Fórmula química - Chemical formula

Al 2 (SO 4 ) 3
O sulfato de alumínio tem a fórmula química Al 2 (SO 4 ) 3 . A forma de sulfato de alumínio é hexadecahydrate Al 2 (SO 4 ) 3 · 16 H 2 O .
Fórmula estrutural para butano . Exemplos de outras fórmulas químicas para o butano são a fórmula empírica C 2 H 5 , a fórmula molecular C 4 H 10 e o condensado (ou semi-estrutural) fórmula CH 3 CH 2 CH 2 CH 3 .

Uma fórmula química (plural: fórmulas ) é uma forma de apresentar informações sobre as proporções químicas dos átomos que constituem um determinado composto químico ou molécula, usando símbolos de elementos químicos , números e, às vezes, também outros símbolos, como parênteses, travessões, colchetes, vírgulas e sinais de mais (+) e menos (-). Eles são limitados a uma única linha tipográfica de símbolos, que pode incluir subscritos e sobrescritos . Uma fórmula química não é um nome químico e não contém palavras. Embora uma fórmula química possa implicar certas estruturas químicas simples, não é o mesmo que uma fórmula química estrutural completa . As fórmulas químicas podem especificar totalmente a estrutura apenas das moléculas e substâncias químicas mais simples e geralmente são mais limitadas em poder do que nomes químicos e fórmulas estruturais.

Os tipos mais simples de fórmulas químicas são chamados de fórmulas empíricas , que usam letras e números que indicam as proporções numéricas dos átomos de cada tipo. As fórmulas moleculares indicam os números simples de cada tipo de átomo em uma molécula, sem nenhuma informação sobre a estrutura. Por exemplo, a fórmula empírica da glicose é CH 2 O (duas vezes mais átomos de hidrogênio do que carbono e oxigênio ), enquanto sua fórmula molecular é C 6 H 12 O 6 (12 átomos de hidrogênio, seis átomos de carbono e oxigênio).

Às vezes, uma fórmula química é complicada por ser escrita como uma fórmula condensada (ou fórmula molecular condensada, ocasionalmente chamada de "fórmula semi-estrutural"), que transmite informações adicionais sobre as maneiras particulares em que os átomos estão quimicamente ligados , seja em forma covalente ligações , ligações iônicas ou várias combinações desses tipos. Isso é possível se a ligação relevante for fácil de mostrar em uma dimensão. Um exemplo é a fórmula molecular / química condensada para o etanol , que é CH 3 -CH 2 -OH ou CH 3 CH 2 OH. No entanto, mesmo uma fórmula química condensada é necessariamente limitada em sua capacidade de mostrar relações de ligação complexas entre átomos, especialmente átomos que têm ligações a quatro ou mais substituintes diferentes .

Uma vez que uma fórmula química deve ser expressa como uma única linha de símbolos de elementos químicos, muitas vezes não pode ser tão informativa quanto uma verdadeira fórmula estrutural, que é uma representação gráfica da relação espacial entre os átomos em compostos químicos (ver por exemplo a figura para butano fórmulas estruturais e químicas, à direita). Por razões de complexidade estrutural, uma única fórmula química condensada (ou fórmula semi-estrutural) pode corresponder a diferentes moléculas, conhecidas como isômeros . Por exemplo, a glicose compartilha sua fórmula molecular C 6 H 12 O 6 com vários outros açúcares , incluindo frutose , galactose e manose . Existem nomes químicos lineares equivalentes que podem e especificam exclusivamente qualquer fórmula estrutural complexa (consulte a nomenclatura química ), mas esses nomes devem usar muitos termos (palavras), em vez dos símbolos de elemento simples, números e símbolos tipográficos simples que definem uma fórmula química .

As fórmulas químicas podem ser usadas em equações químicas para descrever reações químicas e outras transformações químicas, como a dissolução de compostos iônicos em solução. Embora, como observado, as fórmulas químicas não tenham o poder total das fórmulas estruturais para mostrar as relações químicas entre os átomos, elas são suficientes para controlar o número de átomos e o número de cargas elétricas em reações químicas, equilibrando assim as equações químicas para que essas equações pode ser usado em problemas químicos envolvendo conservação de átomos e conservação de carga elétrica.

Visão geral

Uma fórmula química identifica cada elemento constituinte por seu símbolo químico e indica o número proporcional de átomos de cada elemento. Nas fórmulas empíricas, essas proporções começam com um elemento-chave e, em seguida, atribuem números de átomos dos outros elementos no composto, por proporções para o elemento-chave. Para compostos moleculares, esses números de razão podem ser expressos como números inteiros. Por exemplo, a fórmula empírica de etanol pode ser escrito C 2 H 6 O porque as moléculas de etanol contêm dois átomos de carbono, de seis átomos de hidrogénio e um átomo de oxigénio. Alguns tipos de compostos iônicos, entretanto, não podem ser escritos com fórmulas empíricas inteiramente numeradas. Um exemplo é o carboneto de boro , cuja fórmula de CB n é uma razão de número não inteiro variável com n variando de mais de 4 a mais de 6,5.

Quando o composto químico da fórmula consiste em moléculas simples , as fórmulas químicas geralmente empregam maneiras de sugerir a estrutura da molécula. Esses tipos de fórmulas são conhecidos como fórmulas moleculares e fórmulas condensadas . Uma fórmula molecular enumera o número de átomos para refletir aqueles na molécula, de modo que a fórmula molecular da glicose seja C 6 H 12 O 6 em vez da fórmula empírica da glicose, que é CH 2 O. No entanto, exceto para substâncias muito simples, as fórmulas químicas moleculares carecem das informações estruturais necessárias e são ambíguas.

Para moléculas simples, uma fórmula condensada (ou semi-estrutural) é um tipo de fórmula química que pode implicar totalmente em uma fórmula estrutural correta. Por exemplo, o etanol pode ser representado pela fórmula química condensada CH 3 CH 2 OH e o éter dimetílico pela fórmula condensada CH 3 OCH 3 . Essas duas moléculas têm as mesmas fórmulas empíricas e moleculares (C 2 H 6 O), mas podem ser diferenciadas pelas fórmulas condensadas mostradas, que são suficientes para representar a estrutura completa desses compostos orgânicos simples .

As fórmulas químicas condensadas também podem ser usadas para representar compostos iônicos que não existem como moléculas discretas, mas, mesmo assim, contêm agrupamentos ligados covalentemente dentro deles. Esses íons poliatômicos são grupos de átomos que estão ligados covalentemente e têm uma carga iônica geral, como o sulfato [SO
4
]2−
íon. Cada íon poliatômico em um composto é escrito individualmente para ilustrar os agrupamentos separados. Por exemplo, o composto hexóxido de dicloro tem uma fórmula empírica ClO
3
, e fórmula molecular Cl
2
O
6
, mas em formas líquidas ou sólidas, este composto é mais corretamente mostrado por uma fórmula condensada iônica [ClO
2
]+
[ClO
4
]-
, que ilustra que este composto consiste em [ClO
2
]+
íons e [ClO
4
]-
íons. Nesses casos, a fórmula condensada só precisa ser complexa o suficiente para mostrar pelo menos um de cada espécie iônica.

As fórmulas químicas descritas aqui são distintas dos nomes sistemáticos químicos muito mais complexos que são usados ​​em vários sistemas de nomenclatura química . Por exemplo, um nome sistemático para a glicose é ( 2R , 3S , 4R , 5R ) -2,3,4,5,6-pentahidroxihexanal. Este nome, interpretado pelas regras por trás dele, especifica completamente a fórmula estrutural da glicose, mas o nome não é uma fórmula química como normalmente entendida e usa termos e palavras não usados ​​em fórmulas químicas. Esses nomes, ao contrário das fórmulas básicas, podem representar fórmulas estruturais completas sem gráficos.

Fórmula empírica

Em química , a fórmula empírica de um produto químico é uma expressão simples do número relativo de cada tipo de átomo ou proporção dos elementos no composto. As fórmulas empíricas são o padrão para compostos iônicos , como CaCl
2
, e para macromoléculas, como SiO
2
. Uma fórmula empírica não faz referência a isomeria , estrutura ou número absoluto de átomos. O termo empírico se refere ao processo de análise elementar , uma técnica de química analítica usada para determinar a composição percentual relativa de uma substância química pura por elemento.

Por exemplo, hexano tem uma fórmula molecular de C
6
H
14
, ou estruturalmente CH
3
CH
2
CH
2
CH
2
CH
2
CH
3
, implicando que ele tem uma estrutura de cadeia de 6 átomos de carbono e 14 átomos de hidrogênio . No entanto, a fórmula empírica para hexano é C
3
H
7
. Da mesma forma, a fórmula empírica para o peróxido de hidrogênio , H
2
O
2
, é simplesmente HO expressando a proporção de 1: 1 dos elementos componentes. O formaldeído e o ácido acético têm a mesma fórmula empírica, CH
2
O
. Esta é a fórmula química real do formaldeído, mas o ácido acético tem o dobro de átomos.

Fórmula molecular

As fórmulas moleculares indicam os números simples de cada tipo de átomo em uma molécula de uma substância molecular. Eles são iguais às fórmulas empíricas para moléculas que têm apenas um átomo de um tipo específico, mas, caso contrário, podem ter números maiores. Um exemplo da diferença é a fórmula empírica da glicose, que é CH 2 O ( proporção 1: 2: 1), enquanto sua fórmula molecular é C 6 H 12 O 6 ( número de átomos 6: 12: 6). Para a água, ambas as fórmulas são H 2 O. A fórmula molecular fornece mais informação sobre uma molécula do que a sua fórmula empírica, mas é mais difícil de estabelecer.

Uma fórmula molecular mostra o número de elementos em uma molécula e determina se é um composto binário , composto ternário , composto quaternário ou ainda mais elementos.

Fórmula condensada

Fórmula estrutural do isobutano Fórmula
molecular: C 4 H 10
Fórmula química condensada ou semi-estrutural: (CH 3 ) 3 CH
n - Fórmula estrutural do butano Fórmula
molecular: C 4 H 10
Fórmula condensada ou semi-estrutural: CH 3 CH 2 CH 2 CH 3

A conectividade de uma molécula geralmente tem uma forte influência em suas propriedades físicas e químicas e em seu comportamento. Duas moléculas compostas do mesmo número dos mesmos tipos de átomos (ou seja, um par de isômeros ) podem ter propriedades químicas e / ou físicas completamente diferentes se os átomos estiverem conectados de forma diferente ou em posições diferentes. Em tais casos, uma fórmula estrutural é útil, pois ilustra quais átomos estão ligados a quais outros. A partir da conectividade, muitas vezes é possível deduzir a forma aproximada da molécula .

Uma fórmula química condensada pode representar os tipos e arranjos espaciais de ligações em uma substância química simples, embora não especifique necessariamente isômeros ou estruturas complexas. Por exemplo, o etano consiste em dois átomos de carbono com ligação simples um ao outro, com cada átomo de carbono tendo três átomos de hidrogênio ligados a ele. Sua fórmula química pode ser traduzida como CH 3 CH 3 . No etileno, há uma ligação dupla entre os átomos de carbono (e, portanto, cada carbono tem apenas dois hidrogênios), portanto, a fórmula química pode ser escrita: CH 2 CH 2 , e o fato de que há uma ligação dupla entre os carbonos está implícito porque o carbono tem uma valência de quatro. No entanto, um método mais explícito é escrever H 2 C = CH 2 ou, menos comumente, H 2 C :: CH 2 . As duas linhas (ou dois pares de pontos) indicam que uma ligação dupla conecta os átomos de cada lado deles.

Uma ligação tripla pode ser expressa com três linhas (HC≡CH) ou três pares de pontos (HC ::: CH) e, se houver ambigüidade, uma única linha ou par de pontos pode ser usado para indicar uma ligação simples.

Moléculas com vários grupos funcionais que são iguais podem ser expressas colocando o grupo repetido entre colchetes . Por exemplo, isobutano pode ser escrito (CH 3 ) 3 CH. Esta fórmula estrutural condensada implica uma conectividade diferente de outras moléculas que podem ser formadas usando os mesmos átomos nas mesmas proporções ( isômeros ). A fórmula (CH 3 ) 3 CH implica um átomo de carbono central conectado a um átomo de hidrogênio e três grupos CH 3 . O mesmo número de átomos de cada elemento (10 hidrogênios e 4 carbonos, ou C 4 H 10 ) pode ser usado para fazer uma molécula de cadeia linear, n - butano : CH 3 CH 2 CH 2 CH 3 .

Lei da composição

Em qualquer composto químico, os elementos sempre se combinam na mesma proporção uns com os outros. Esta é a lei da composição constante .

A lei da composição constante diz que, em qualquer composto químico particular, todas as amostras desse composto serão feitas dos mesmos elementos na mesma proporção ou proporção. Por exemplo, qualquer molécula de água é sempre composta de dois átomos de hidrogênio e um átomo de oxigênio em uma proporção de 2: 1. Se olharmos para as massas relativas de oxigênio e hidrogênio em uma molécula de água, vemos que 94% da massa de uma molécula de água é representada pelo oxigênio e os 6% restantes são a massa do hidrogênio. Essa proporção de massa será a mesma para qualquer molécula de água.

Nomes químicos em resposta às limitações das fórmulas químicas

O alceno denominado but-2-eno tem dois isômeros, que a fórmula química CH 3 CH = CHCH 3 não identifica. A posição relativa dos dois grupos metil deve ser indicada por notação adicional denotando se os grupos metil estão no mesmo lado da ligação dupla ( cis ou Z ) ou em lados opostos um do outro ( trans ou E ).

Como observado acima, a fim de representar as fórmulas estruturais completas de muitos compostos orgânicos e inorgânicos complexos, pode ser necessária uma nomenclatura química que vai muito além dos recursos disponíveis usados ​​acima em fórmulas condensadas simples. Consulte a nomenclatura IUPAC de química orgânica e nomenclatura IUPAC de química inorgânica 2005 para obter exemplos. Além disso, os sistemas de nomenclatura lineares, como o International Chemical Identifier (InChI), permitem que um computador construa uma fórmula estrutural, e o sistema simplificado de entrada de linha de entrada molecular (SMILES) permite uma entrada ASCII mais legível por humanos. No entanto, todos esses sistemas de nomenclatura vão além dos padrões de fórmulas químicas e, tecnicamente, são sistemas de nomenclatura química, não sistemas de fórmulas.

Polímeros em fórmulas condensadas

Para polímeros em fórmulas químicas condensadas, os parênteses são colocados ao redor da unidade de repetição. Por exemplo, uma molécula de hidrocarboneto que é descrita como CH 3 (CH 2 ) 50 CH 3 , é uma molécula com cinquenta unidades repetidas. Se o número de unidades repetidas for desconhecido ou variável, a letra n pode ser usada para indicar esta fórmula: CH 3 (CH 2 ) n CH 3 .

Íons em fórmulas condensadas

Para íons , a carga em um átomo particular pode ser denotada com um sobrescrito à direita. Por exemplo, Na + ou Cu 2+ . A carga total em uma molécula carregada ou um íon poliatômico também pode ser mostrada desta forma. Por exemplo: H 3 O + ou SO 4 2− . Observe que + e - são usados ​​no lugar de +1 e -1, respectivamente.

Para íons mais complexos, colchetes [] são freqüentemente usados ​​para encerrar a fórmula iônica, como em [B 12 H 12 ] 2− , que é encontrado em compostos como Cs 2 [B 12 H 12 ] . Os parênteses () podem ser aninhados entre colchetes para indicar uma unidade de repetição, como em [Co (NH 3 ) 6 ] 3+ Cl 3 - . Aqui, (NH 3 ) 6 indica que o íon contém seis grupos NH 3 ligados ao cobalto , e [] engloba toda a fórmula do íon com carga +3.

Isso é estritamente opcional; uma fórmula química é válida com ou sem informações de ionização, e o cloreto de hexamminecobalto (III) pode ser escrito como [Co (NH 3 ) 6 ] 3+ Cl 3 - ou [Co (NH 3 ) 6 ] Cl 3 . Os colchetes, como os parênteses, se comportam na química como na matemática, agrupando os termos - eles não são especificamente empregados apenas para estados de ionização. Neste último caso, os parênteses indicam 6 grupos, todos da mesma forma, ligados a outro grupo de tamanho 1 (o átomo de cobalto), e então todo o feixe, como um grupo, está ligado a 3 átomos de cloro. No primeiro caso, é mais claro que a ligação que conecta os cloro é iônica , ao invés de covalente .

Isótopos

Embora os isótopos sejam mais relevantes para a química nuclear ou química de isótopos estáveis ​​do que para a química convencional, diferentes isótopos podem ser indicados com um sobrescrito prefixado em uma fórmula química. Por exemplo, o íon fosfato contendo fósforo radioativo-32 é [ 32 PO 4 ] 3− . Além disso, um estudo envolvendo razões de isótopos estáveis ​​pode incluir a molécula 18 O 16 O.

Um subscrito à esquerda às vezes é usado redundantemente para indicar o número atômico . Por exemplo, 8 O 2 para dioxigênio e16
8
O
2
para as espécies isotópicas mais abundantes de dioxigênio. Isso é conveniente ao escrever equações para reações nucleares , a fim de mostrar o equilíbrio da carga com mais clareza.

Átomos presos

Fórmula tradicional: MC 60
A notação "@": M @ C 60

O símbolo @ ( arroba ) indica um átomo ou molécula preso dentro de uma gaiola, mas não quimicamente ligado a ela. Por exemplo, um buckminsterfullereno (C 60 ) com um átomo (M) seria simplesmente representado como MC 60, independentemente de M estar dentro do fulereno sem ligação química ou fora, ligado a um dos átomos de carbono. Usando o símbolo @, isso seria denotado M @ C 60 se M estivesse dentro da rede de carbono. Um exemplo não-fulereno é [As @ Ni 12 As 20 ] 3− , um íon no qual um átomo de As está preso em uma gaiola formada pelos outros 32 átomos.

Esta notação foi proposta em 1991 com a descoberta de gaiolas de fulereno ( fulerenos endoédricos ), que podem aprisionar átomos como La para formar, por exemplo, La @ C 60 ou La @ C 82 . A escolha do símbolo foi explicada pelos autores como sendo conciso, prontamente impresso e transmitido eletronicamente (o símbolo de arroba está incluído no ASCII , no qual a maioria dos esquemas de codificação de caracteres modernos se baseia), e os aspectos visuais que sugerem a estrutura de um endoédrico fulereno.

Fórmulas químicas não estequiométricas

As fórmulas químicas geralmente usam números inteiros para cada elemento. No entanto, existe uma classe de compostos, denominados compostos não estequiométricos , que não podem ser representados por números inteiros pequenos. Essa fórmula pode ser escrita usando frações decimais , como em Fe 0,95 O, ou pode incluir uma parte variável representada por uma letra, como em Fe 1 – x O, onde x é normalmente muito menor que 1.

Formas gerais para compostos orgânicos

Uma fórmula química usada para uma série de compostos que diferem uns dos outros por uma unidade constante é chamada de fórmula geral . Ele gera uma série homóloga de fórmulas químicas. Por exemplo, álcoois podem ser representados pela fórmula C n H (2n + 1) OH ( n ≥ 1), dando os homólogos metanol , etanol , propanol para n = 1–3.

Sistema de colina

O sistema de Hill (ou notação de Hill) é um sistema de escrita de fórmulas químicas empíricas, fórmulas químicas moleculares e componentes de uma fórmula condensada de modo que o número de átomos de carbono em uma molécula seja indicado primeiro, o número de átomos de hidrogênio em seguida, e então o número de todos os outros elementos químicos subsequentemente, em ordem alfabética dos símbolos químicos . Quando a fórmula não contém carbono, todos os elementos, incluindo hidrogênio, são listados em ordem alfabética.

Classificando fórmulas de acordo com o número de átomos de cada elemento presente na fórmula de acordo com essas regras, com diferenças em elementos ou números anteriores sendo tratados como mais significativos do que diferenças em qualquer elemento ou número posterior - como classificar strings de texto em ordem lexicográfica - é possível agrupar as fórmulas químicas no que é conhecido como ordem do sistema de Hill.

O sistema Hill foi publicado pela primeira vez por Edwin A. Hill do Escritório de Marcas e Patentes dos Estados Unidos em 1900. É o sistema mais comumente usado em bancos de dados químicos e índices impressos para classificar listas de compostos.

Uma lista de fórmulas na ordem do sistema de Hill é organizada em ordem alfabética, como acima, com elementos de uma única letra vindo antes dos símbolos de duas letras quando os símbolos começam com a mesma letra (então "B" vem antes de "Be", que vem antes de "Br ").

As seguintes fórmulas de exemplo são escritas usando o sistema Hill e listadas na ordem de Hill:

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

Veja também

Referências

links externos