Fórmula química

	En altres projectes de Wikimedia:
Commons	Commons
Viquillibres	Viquillibres

Una fórmula química és una expressió gràfica de la constitució i estructura d’una espècie química.

Les fórmules químiques com a mínim contenen els símbols dels elements químics presents en l'espècia química, xifres en subíndex per a indicar quantes vegades cal considerar-los repetits i ratlles que indiquen els enllaços químics. Per exemple, l'etanol pot representar-se mitjançant la fórmula CH₃-CH₂-OH, que indica que: està constituït per àtoms d'hidrogen (H), carboni (C) i oxigen (O); que a la molècula hi ha un àtom d'oxigen, dos de carboni i 6 d'hidrogen; i que el carboni de l'esquerra està enllaçat a tres hidrògens i a l'altre carboni, aquest a dos hidrògens i un oxigen, i aquest, també, a un hidrogen.

Subsidiàriament, hom empra uns altres nombrosos signes (punts, parèntesis, superíndexs, lletres gregues, nombres romans...) que hi afegeixen informació o n'escurcen l’escriptura. La convenció fonamental de la notació química és que cada símbol representa un àtom i, per tant, totes les fórmules donen la composició qualitativa i quantitativa de les substàncies, car contenen els símbols dels elements presents (o abreviacions que representen conjunts d’aquests símbols, com ara Ph- per C₆H₅-), que repeteixen, si cal, o indiquen numèricament llur repetició.

Tipus de fórmules

Les fórmules poden ser empíriques, moleculars, desenvolupades i estructurals.

Fórmula empírica

La fórmula empírica determina únicament els àtoms que componen la substància i la relació mínima entre ells. Per exemple, per al butan-1,2-diol seria C₂H₅O. En absència de qualsevol altre criteri d'ordenació (per exemple, si es disposa de poca informació estructural), els símbols dels elements químics s'ordenen per ordre alfabètic, excepte que en els compostos que contenen carboni, C i H solen ser citats primer i segon, respectivament. Per exemple: BrClH₃N₂NaO₂Pt i C₁₀H₁₀ClFe.^[1]

Quant a l'ordre alfabèticament, un símbol d'una sola lletra sempre precedeix un símbol de dues lletres amb la mateixa lletra inicial, per exemple, B abans de Be, i els símbols de dues lletres es classifiquen alfabèticament, per exemple, Ba abans de Be. Les fórmules lineals per a diferents espècies es poden ordenar alfanumèricament, per exemple, en índexs i registres, segons l'ordre dels símbols atòmics i els subíndexs a la dreta d'aquests, per exemple, B < BH < BO < B₂O₃. El grup NH₄ sovint es tracta com un símbol únic i es col·loca després de Na, per exemple.^[1]

En cristal·lografia la fórmula empírica d'una espècie té variacions per causa de substitucions d'àtoms d'un element per altre o altres elements en proporcions variables. Per exemple, la galena bismutífera, és una varietat de galena PbS que conté fins a un 16 % del seu pes en bismut, amb fórmula (Pb,Bi,Ag)S. En alguns casos es recorre al nombre "apfu", àtoms per fórmula unitària per establir valors d'impureses. Per exemple hi ha mostres de zirconi ZrSiO₄ en les quals hom troba que per a quatre àtoms d'oxigen el valor del Zr 0,984 s'hi apropa a 1 apfu, i les impureses calci i itri tenen el nombre d'àtoms per fórmula unitària molt més petit: Ca 0,001 i l'Y 0,002.^[2]

Fórmula molecular

La fórmula molecular d'un compost químic és una representació gràfica del nombre exacte d’àtoms que formen la molècula. Però no dona informació sobre com s'ordenen o distribueixen espacialment els àtoms. Per exemple, per al butan-1,2-diol seria C₄H₁₀O₂.

Els símbols dels elements s'escriuen citant primer l'element menys electronegatiu. S'empra la taula adjunta on, per convenció, com més tard apareix un element quan es recorre la taula seguint les fletxes, més electropositiu és l'element.

En alguns casos, la fórmula molecular pot coincidir amb l'empírica, en aquest cas l'única diferència possible entre les dues fórmules és l'ordre dels símbols atòmics. Exemples: SF₆ (molecular) i F₆S (empírica).

Nombres d'oxidació

L'estat d'oxidació d'un element en una fórmula es pot indicar amb un número d'oxidació escrit com a superíndex a la dreta en números romans. L'estat d'oxidació zero es pot representar amb el número 0, però generalment no es mostra. Si un element apareix amb més d'un estat d'oxidació en la mateixa fórmula, el símbol de l'element es repeteix, assignant a cada símbol un número, i els símbols se citen en l'ordre d'aquests números. Exemples: Pb^II₂Pb^IVO₄, [Os⁰(CO)₅] i [Mn^–I(CO)₅]^–.

Radicals

Un radical és un àtom o una molècula amb un o més electrons desaparellats. Pot tenir càrrega positiva, negativa o zero. Un electró desaparellat pot ser indicat en una fórmula mitjançant un punt com a superíndex. El punt es col·loca com a índex superior dret al símbol químic, de manera que no interfereixi amb les indicacions de nombre màssic, nombre atòmic o composició. Exemples: HO^● i NO₂^●.

En el cas de diradicals, etc., el punt com a superíndex és precedit pel multiplicador adequat, com ara O₂^2●. El punt radical amb el seu multiplicador, si n'hi ha, precedeix qualsevol càrrega, com a BH₃^●+. Per evitar confusions, el multiplicador i el punt radical poden ser col·locats dins de parèntesis. exemples: NO^(2●)– i N₂^(2●)2–.

Els metalls i els seus ions o complexos sovint posseeixen electrons desaparellats, però, per convenció, no es consideren radicals, i els punts radicals no s'utilitzen en les seves fórmules. No obstant això, poden haver-hi ocasions en què un lligand radical estigui unit a un metall o ion metàl·lic en què sigui desitjable utilitzar un punt radical.

Composts òpticament actius

El signe de la rotació òptica es col·loca entre parèntesis, i la longitud d'ona (en nm) es indica com un subíndex dret. Tot el símbol es col·loca abans de la fórmula i es refereix a la línia D del sodi, llevat que s'indiqui el contrari. Exemple: (+)₅₈₉-[Co(en)₃]Cl_3.

Estats excitats

Els estats electrònics excitats es poden indicar amb un asterisc com a superíndex a la dreta. Aquesta pràctica no diferencia entre diferents estats excitats. exemples són: He* i NO*.

Descriptors estructurals

Els descriptors estructurals com cis, trans, etc., s'utilitzen com a prefixes en cursiva i es connecten a la fórmula per un guionet, com a cis-[PtCl₂(NH₃)₂]

Compostos substituïts isotòpicament

Un compost substituït isotòpicament té una composició tal que totes les molècules del compost tenen només el(s) nuclis(s) indicat(s) a cada posició designada. Els nuclis substituïts s'indiquen amb la inserció dels nombres màssics com a superíndex a l'esquerra precedint els símbols atòmics corresponents en la fórmula normal. Exemples: H³HO, ²³⁵UF₆ i K[³²PF₆].

Un compost etiquetat selectivament es pot considerar com una mescla de compostos etiquetats específicament. S'indica prefixant la fórmula amb el(s) símbol(s) de nucli precedit(s) per qualsevol locant necessari (però sense subíndexs multiplicadors) tancat entre claudàtors. Exemples: [³⁶Cl]SOCl₂ i [²H]PH₃.

Fórmula desenvolupada

La fórmula desenvolupada és una representació de la molècula que indica quin àtom s'uneix amb quin, i mitjançant quin enllaç. Les fórmules desenvolupades precisen la topologia molecular i distingeixen entre els isòmers funcionals o posicionals, però no entre els geomètrics o òptics. Per exemple, per al butan-1,2-diol seria:

H H H H
| | | |
H——C——C——C——C——OH
| | | | 
H H OH H

Fórmula estructural

La fórmula estructural informa sobre la disposició dels àtoms a l’espai. Pot ser només estereoquímica (indicant les orientacions relatives, suficients per a distingir entre estereoisòmers), o pot precisar també la conformació, si la molècula té geometria fixa. Les fórmules estructurals representen simbòlicament en un pla, mitjançant artificis gràfics, els models tridimensionals. Un artifici corrent és simular la perspectiva traçant els enllaços amb ratlles primes, gruixudes o discontínues, segons que se suposin situats en el pla del paper, al damunt o al dessota, respectivament.

Diagrames

En un diagrama 2D, s'aprecia l'orientació dels enllaços usant símbols especials. Una línia contínua representa un enllaç en el pla; si l'enllaç està per darrere, es representa mitjançant una línia de punts; si l'enllaç està per davant, s'indica amb un símbol en forma de falca triangular. De vegades es fan servir un altre tipus de convenis o projeccions per a grups de compostos específics (projecció de Newman, Reactiu de Tollens, etc.).

Símbols

Signes d'enclòs

A les fórmules químiques s'utilitza tres tipus de signes d'enclòs, concretament: claus {}, claudàtors [ ] i parèntesis ( ). Aquests signes d'enclòs s'empren seguint l'ordre d'anidament següent: [ ], [( )], [{( )}], [({( )})], [{({( )})}], etc. Els claudàtors s’utilitzen habitualment només per incloure fórmules completes; els parèntesis i les claus es fan servir aleshores de manera alternada.

Parèntesis

Els parèntesis s'usen en les fórmules de les maneres següents:

Per incloure fórmules de grups d'àtoms (ions, grups substituents, lligands o molècules), per evitar ambigüitat o quan el grup es multiplica. En aquest darrer cas, un subíndex numèric multiplicatiu segueix el parèntesi de tancament, per exemple Ca₃(PO₄)₂. En el cas d’ions comuns com el nitrat i el sulfat, l'ús de parèntesis és recomanable però no obligatori. Per exemple (SO₄)^2– o SO₄^2–.
Per incloure l’abreviatura del nom d’un lligand en les fórmules.
Per incloure el punt de radical en superíndex i el seu multiplicador en el cas de poliradicals, per evitar ambigüitats relacionades amb la multiplicació del símbol de càrrega.

Claudàtors

Els claudàtors s'usen en les fórmules químiques de les maneres següents:

Per incloure tota l’entitat de coordinació d’un compost de coordinació neutre (formal). No s'ha d'afegir cap subíndex numèric després del claudàtor utilitzat en aquest context. Per exemple, quan la fórmula molecular és el doble de la fórmula empírica, això s'ha d'indicar dins del claudàtor. [PH(O)(OH)₂].
Per incloure una entitat de coordinació carregada (formal). En aquest cas, el superíndex que indica la càrrega apareix fora del claudàtor, igual que qualsevol subíndex que indiqui el nombre d’ions en la sal. Exemples són [BH₄]^–, [S₂O₅]^2–, etc.
En una sal que comprèn tant entitats de coordinació catiòniques com aniòniques, cada ió s'inclou per separat dins de claudàtors. El catió es col·loca abans de l’anió i no es mostren càrregues individuals. Qualsevol subíndex que indiqui el nombre d’ions complexos a la sal es col·loca fora dels claudàtors. Per exemple: [Co(NH₃)₆][Cr(CN)₆] que conté els ions [Co(NH₃)₆]³⁺ i [Cr(CN)₆]^3–.
Per agrupar una fórmula estructural. [Mo(η⁷-C₇H₇)(CO)₃]⁺.
En química de l'estat sòlid, per indicar un àtom o un grup d'àtoms en un lloc octaèdric, com ara (Mg)[Cr₂]O₄.
En compostos específicament etiquetats. [¹⁸O,³²P]H₃PO₄.
Per indicar unitats repetitives en compostos de cadena. SiH₃[SiH₂]₈SiH₃.

Fórmula general

La fórmula general d'un grup de compostos pot representar-se de diferents maneres:

Expressant el nombre d'àtoms de cada classe per exemple

En química inorgànica, una família de compostos es pot representar per una fórmula general els subíndexs (nombre d'àtoms de cada classe) són variables (x, i, z.).

Incloent expressions matemàtiques en els subíndexs

En química orgànica, és freqüent que els subíndexs siguin expressions matemàtiques que inclouen la variable n (nombre d'àtoms de carboni). Es diu sèrie homòloga al conjunt de compostos que comparteixen la mateixa fórmula general. Per exemple, la fórmula general dels alcohols és: C_nH_{(2n + 1)}OH (on n ≥ 1)


Sèrie homòloga	Fórmula general	Exemples
Alcans	C_nH_2n+2	CH₄, C₂H₆, C₃H₈, C₄H₁₀
Alquens monoinsaturats	C_nH_2n	C₂H₄, C₃H₆, C₄H₈
Alquins monoinsaturats	C_nH_2n-2	C₂H₂, C₃H₄, C₄H₆
Cicloalcans	C_nH_2n	C₄H₈, C₆H₁₂
Alcohols	C_nH_{(2n + 1)}OH	CH₃OH, C₂H₅OH

Incloent radicals i grup funcional

En l'expressió de la fórmula general, en química orgànica, sol aparèixer l'estructura dels compostos d'una sèrie homòloga, incloent-hi la part de substituent (que es representa per R, R ', etc) i el grup funcional. Exemple: La fórmula general dels alcohols primaris és R-OH.


Sèrie homòloga	Fórmula general	Exemples
Alcohols	R-OH	CH₃OH, C₂H₅OH
Èters	R-O-R	CH₃-O-CH₃
Aldehids	R-CHO	CH₃-CHO, CH₃-CH₂-CHO
Cetones	R-CO-R	CH₃-CO-CH₃
Àcids carboxílics	R-COO-H	CH₃-COOH
Èsters	R-COO-R	CH₃-CH₂-COO-CH₃
Amines	R-NH₂	CH₃-CH₂-NH₂
Amides	R-CONH₂	CH₃-CH₂-CONH₂
Nitrils	R-CN	CH₃-CH₂-CN

Vegeu també

Referències

↑ ^1,0 ^1,1 Nomenclature of inorganic chemistry: IUPAC recommendations 2005. Cambridge: Royal society of chemistry, 2005. ISBN 978-0-85404-438-2.
↑ Zaman, M. Mashrur; Antao, Sytle M. «Crystal Chemistry and Structural Variations for Zircon Samples from Various Localities» (en anglès). Minerals, 10, 11, 11-2020, pàg. 947. DOI: 10.3390/min10110947. ISSN: 2075-163X.

[:0-1] 1,0 ^1,1 Nomenclature of inorganic chemistry: IUPAC recommendations 2005. Cambridge: Royal society of chemistry, 2005. ISBN 978-0-85404-438-2.

[2] Zaman, M. Mashrur; Antao, Sytle M. «Crystal Chemistry and Structural Variations for Zircon Samples from Various Localities» (en anglès). Minerals, 10, 11, 11-2020, pàg. 947. DOI: 10.3390/min10110947. ISSN: 2075-163X.

[1]

[2]