, která může zahrnovat dolní a horní indexy . Chemický vzorec není chemický název a neobsahuje žádná slova. Ačkoli chemický vzorec může zahrnovat určité jednoduché chemické struktury, není to totéž jako úplný chemický strukturní vzorec . Chemické vzorce mohou plně specifikovat strukturu pouze nejjednodušších molekul a chemických látek a mají obecně omezenější sílu než chemické názvy a strukturní vzorce.

Nejjednodušší typy chemických vzorců se nazývají empirické vzorce , které používají písmena a čísla označující číselné proporce atomů každého typu. Molekulární vzorce označují jednoduchá čísla každého typu atomu v molekule bez informací o struktuře. Například, empirický vzorec pro glukózu je CH 2 O (dvakrát tolik vodíku, atomy jsou uhlík a kyslík ), zatímco její molekulární vzorec je C 6 H 12 O 6 (12 atomy vodíku, šest atomů uhlíku a kyslíku).

Někdy je chemický vzorec komplikován tím, že je napsán jako kondenzovaný vzorec (nebo kondenzovaný molekulární vzorec, někdy nazývaný „semistrukturní vzorec“), který poskytuje další informace o konkrétních způsobech, kterými jsou atomy chemicky spojeny dohromady, buď v kovalentní formě vazby , iontové vazby nebo různé kombinace těchto typů. To je možné, pokud je relevantní vazba snadno zobrazitelná v jedné dimenzi. Příkladem je kondenzován molekulární / chemický vzorec pro ethanol , který je CH 3 -CH 2 -OH, nebo CH 3 CH 2 OH. Avšak i kondenzovaný chemický vzorec je nutně omezen ve schopnosti ukázat složité vazebné vztahy mezi atomy, zejména atomy, které mají vazby na čtyři nebo více různých substituentů .

Protože chemický vzorec musí být vyjádřen jako jedna řada symbolů chemických prvků, často nemůže být tak poučný jako skutečný strukturní vzorec, který je grafickým znázorněním prostorového vztahu mezi atomy v chemických sloučeninách (viz například obrázek butanu strukturní a chemické vzorce vpravo). Z důvodů strukturní složitosti může jeden kondenzovaný chemický vzorec (nebo semistrukturní vzorec) odpovídat různým molekulám, známým jako izomery . Například sdílí glukózy jeho molekulární vzorec C 6 H 12 O 6 s řadou dalších cukrů , včetně fruktózy , galaktózy a mannózy . Existují lineární ekvivalentní chemické názvy , které mohou specifikovat jakýkoli složitý strukturní vzorec (viz chemická nomenklatura ), ale tyto názvy musí používat spíše mnoho termínů (slov) než symboly jednoduchých prvků, čísla a jednoduché typografické symboly, které definují chemický vzorec .

Chemické vzorce lze použít v chemických rovnicích k popisu chemických reakcí a jiných chemických transformací, jako je například rozpuštění iontových sloučenin na roztok. I když, jak již bylo uvedeno, chemické vzorce nemají plnou sílu strukturních vzorců, které by ukazovaly chemické vztahy mezi atomy, jsou dostatečné ke sledování počtu atomů a počtu elektrických nábojů v chemických reakcích, čímž se vyrovnávají chemické rovnice tak, aby tyto rovnice lze použít při chemických problémech zahrnujících konzervaci atomů a konzervaci elektrického náboje.

Přehled

Chemický vzorec identifikuje každý základní prvek podle jeho chemického symbolu a označuje poměrný počet atomů každého prvku. V empirických vzorcích tyto proporce začínají klíčovým prvkem a poté přiřazují počty atomů ostatních prvků ve sloučenině poměrem ke klíčovému prvku. U molekulárních sloučenin lze tato čísla poměru vyjádřit jako celá čísla. Například, empirický vzorec ethanolu může být zapsána C 2 H 6 O, protože molekuly ethanolu všechny obsahují dva atomy uhlíku, šesti atomy vodíku a jeden atom kyslíku. Některé typy iontových sloučenin však nelze psát empirickými vzorci s úplným počtem. Příkladem je karbid boru , jehož vzorec CB n je variabilní poměr necelých čísel s n v rozmezí od více než 4 do více než 6,5.

Když chemická sloučenina vzorce sestává z jednoduchých molekul , chemické vzorce často používají způsoby, jak navrhnout strukturu molekuly. Tyto typy vzorců jsou různě známé jako molekulární vzorce a kondenzované vzorce . Molekulární vzorec výčet počet atomů, které by odrážely v molekule tak, že molekulový vzorec pro glukózu je C 6 H 12 O 6 a nikoli glukózu empirický vzorec, který je CH 2 O. Nicméně, s výjimkou velmi jednoduché látky, molekulární chemické vzorce postrádají potřebné strukturní informace a jsou nejednoznačné.

U jednoduchých molekul je kondenzovaný (nebo polostrukturální) vzorec typ chemického vzorce, který může plně implikovat správný strukturní vzorec. Například, ethanol může být reprezentován kondenzují chemickým vzorcem CH 3 CH 2 OH a dimethyletheru ze zkondenzované vzorce CH 3 OCH 3 . Tyto dvě molekuly mají stejné empirické a molekulární vzorce (C 2 H 6 O), ale lze je odlišit znázorněnými kondenzovanými vzorci, které jsou dostatečné k reprezentaci úplné struktury těchto jednoduchých organických sloučenin .

Kondenzované chemické vzorce lze také použít k vyjádření iontových sloučenin , které neexistují jako diskrétní molekuly, ale přesto v nich obsahují kovalentně vázané shluky. Tyto polyatomové ionty jsou skupiny atomů, které jsou kovalentně vázány dohromady a mají celkový iontový náboj, jako je síran [SO
4
]2−
ion. Každý polyatomový iont ve sloučenině je napsán jednotlivě, aby ilustroval samostatná seskupení. Například sloučenina dichlorhexoxid má empirický vzorec ClO
3
a molekulární vzorec Cl
2
Ó
6
, ale v kapalné nebo pevné formě je tato sloučenina správněji vyjádřena iontovým kondenzovaným vzorcem [ClO
2
]+
[ClO
4
]-
, což ilustruje, že tato sloučenina sestává z [ClO
2
]+
ionty a [ClO
4
]-
ionty. V takových případech musí být kondenzovaný vzorec pouze natolik složitý, aby ukazoval alespoň jeden z každého iontového druhu.

Zde popsané chemické vzorce se liší od mnohem složitějších chemických systematických názvů, které se používají v různých systémech chemické nomenklatury . Například jeden systematický název pro glukózu je ( 2R , 3S , 4R , 5R ) -2,3,4,5,6-pentahydroxyhexanal. Tento název, interpretovaný pravidly za ním, plně specifikuje strukturní vzorec glukózy, ale název není chemický vzorec, jak se obvykle rozumí, a používá termíny a slova, která se v chemických vzorcích nepoužívají. Tyto názvy, na rozdíl od základních vzorců, mohou představovat úplné strukturní vzorce bez grafů.

Empirický vzorec

V chemii je empirický vzorec chemické látky jednoduchým vyjádřením relativního počtu každého typu atomu nebo poměru prvků ve sloučenině. Empirické vzorce jsou standardem pro iontové sloučeniny , jako je CaCl
2
a pro makromolekuly, jako je SiO
2
. Empirický vzorec neodkazuje na izomerismus , strukturu nebo absolutní počet atomů. Termín empirický odkazuje na proces elementární analýzy , techniku analytické chemie používanou ke stanovení relativního procentního složení čisté chemické látky po prvku.

Například hexan má molekulární vzorec C
6
H
14
nebo strukturně CH
3
CH
2
CH
2
CH
2
CH
2
CH
3
, což znamená, že má řetězovou strukturu 6 atomů uhlíku a 14 atomů vodíku . Empirický vzorec pro hexan je však C
3
H
7
. Podobně empirický vzorec pro peroxid vodíku , H
2
Ó
2
, je jednoduše HO vyjadřující poměr komponentních prvků 1: 1. Formaldehyd a kyselina octová mají stejný empirický vzorec, CH
2
O
. Toto je skutečný chemický vzorec pro formaldehyd, ale kyselina octová má dvojnásobný počet atomů.

Molekulární vzorec

Molekulární vzorce označují jednoduchá čísla každého typu atomu v molekule molekulární látky. Jsou stejné jako empirické vzorce pro molekuly, které mají pouze jeden atom konkrétního typu, ale jinak mohou mít větší počet. Příklad rozdílu je empirický vzorec pro glukózu, která je CH 2 O ( poměr 1: 2: 1), zatímco její molekulární vzorec je C 6 H 12 O 6 ( počet atomů 6: 12: 6). Pro vodu, oba jsou vzorce H 2 O. molekulární vzorec poskytuje další informace o molekuly, než jeho empirického vzorce, ale je obtížné stanovit.

Molekulární vzorec ukazuje počet prvků v molekule a určuje, zda se jedná o binární sloučeninu , ternární sloučeninu , kvartérní sloučeninu nebo má ještě více prvků.

Zhuštěný vzorec

Isobutan strukturní vzorec
Molekulární vzorec: C 4 H 10
Kondenzovaný nebo semistrukturální chemický vzorec: (CH 3 ) 3 CH
n - butan strukturní vzorec
Molekulární vzorec: C 4 H 10
kondenzovaných nebo polo-strukturní vzorec: CH 3 CH 2 CH 2 CH 3

Připojení molekuly často má silný vliv na jeho fyzikální a chemické vlastnosti a chování. Dvě molekuly složené ze stejného počtu stejných typů atomů (tj. Dvojice izomerů ) mohou mít zcela odlišné chemické a / nebo fyzikální vlastnosti, pokud jsou atomy spojeny odlišně nebo v různých polohách. V takových případech je užitečný strukturní vzorec , který ilustruje, ke kterým atomům jsou připojeny další. Z konektivity je často možné odvodit přibližný tvar molekuly .

Kondenzovaný chemický vzorec může představovat typy a prostorové uspořádání vazeb v jednoduché chemické látce, i když nemusí nutně specifikovat izomery nebo složité struktury. Například ethan se skládá ze dvou atomů uhlíku, které jsou navzájem spojeny, přičemž každý atom uhlíku má k sobě vázané tři atomy vodíku. Jeho chemický vzorec může být vyjádřen jako CH 3 CH 3 . V ethylenu je dvojná vazba mezi atomy uhlíku (a tedy každý uhlík má pouze dva atomy vodíku), a proto chemický vzorec může být zapsáno: CH 2 CH 2 , a skutečnost, že je přítomna dvojná vazba mezi uhlíky je implicitní protože uhlík má valenci čtyři. Jednoznačnější metodou je však zápis H 2 C = CH 2 nebo méně běžně H 2 C :: CH 2 . Dvě čáry (nebo dva páry teček) naznačují, že dvojná vazba spojuje atomy na obou stranách.

Trojná vazba může být vyjádřena třemi liniemi (HC≡CH) nebo tří dvojic bodů (HC ::: CH), a v případě, že může být dvojznačnost, může být použit jeden řádek nebo dvojice bodů uvést jednoduchou vazbu.

Molekuly s více funkčními skupinami, které jsou stejné, lze vyjádřit uzavřením opakované skupiny do kulatých závorek . Například, isobutan může být zapsáno (CH 3 ) 3 CH. Tento kondenzovaný strukturní vzorec implikuje odlišnou konektivitu od jiných molekul, které mohou být vytvořeny pomocí stejných atomů ve stejném poměru ( izomery ). Vzorec (CH 3 ) 3 CH implikuje centrální atom uhlíku připojený k jednomu atomu vodíku a tři CH 3 skupin . Stejný počet atomů každého prvku (10 vodíky a 4 atomy uhlíku, nebo C 4 H 10 ), mohou být použity, aby se molekuly s přímým řetězcem, n - butan : CH 3 CH 2 CH 2 CH 3 .

Zákon složení

V jakékoli dané chemické sloučenině se prvky vždy navzájem kombinují ve stejném poměru. Toto je zákon stálého složení .

Zákon konstantního složení říká, že v jakékoli konkrétní chemické sloučenině budou všechny vzorky této sloučeniny vytvořeny ze stejných prvků ve stejném poměru nebo poměru. Například každá molekula vody je vždy tvořena dvěma atomy vodíku a jedním atomem kyslíku v poměru 2: 1. Podíváme-li se na relativní množství kyslíku a vodíku v molekule vody, zjistíme, že 94% hmotnosti molekuly vody tvoří kyslík a zbývajících 6% je hmotnost vodíku. Tento hmotnostní podíl bude stejný pro jakoukoli molekulu vody.

Chemické názvy v reakci na omezení chemických vzorců

Alken názvem but-2-en se dva izomery, které chemický vzorec CH 3 CH = CHCH 3 neidentifikuje. Relativní poloha dvou methylových skupin musí být indikována doplňkovým zápisem označujícím, zda jsou methylové skupiny na stejné straně dvojné vazby ( cis nebo Z ) nebo na opačných stranách od sebe ( trans nebo E ).

Jak je uvedeno výše, aby bylo možné představit úplné strukturní vzorce mnoha složitých organických a anorganických sloučenin, může být zapotřebí chemické názvosloví , které jde daleko za dostupné zdroje použité výše v jednoduchých kondenzovaných vzorcích. Příklady viz nomenklatura IUPAC organické chemie a nomenklatura IUPAC anorganické chemie 2005 . Kromě toho systémy lineárního pojmenování, jako je International Chemical Identifier (InChI), umožňují počítači konstruovat strukturní vzorec a zjednodušený systém vstupu a vstupu molekulárních vstupů (SMILES) umožňuje lidsky čitelnější vstup ASCII. Všechny tyto názvoslovné systémy však přesahují standardy chemických vzorců a technicky jsou to systémy pojmenování chemických látek, nikoli systémy vzorců.

Polymery v kondenzovaných vzorcích

U polymerů v kondenzovaných chemických vzorcích jsou kolem opakující se jednotky umístěny závorky. Například, uhlovodík molekula, která je popsána jako CH 3 (CH 2 ) 50 CH 3 , je molekula s padesáti opakujících se jednotek. Pokud je počet opakujících se jednotek neznámý nebo proměnný, lze k označení tohoto vzorce použít písmeno n : CH 3 (CH 2 ) n CH 3 .

Ionty v kondenzovaných vzorcích

Pro ionty může být náboj na určitém atomu označen pravým horním indexem. Například Na + nebo Cu 2+ . Tímto způsobem lze také zobrazit celkový náboj na nabité molekule nebo polyatomovém iontu . Například: H 3 O + nebo SO 4 2− . Všimněte si, že + a - se používají místo +1, respektive -1.

U složitějších iontů, závorkách [] jsou často používány pro uzavření iontové vzorec, stejně jako v [B 12 H 12 ] 2 , která se nachází ve sloučeninách, jako je Cs 2 [B 12 H 12 ] . Závorky () mohou být vnořené v závorkách označují opakující se jednotku, stejně jako v [Co (NH 3 ) 6 ] 3+ Cl 3 - . Zde, (NH 3 ) 6 ukazuje, že iont obsahuje šest NH 3 skupiny navázané na kobaltu , a [] obepíná celý vzorec iontu s poplatku +3.

Toto je přísně volitelné; chemický vzorec platí s nebo bez informace ionizace a Hexamminecobalt chlorid (III) může být zapsána jako [Co (NH 3 ) 6 ] 3+ Cl 3 - nebo [Co (NH 3 ) 6 ] Cl 3 . Závorky se stejně jako závorky chovají v chemii stejně jako v matematice a seskupují termíny dohromady - nepoužívají se konkrétně pouze pro ionizační stavy. V druhém případě zde uvedené závorky označují 6 skupin, všechny stejného tvaru, navázaných na jinou skupinu o velikosti 1 (atom kobaltu), a poté je celý svazek jako skupina navázán na 3 atomy chloru. V prvním případě je jasnější, že vazba spojující chlory je spíše iontová než kovalentní .

Izotopy

Ačkoli izotopy jsou více relevantní pro jadernou chemii nebo chemii stabilních izotopů než pro konvenční chemii, mohou být různé izotopy označeny předponou v horním indexu v chemickém vzorci. Například, fosfátový iont obsahující radioaktivní fosfor-32 je [ 32 PO 4 ] 3 . Také studie zahrnující stabilní poměry izotopů může zahrnovat molekulu 18 O 16 O.

Levý dolní index se někdy používá redundantně k označení atomového čísla . Například, 8 O 2 pro dioxygen, a16
8
Ó
2
pro nejhojnější izotopové druhy dioxygenů. To je výhodné při psaní rovnic pro jaderné reakce , aby se jasněji ukázala rovnováha náboje.

Uvězněné atomy

Tradiční vzorec: MC 60
Zápis „@“: M @ C 60

Symbol @ ( zavináč ) označuje atom nebo molekulu uvězněnou uvnitř klece, ale chemicky na ni navázanou. Například buckminsterfulleren (C 60 ) s atomem (M) by byl jednoduše reprezentován jako MC 60 bez ohledu na to, zda M byl uvnitř fullerenu bez chemické vazby nebo venku, vázán na jeden z atomů uhlíku. Použitím symbolu @ by to bylo označeno M @ C 60, pokud by M bylo uvnitř uhlíkové sítě. Příkladem non-fullerenu je [As @ Ni 12 As 20 ] 3− , iont, ve kterém je jeden atom As zachycen v kleci tvořené dalšími 32 atomy.

Tato notace byla navržena v roce 1991 objevem fullerenových klecí ( endohedrálních fullerenů ), které mohou zachycovat atomy, jako je La, za vzniku například La @ C 60 nebo La @ C 82 . Volba symbolu byla autory vysvětlena jako stručná, snadno vytištěná a přenášená elektronicky (zavináč je obsažen v ASCII , na kterém je založena většina moderních schémat kódování znaků) a vizuální aspekty naznačující strukturu endohedrální fulleren.

Nestechiometrické chemické vzorce

Chemické vzorce nejčastěji používají celá čísla pro každý prvek. Existuje však třída sloučenin, která se nazývá nestechiometrické sloučeniny a kterou nelze představovat malými celými čísly. Takový vzorec lze zapsat pomocí desetinných zlomků , jako ve Fe 0,95 O, nebo může obsahovat proměnnou část představovanou písmenem, jako ve Fe 1 – x O, kde x je obvykle mnohem menší než 1.

Obecné formy organických sloučenin

Chemický vzorec používaný pro řadu sloučenin, které se od sebe liší konstantní jednotkou, se nazývá obecný vzorec . Generuje homologní řadu chemických vzorců. Například, alkoholy mohou být reprezentovány vzorcem C n H (2n + 1) OH ( n ≥ 1), což dává homology methanol , ethanol , propanol pro n = 1-3.

Hill systém

Systém Hill (nebo Hill notace) je systém psaní chemických vzorců, molekulární chemické vzorce a komponenty kondenzovaného vzorce tak, že se počet uhlíkových atomů v molekule, je uveden jako první, je počet vodíkových atomů další, a pak se počet všech ostatních chemických prvků následně, v abecedním pořadí z chemických symbolů . Pokud vzorec neobsahuje žádný uhlík, jsou všechny prvky, včetně vodíku, uvedeny v abecedním pořadí.

Tříděním vzorců podle počtu atomů každého prvku přítomného ve vzorci podle těchto pravidel, přičemž rozdíly v dřívějších prvcích nebo počtech jsou považovány za významnější než rozdíly v jakémkoli pozdějším prvku nebo čísle - jako je řazení textových řetězců do lexikografického pořadí - je možné sestavit chemické vzorce do takzvaného Hill systémového řádu.

Systém Hill byl poprvé publikován Edwinem A. Hillem z Úřadu pro patenty a ochranné známky Spojených států v roce 1900. Je to nejčastěji používaný systém v chemických databázích a tištěných rejstřících pro třídění seznamů sloučenin.

Seznam vzorců v pořadí systému Hill je uspořádán abecedně, jak je uvedeno výše, přičemž jednopísmenné prvky přicházejí před dvoupísmennými symboly, když symboly začínají stejným písmenem (takže „B“ přichází před „Be“, které předchází „Br ").

Následující vzorové vzorce jsou psány pomocí systému Hill a jsou uvedeny v pořadí Hill:

  • BrI
  • CCl 4
  • CH 3 I
  • C 2 H 5 Br
  • H 2 O 4 S

Viz také

Reference

externí odkazy