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No debe confundirse con el método gráfico 2-D de mostrar relaciones espaciales atómicas llamado fórmula estructural .
Al 2 (SO 4 ) 3
El sulfato de aluminio tiene la fórmula química Al 2 (SO 4 ) 3 . La forma de hexadecahidrato de sulfato de aluminio es Al 2 (SO 4 ) 3 · 16 H 2 O .
Fórmula estructural para butano . Ejemplos de otras fórmulas químicas para el butano son la fórmula empírica C 2 H 5 , la fórmula molecular C 4 H 10 y la fórmula condensada (o semiestructural) CH 3 CH 2 CH 2 CH 3 .

Una fórmula química es una forma de presentar información sobre las proporciones químicas de los átomos que constituyen un compuesto químico o molécula en particular, utilizando símbolos de elementos químicos , números y, a veces, también otros símbolos, como paréntesis, guiones, corchetes, comas y más (+ ) y los signos menos (-). Estos se limitan a una sola línea de símbolos tipográficos, que pueden incluir subíndices y superíndices. Una fórmula química no es un nombre químico y no contiene palabras. Aunque una fórmula química puede implicar ciertas estructuras químicas simples, no es lo mismo que una fórmula estructural química completa.. Las fórmulas químicas pueden especificar completamente la estructura de solo las moléculas y sustancias químicas más simples , y generalmente tienen un poder más limitado que los nombres químicos y las fórmulas estructurales.

Los tipos más simples de fórmulas químicas se denominan fórmulas empíricas , que utilizan letras y números que indican las proporciones numéricas de átomos de cada tipo. Las fórmulas moleculares indican los números simples de cada tipo de átomo en una molécula, sin información sobre la estructura. Por ejemplo, la fórmula empírica de la glucosa es CH 2 O (el doble de átomos de hidrógeno que el carbono y el oxígeno), mientras que su fórmula molecular es C 6 H 12 O 6 (12 átomos de hidrógeno, seis átomos de carbono y oxígeno).

A veces, una fórmula química se complica al escribirse como una fórmula condensada (o fórmula molecular condensada, a veces llamada "fórmula semiestructural"), que transmite información adicional sobre las formas particulares en las que los átomos se unen químicamente , ya sea en forma covalente enlaces , enlaces iónicos o varias combinaciones de estos tipos. Esto es posible si la unión relevante es fácil de mostrar en una dimensión. Un ejemplo es la fórmula química / molecular condensada para el etanol, que es CH 3 -CH 2 -OH o CH 3 CH 2OH. Sin embargo, incluso una fórmula química condensada está necesariamente limitada en su capacidad para mostrar relaciones de enlace complejas entre átomos, especialmente átomos que tienen enlaces a cuatro o más sustituyentes diferentes .

Dado que una fórmula química debe expresarse como una sola línea de símbolos de elementos químicos, a menudo no puede ser tan informativa como una fórmula estructural verdadera, que es una representación gráfica de la relación espacial entre átomos en compuestos químicos (ver, por ejemplo, la figura de butano fórmulas estructurales y químicas, a la derecha). Por razones de complejidad estructural, una única fórmula química condensada (o fórmula semiestructural) puede corresponder a diferentes moléculas, conocidas como isómeros . Por ejemplo, la glucosa comparte su fórmula molecular C 6 H 12 O 6 con varios otros azúcares , como fructosa , galactosa y manosa.. Existen nombres químicos lineales equivalentes que pueden especificar y especifican de manera única cualquier fórmula estructural compleja (ver nomenclatura química ), pero dichos nombres deben usar muchos términos (palabras), en lugar de los símbolos de elementos simples, números y símbolos tipográficos simples que definen una fórmula química. .

Las fórmulas químicas se pueden usar en ecuaciones químicas para describir reacciones químicas y otras transformaciones químicas, como la disolución de compuestos iónicos en una solución. Si bien, como se señaló, las fórmulas químicas no tienen todo el poder de las fórmulas estructurales para mostrar las relaciones químicas entre los átomos, son suficientes para realizar un seguimiento del número de átomos y el número de cargas eléctricas en las reacciones químicas, equilibrando así las ecuaciones químicas de modo que estas ecuaciones se puede utilizar en problemas químicos relacionados con la conservación de átomos y la conservación de la carga eléctrica.

Visión de conjunto

Una fórmula química identifica cada elemento constituyente por su símbolo químico e indica el número proporcional de átomos de cada elemento. En fórmulas empíricas, estas proporciones comienzan con un elemento clave y luego asignan números de átomos de los otros elementos en el compuesto, por razones al elemento clave. Para los compuestos moleculares, estos números de relación se pueden expresar como números enteros. Por ejemplo, la fórmula empírica del etanol puede escribirse C 2 H 6 O porque todas las moléculas de etanol contienen dos átomos de carbono, seis átomos de hidrógeno y un átomo de oxígeno. Algunos tipos de compuestos iónicos, sin embargo, no se pueden escribir con fórmulas empíricas enteramente de números enteros. Un ejemplo es el carburo de boro, cuya fórmula de CB n es una razón de números no enteros variable con n que van desde más de 4 a más de 6,5.

Cuando el compuesto químico de la fórmula consta de moléculas simples , las fórmulas químicas a menudo emplean formas de sugerir la estructura de la molécula. Estos tipos de fórmulas se conocen como fórmulas moleculares y fórmulas condensadas . Una fórmula molecular enumera el número de átomos para reflejar los de la molécula, de modo que la fórmula molecular de la glucosa es C 6 H 12 O 6 en lugar de la fórmula empírica de la glucosa, que es CH 2 O. Sin embargo, a excepción de sustancias muy simples, Las fórmulas químicas moleculares carecen de la información estructural necesaria y son ambiguas.

Para moléculas simples, una fórmula condensada (o semi-estructural) es un tipo de fórmula química que puede implicar completamente una fórmula estructural correcta. Por ejemplo, el etanol se puede representar por la fórmula química condensada CH 3 CH 2 OH y el dimetiléter por la fórmula condensada CH 3 OCH 3 . Estas dos moléculas tienen las mismas fórmulas empíricas y moleculares (C 2 H 6 O), pero pueden diferenciarse por las fórmulas condensadas que se muestran, que son suficientes para representar la estructura completa de estos compuestos orgánicos simples .

Las fórmulas químicas condensadas también se pueden usar para representar compuestos iónicos que no existen como moléculas discretas, pero que, no obstante, contienen grupos unidos covalentemente dentro de ellos. Estos iones poliatómicos son grupos de átomos que están unidos covalentemente y tienen una carga iónica general, como el sulfato [SO
4]2−
ion. Cada ion poliatómico en un compuesto se escribe individualmente para ilustrar los grupos separados. Por ejemplo, el compuesto dicloro hexóxido tiene una fórmula empírica ClO
3y fórmula molecular Cl
2O
6, pero en formas líquidas o sólidas, este compuesto se muestra más correctamente mediante una fórmula iónica condensada [ClO
2]+
[ClO
4]-
, lo que ilustra que este compuesto consta de [ClO
2]+
iones y [ClO
4]-
iones. En tales casos, la fórmula condensada solo necesita ser lo suficientemente compleja para mostrar al menos una de cada especie iónica.

Las fórmulas químicas descritas aquí son distintas de los nombres sistemáticos químicos mucho más complejos que se utilizan en varios sistemas de nomenclatura química . Por ejemplo, un nombre sistemático para la glucosa es (2 R , 3 S , 4 R , 5 R ) -2,3,4,5,6-pentahidroxihexanal. Este nombre, interpretado por las reglas que lo respaldan, especifica completamente la fórmula estructural de la glucosa, pero el nombre no es una fórmula química como se suele entender y utiliza términos y palabras que no se usan en fórmulas químicas. Estos nombres, a diferencia de las fórmulas básicas, pueden representar fórmulas estructurales completas sin gráficos.

Formula empírica

Artículo principal: Fórmula empírica

En química , la fórmula empírica de una sustancia química es una expresión simple del número relativo de cada tipo de átomo o proporción de elementos en el compuesto. Las fórmulas empíricas son el estándar para compuestos iónicos , como CaCl
2, y para macromoléculas, como SiO
2. Una fórmula empírica no hace referencia a isomería , estructura o número absoluto de átomos. El término empírico se refiere al proceso de análisis elemental , una técnica de química analítica utilizada para determinar el porcentaje relativo de composición de una sustancia química pura por elemento.

Por ejemplo, el hexano tiene una fórmula molecular de C
6H
14, o estructuralmente CH
3CH
2CH
2CH
2CH
2CH
3, lo que implica que tiene una estructura de cadena de 6 átomos de carbono y 14 átomos de hidrógeno . Sin embargo, la fórmula empírica del hexano es C
3H
7. Asimismo, la fórmula empírica para el peróxido de hidrógeno , H
2O
2, es simplemente HO que expresa la proporción 1: 1 de los elementos componentes. El formaldehído y el ácido acético tienen la misma fórmula empírica, CH
2O . Esta es la fórmula química real del formaldehído, pero el ácido acético tiene el doble de átomos.

Fórmula molecular

Las fórmulas moleculares indican los números simples de cada tipo de átomo en una molécula de una sustancia molecular. Son las mismas que las fórmulas empíricas para moléculas que solo tienen un átomo de un tipo particular, pero por lo demás pueden tener números más grandes. Un ejemplo de la diferencia es la fórmula empírica de la glucosa, que es CH 2 O ( proporción 1: 2: 1), mientras que su fórmula molecular es C 6 H 12 O 6 ( número de átomos 6: 12: 6). Para el agua, ambas fórmulas son H 2 O. Una fórmula molecular proporciona más información sobre una molécula que su fórmula empírica, pero es más difícil de establecer.

Una fórmula molecular muestra el número de elementos en una molécula y determina si es un compuesto binario , ternario , cuaternario o tiene incluso más elementos.

Fórmula condensada

Artículo principal: Fórmula condensada
Fórmula estructural de isobutano Fórmula
molecular: C 4 H 10
Fórmula química condensada o semi-estructural: (CH 3 ) 3 CH
n - Fórmula estructural del butano Fórmula
molecular: C 4 H 10 Fórmula
condensada o semiestructural: CH 3 CH 2 CH 2 CH 3

La conectividad de una molécula a menudo tiene una gran influencia en sus propiedades físicas y químicas y su comportamiento. Dos moléculas compuestas por el mismo número de los mismos tipos de átomos (es decir, un par de isómeros ) pueden tener propiedades químicas y / o físicas completamente diferentes si los átomos están conectados de manera diferente o en diferentes posiciones. En tales casos, una fórmula estructural es útil, ya que ilustra qué átomos están unidos a qué otros. A partir de la conectividad, a menudo es posible deducir la forma aproximada de la molécula .

Una fórmula química condensada puede representar los tipos y la disposición espacial de enlaces en una sustancia química simple, aunque no necesariamente especifica isómeros o estructuras complejas. Por ejemplo, el etano consta de dos átomos de carbono unidos entre sí, y cada átomo de carbono tiene tres átomos de hidrógeno unidos a él. Su fórmula química se puede convertir en CH 3 CH 3 . En el etileno hay un doble enlace entre los átomos de carbono (y por lo tanto cada carbono solo tiene dos hidrógenos), por lo tanto, la fórmula química se puede escribir: CH 2 CH 2, y el hecho de que haya un doble enlace entre los carbonos está implícito porque el carbono tiene una valencia de cuatro. Sin embargo, un método más explícito es escribir H 2 C = CH 2 o con menos frecuencia H 2 C :: CH 2 . Las dos líneas (o dos pares de puntos) indican que un doble enlace conecta los átomos a cada lado de ellos.

Un triple enlace puede expresarse con tres líneas (HC≡CH) o tres pares de puntos (HC ::: CH), y si puede haber ambigüedad, se puede usar una sola línea o un par de puntos para indicar un enlace simple.

Las moléculas con múltiples grupos funcionales que son iguales se pueden expresar encerrando el grupo repetido entre paréntesis . Por ejemplo, el isobutano se puede escribir (CH 3 ) 3 CH. Esta fórmula estructural condensada implica una conectividad diferente a otras moléculas que pueden formarse utilizando los mismos átomos en las mismas proporciones (isómeros). La fórmula (CH 3 ) 3 CH implica un átomo de carbono central conectado a un átomo de hidrógeno y tres grupos CH 3 . El mismo número de átomos de cada elemento (10 hidrógenos y 4 carbonos, o C 4 H 10) se puede utilizar para hacer una molécula de cadena lineal, n - butano : CH 3 CH 2 CH 2 CH 3 .

Ley de composición

En cualquier compuesto químico dado, los elementos siempre se combinan en la misma proporción entre sí. Ésta es la ley de composición constante .

La ley de composición constante dice que, en cualquier compuesto químico en particular, todas las muestras de ese compuesto estarán formadas por los mismos elementos en la misma proporción o proporción. Por ejemplo, cualquier molécula de agua siempre está formada por dos átomos de hidrógeno y un átomo de oxígeno en una proporción de 2: 1. Si miramos las masas relativas de oxígeno e hidrógeno en una molécula de agua, vemos que el 94% de la masa de una molécula de agua se explica por oxígeno y el 6% restante es la masa de hidrógeno. Esta proporción de masa será la misma para cualquier molécula de agua. [1]

Nombres químicos en respuesta a las limitaciones de las fórmulas químicas

Artículo principal: Nomenclatura química

El alqueno llamado but-2-eno tiene dos isómeros, que la fórmula química CH 3 CH = CHCH 3 no identifica. La posición relativa de los dos grupos metilo debe indicarse mediante una notación adicional que indique si los grupos metilo están en el mismo lado del doble enlace ( cis o Z ) o en lados opuestos entre sí ( trans o E ). [2]

Como se señaló anteriormente, para representar las fórmulas estructurales completas de muchos compuestos orgánicos e inorgánicos complejos, puede ser necesaria una nomenclatura química que va mucho más allá de los recursos disponibles utilizados anteriormente en fórmulas condensadas simples. Consulte la nomenclatura IUPAC de química orgánica y la nomenclatura IUPAC de química inorgánica 2005 para ver ejemplos. Además, los sistemas de nombres lineales como el Identificador Químico Internacional (InChI) permiten que una computadora construya una fórmula estructural y un sistema simplificado de entrada de línea de entrada molecular.(SONRISAS) permite una entrada ASCII más legible por humanos. Sin embargo, todos estos sistemas de nomenclatura van más allá de los estándares de las fórmulas químicas, y técnicamente son sistemas de nombres químicos, no sistemas de fórmulas. [ cita requerida ]

Polímeros en fórmulas condensadas

Para polímeros en fórmulas químicas condensadas, los paréntesis se colocan alrededor de la unidad repetida. Por ejemplo, una molécula de hidrocarburo que se describe como CH 3 (CH 2 ) 50 CH 3 , es una molécula con cincuenta unidades repetidas. Si el número de unidades repetidas es desconocido o variable, se puede usar la letra n para indicar esta fórmula: CH 3 (CH 2 ) n CH 3 .

Iones en fórmulas condensadas

En el caso de los iones , la carga de un átomo en particular puede indicarse con un superíndice a la derecha. Por ejemplo, Na + o Cu 2+ . La carga total en una molécula cargada o un ion poliatómico también se puede mostrar de esta manera. Por ejemplo: H 3 O + o SO 4 2− . Tenga en cuenta que + y - se utilizan en lugar de +1 y -1, respectivamente.

Para iones más complejos, a menudo se utilizan corchetes [] para encerrar la fórmula iónica, como en [B 12 H 12 ] 2− , que se encuentra en compuestos como Cs 2 [B 12 H 12 ] . Los paréntesis () se pueden anidar entre corchetes para indicar una unidad repetida, como en [Co (NH 3 ) 6 ] 3+ Cl 3 - . Aquí, (NH 3 ) 6 indica que el ion contiene seis grupos NH 3 unidos al cobalto , y [] encierra la fórmula completa del ion con carga +3. [se necesita más explicación ]

Esto es estrictamente opcional; una fórmula química es válida con o sin información de ionización, y el cloruro de hexamminecobalto (III) puede escribirse como [Co (NH 3 ) 6 ] 3+ Cl 3 - o [Co (NH 3 ) 6 ] Cl 3 . Los corchetes, como los paréntesis, se comportan en química como lo hacen en matemáticas, agrupando términos; no se emplean específicamente solo para estados de ionización. En el último caso aquí, los paréntesis indican 6 grupos todos de la misma forma, unidos a otro grupo de tamaño 1 (el átomo de cobalto), y luego todo el paquete, como grupo, está unido a 3 átomos de cloro. En el primer caso, es más claro que el enlace que conecta los cloro es iónico., en lugar de covalente .

Isótopos

Aunque los isótopos son más relevantes para la química nuclear o la química de isótopos estables que para la química convencional, los diferentes isótopos pueden indicarse con un superíndice prefijado en una fórmula química. Por ejemplo, el ion fosfato que contiene fósforo-32 radiactivo es [ 32 PO 4 ] 3− . Además, un estudio que involucre proporciones de isótopos estables podría incluir la molécula 18 O 16 O.

A veces se usa un subíndice de la izquierda de manera redundante para indicar el número atómico . Por ejemplo, 8 O 2 para dioxígeno y16
8O
2 para las especies isotópicas de dioxígeno más abundantes. Esto es conveniente al escribir ecuaciones para reacciones nucleares , con el fin de mostrar el equilibrio de carga con mayor claridad.

Átomos atrapados

Fórmula tradicional: MC 60
La notación "@": M @ C 60
Artículo principal: fullereno endoédrico

El símbolo @ ( en el signo ) indica un átomo o molécula atrapado dentro de una jaula pero no unido químicamente a ella. Por ejemplo, un buckminsterfullereno (C 60 ) con un átomo (M) simplemente se representaría como MC 60 independientemente de si M estaba dentro del fullereno sin enlaces químicos o fuera, unido a uno de los átomos de carbono. Usando el símbolo @, esto se denotaría M @ C 60 si M estuviera dentro de la red de carbono. Un ejemplo que no es de fullereno es [As @ Ni 12 As 20 ] 3− , un ion en el que un átomo de As está atrapado en una jaula formada por los otros 32 átomos.

Esta notación fue propuesta en 1991 [3] con el descubrimiento de las jaulas de fullereno ( fullerenos endoédricos ), que pueden atrapar átomos como La para formar, por ejemplo, La @ C 60 o La @ C 82 . Los autores han explicado que la elección del símbolo es concisa, fácil de imprimir y transmitir electrónicamente (el signo arroba está incluido en ASCII , en el que se basan la mayoría de los esquemas de codificación de caracteres modernos), y los aspectos visuales sugieren la estructura de un endoédrico. fullereno.

Fórmulas químicas no estequiométricas

Artículo principal: Compuesto no estequiométrico

Las fórmulas químicas suelen utilizar números enteros para cada elemento. Sin embargo, existe una clase de compuestos, llamados compuestos no estequiométricos , que no se pueden representar con números enteros pequeños. Dicha fórmula podría escribirse usando fracciones decimales , como en Fe 0.95 O, o podría incluir una parte variable representada por una letra, como en Fe 1 – x O, donde x es normalmente mucho menor que 1.

Formas generales de compuestos orgánicos

Una fórmula química utilizada para una serie de compuestos que se diferencian entre sí por una unidad constante se llama fórmula general . Genera una serie homóloga de fórmulas químicas. Por ejemplo, los alcoholes pueden estar representados por la fórmula C n H (2n + 1) OH ( n ≥ 1), dando los homólogos metanol , etanol , propanol para n = 1-3.

Sistema de colinas

El sistema de la colina (o notación Hill) es un sistema de escritura fórmulas empíricas químicos, fórmulas químicas moleculares y componentes de una fórmula condensada de tal manera que el número de carbono átomos en una molécula se indica primero, el número de hidrógeno átomos siguiente, y luego la número de todos los demás elementos químicos posteriormente, en orden alfabético de los símbolos químicos . Cuando la fórmula no contiene carbono, todos los elementos, incluido el hidrógeno, se enumeran alfabéticamente.

Al ordenar fórmulas de acuerdo con el número de átomos de cada elemento presente en la fórmula de acuerdo con estas reglas, las diferencias en elementos o números anteriores se tratan como más significativas que las diferencias en cualquier elemento o número posterior, como clasificar cadenas de texto en orden lexicográfico . es posible recopilar fórmulas químicas en lo que se conoce como orden del sistema Hill.

El sistema Hill fue publicado por primera vez por Edwin A. Hill de la Oficina de Patentes y Marcas de Estados Unidos en 1900. [4] Es el sistema más comúnmente utilizado en bases de datos químicas e índices impresos para ordenar listas de compuestos. [5]

Una lista de fórmulas en el orden del sistema Hill está ordenada alfabéticamente, como arriba, con elementos de una sola letra antes de los símbolos de dos letras cuando los símbolos comienzan con la misma letra (por lo que "B" viene antes de "Be", que viene antes de "Br "). [5]

Las siguientes fórmulas de ejemplo se escriben utilizando el sistema Hill y se enumeran en orden Hill:

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

Ver también

  • Diccionario de fórmulas químicas
  • Símbolo de elemento
  • Notación nuclear
  • Tabla periódica
  • Nomenclatura IUPAC de química inorgánica
  • Unidad de fórmula

Referencias

  1. ^ "Ley de composición constante" . Todo Matemáticas y Ciencias . SIYAVULA . Consultado el 31 de marzo de 2016 . Este material está disponible bajo una licencia Creative Commons Attribution-Share Alike 3.0.
  2. ^ Madrigueras, Andrew. (21 de marzo de 2013). Química³: introducción a la química física, orgánica e inorgánica (Segunda ed.). Oxford. ISBN 978-0-19-969185-2. OCLC  818450212 .
  3. ^ Chai, Yan; Guo, Ting; Jin, Changming; Haufler, Robert E .; Chibante, LP Felipe; Fure, Jan; Wang, Lihong; Alford, J. Michael; Smalley, Richard E. (1991). "Fullerenos con metales en el interior". Revista de Química Física . 95 (20): 7564–7568. doi : 10.1021 / j100173a002 .
  4. ^ Edwin A. Hill (1900). "Sobre un sistema de indexación de la literatura química; adoptado por la División de Clasificación de la Oficina de Patentes de Estados Unidos" . Mermelada. Chem. Soc. 22 (8): 478–494. doi : 10.1021 / ja02046a005 . hdl : 2027 / uiug.30112063986233 .
  5. ^ a b Wiggins, Gary. (1991). Fuentes de información química. Nueva York: McGraw Hill. pag. 120.
  • Petrucci, Ralph H .; Harwood, William S .; Arenque, F. Geoffrey (2002). "3" . Química general: principios y aplicaciones modernas (8ª ed.). Upper Saddle River, Nueva Jersey: Prentice Hall. ISBN 978-0-13-014329-7. LCCN  2001032331 . OCLC  46872308 .

enlaces externos

  • Ejemplo de notación Hill , de las bibliotecas Lowell de la Universidad de Massachusetts, que incluye cómo clasificar en el orden del sistema Hill
  • Cálculo de fórmulas moleculares aplicando notación Hill . La biblioteca que calcula la notación Hill está disponible en npm .