Kemijska formula

Kemijska formula je simbolični ali grafični prikaz sestave oziroma zgradbe molekule kemijske spojine. Formule se zapisujejo s simboli elementov, številkami, ki pomenijo število atomov posameznega elementa ali število atomskih struktur, oklepaji, ki ločujejo vgnezdene ali ponavljajoče se strukture, in črtami, ki simbolizirajo kemijske vezi. Kemijske formule služijo tudi za zapis kemijskih reakcij.

Takšen sistem zapisovanja je zasnoval švedski kemik Jöns Jacob Berzelius v 19. stoletju.

Empirična formula

Empirična formula je najenostavnejša kemijska formula, v kateri je prikazano, kateri elementi so v spojini in v kakšnem razmerju so. Empirične formule so standradne za ionske spojine, na primer MgSO₄, in makromolekule, na primer SiO₂. Empirična formula ne upošteva izomerije, povezav med posameznimi atomi znotraj molekule in dejanskega števila atomov v molekuli.

Izraz empiričen izhaja iz elementarne analize, ene od tehnik analizne kemije, ki ugotavlja masni delež posameznega elementa v čisti spojini. Primer: heksan ima molekulsko formulo C₆H₁₄ in strukturno formulo CH₃CH₂CH₂CH₂CH₂CH₃ iz katerih je razvidno, da posamezna molekula vsebuje 6 atomov ogljika in 14 atomov vodika, njegova empirična formula pa je C₃H₇, ker je razmerje med ogljikom in vodikom 3:7. Podobno je pri vodikovemu peroksidu (H₂O₂). Njegova empirična formula je HO, ker je razmerje med elementoma 1:1.

Molekulska formula

Molekulska formula pove veliko več kot empirična formula in sicer kateri elementi so v molekuli in koliko atomov posameznega elementa je v molekuli. Primer: empirična formula glukoze je CH₂O, njena molekulska formula, ki ustreza resničnemu stanju, pa je C₆H₁₂O₆. Molekulska formula ne upošteva izomerije in razporeditve atomov znotraj molekule. Molekulska formula: etilester acetocetna kislina:CH₃COCH₂COOC₂H₅

Strukturna formula

Strukturna formula kemijske spojine je grafični prikaz zgradbe molekule, iz katere je razvidna razporeditev atomom in kemijskih vezi. Najpogosteje se uporabljajo racionalna, strukturna in skeletna formula. Poleg teh formul se uporabljajo tudi drugi načini zapisa kemijske strukture.

Strukturna formula ima v primerjavi z molekulsko formulo več prednosti. Ena od njih je prav gotovo velika preglednost zapisa kemijske reakcije: iz strukturne formule je razviden potek reakcije in vse spremembe, ki so med reakcijo nastale. Druga prednost je prikaz različnih izomernih oblik neke spojine, ki iz njene molekulske formule niso razvidne.

Posebnosti

Dvojne in trojne vezi

Etan vsebuje dva ogljikova atoma, ki sta povezana z enojno vezjo, na vsak ogljikov atom pa so, tudi z enojnimi vezmi, vezani trije vodikovi atomi. Njegovo formulo se lahko zapiše s C₂H₆ ali CH₃CH₃.

V etenu (C₂H₄) je med ogljikovima atomoma dvojna vez. Njen zapis se lahko opusti, ker je implicitno zapisana s tem, da ima vsak ogljik samo dva vodika. Formulo se v tem primeru zapiše s CH₂CH₂. Zaradi boljše preglednosti je bolje, da se dvojno vez zapiše eksplicitno s CH₂=CH₂ ali CH₂::CH₂, pri čemer vsak par točk predstavlja vezni elektronski par.

Takšen zapis je sicer boljši, vendar iz njega ni razviden položaj funkcionalnih skupin na ogljikovih atomih ob dvojni vezi. Primer: alken but-2-en ima dva izomera, kar iz kemijske formule CH₃CH=CHCH₃ ni razvidno. Kadar je položaj funkcionalnih skupin pomemben, se njihov položaj eksplicitno označi s cis (Z) ali trans (E).

Trojno vez se zapiše s tremi črticami ≡, na primer CH≡CH, ali s tremi pari točk :::. Vsaka črtica ali par točk pomeni eno vez med ogljikovima atomoma.

Molekule z mnogokratnimi funkcionalnimi skupinami

Mnogokratne funkcionalne skupine v molekuli se zapiše v okroglih oklepajih, z indeksom na desni pa se označi njihovo število. Primer: Ca₃(PO₄)₂ ali (CH₃)₃CH (2-metilpropan). Prvi zapis pomeni, da sta v molekuli kalcijevega fosfata dve skupini PO₄^3-, drugi zapis pa pomeni, da so na osrednji ogljikov atom vezane tri metilne skupine. Drugo spojino se lahko zapiše tudi kot CH₃CH(CH₃)CH₃.

Polimeri

Formule polimerov se zapisujejo tako, da se ponavljajočo se enoto oziroma sekvenco zapiše v oklepaju z desnim indeksom, ki pomeni število enot. Zapis CH₃(CH₂)₅₀CH₃ pomeni, da je v polimeru 50 CH₂ skupin. V polimerih število ponavljajočih se enot običajno ni znano, zato se njihovo furmulo zapiše kar s splošno formulo CH₃(CH₂)_nCH₃.

Ioni

Ion posameznega elementa se zapiše s simbolom elementa in desnim eksponentom, ki pomeni njegov naboj, na primer K⁺ in Al ³⁺.

Večatomski ioni se zapisujejo tako, da se v desni eksponent zapiše njihov skupni naboj, na primer SO₄^2- ali PO₄^3-.

Za zapise kompleksnih ionov se uporabljajo oglati oklepaji, na primer [B₁₂H₁₂]^2-. Ionske skupine, ki so vgnezdene znotraj kompleksnega iona, se zapišejo v okroglem oklepaju, na primer [Co(NH₃)₆]³⁺. Zadnji zapis pomeni, da kompleksni ion vsebuje šest NH₃ skupin, celotna skupina v oglatem oklepaju pa ima naboj +3.

Izotopi

Izotopi so najbolj aktualni v jedrski kemiji in kemiji stabilnih izotopov, v kemijski formuli pa se označujejo z levim eksponentom ob simbolu elementa. Primer: fosfatni ion, ki vsebuje radioaktivni fosfor 32, se zapiše kot ³²PO₄^3-.

Zapisu izotopa se pogosto doda še zapis atomskega števila, ki se zapiše kot levi indeks, na primer ¹⁶₈O₂ za kisikov najpogostejše izotop. Takšen zapis je zaradi preglednosti zelo uporaben pri pisanju in urejanju jedrskih reakcij.

Ujeti atomi

Za zapis atomov in molekul, ki so ujeti v kletko, vendar z njo niso kemijsko povezani, se uporablja simbol @. Takšen zapis se je začel uporabljati po letu 1990, ko so odkrili fulerenske kletke, v katere so lahko ujeti atomi, na primer lantana. Tako ujeti atom se zapiše, na primer, z La@C₆₀ ali La@C₈₂.

Primer nefulerenske kletke je ion [As@Ni₁₂As₂₀]^3-, v kateri je arzenov ion ujet v kletki iz 32 atomov niklja in arzena.

Nestehiometrične formule

Kemijske formule so praviloma zapisane s celimi števili atomov, obstoja pa cel razred tako imenovanih nestehiometričnih spojin, ki se jih ne da zapisati s celimi števili. Takšne formule se zapisujejo z decimalnimi števili, na primer Fe_0,95O, ali s številko in črko, na primer Fe_1–xO , pri čemer je x praviloma mnogo manjši od 1.

Splošna formula organskih spojin

Organske spojine, ki se med seboj razlikujejo za enako enoto, na primer CH₂, so homologi in tvorijo tako imenovano homologno vrsto. Člene homologne vrste se pogosto zapiše kar s splošnim členom oziroma s splošno formulo. Primer: splošna formula alkanov je C_nH_2n+2, alkenov C_nH_2n itd., pri čemer je n število ogljikovih atomov oziroma zaporedna številka homologa.

Hillov sistem

V Hillovem sistemu pisanje kemijskih formul se na prvem mestu zapiše ogljik. Ogljiku sledi vodik, vodiku pa ostali elementi po abecednem vrstnem redu. Če v formuli ni ogljika, se vsi elementi, vključno z vodikom, zapisujejo po abecedi. Hillov sistem omogoča enostavno sortiranje in iskanje kemijskih spojin. Primeri: C₂H₄BrI, BrH, HI itd.

Viri

• Ralph S. Petrucci, William S. Harwood and F. Geoffrey Herring, General Chemistry, 8th Edition (Prentice-Hall 2002)