Fórmula química

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 menos(-) signos. Estos se limitan a una sola línea tipográfica de símbolos, 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 los 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 de carbono y oxígeno), mientras que su fórmula molecular es C ₆ H ₁₂ O ₆ (12 átomos de hidrógeno, seis de carbono y oxígeno).

A veces, una fórmula química se complica porque se escribe como una fórmula condensada (o fórmula molecular condensada, a veces llamada "fórmula semiestructural"), que transmite información adicional sobre las formas particulares en que los átomos se unen químicamente entre sí, 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 del etanol, que es CH ₃ -CH ₂ -OH o CH ₃ CH ₂ OH. 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 con 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 verdadera fórmula estructural, que es una representación gráfica de la relación espacial entre los átomos en compuestos químicos (ver por ejemplo la figura para butano fórmulas estructurales y químicas, a la derecha). Por razones de complejidad estructural, una sola 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 otros azúcares, como la fructosa, la galactosa y la manosa. Nombres químicos equivalentes linealesexisten que pueden y especifican de manera única cualquier fórmula estructural compleja (ver nomenclatura química), pero tales 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 de la cantidad de átomos y la cantidad de cargas eléctricas en las reacciones químicas, equilibrando así las ecuaciones químicas para que estas ecuaciones se puede utilizar en problemas químicos que involucran 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 las 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, todos estos números de proporción 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. Sin embargo, algunos tipos de compuestos iónicos no se pueden escribir con fórmulas empíricas de números enteramente enteros. Un ejemplo es el carburo de boro, cuya fórmula de CB _nes una razón variable de números no enteros con n que va desde más de 4 hasta 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 semiestructural) es un tipo de fórmula química que puede implicar completamente una fórmula estructural correcta. Por ejemplo, el etanol puede estar representado por la fórmula química condensada CH ₃ CH ₂ OH y el dimetil éter por la fórmula condensada CH ₃ OCH ₃. Estas dos moléculas tienen las mismas fórmulas empírica y molecular (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, sin embargo, 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 [SO₄]ion. Cada ion poliatómico en un compuesto se escribe individualmente para ilustrar los grupos separados. Por ejemplo, el compuesto hexóxido de dicloro tiene una fórmula empírica ClO₃, y fórmula molecular Cl₂O₆, pero en forma líquida o sólida, este compuesto se muestra más correctamente mediante una fórmula iónica condensada [ClO₂][ClO₄], lo que ilustra que este compuesto consiste en [ClO₂]iones y [ClO₄]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 que se describen 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 detrás de él, especifica completamente la fórmula estructural de la glucosa, pero el nombre no es una fórmula química como se entiende normalmente, y utiliza términos y palabras que no se utilizan en las fórmulas químicas. Dichos nombres, a diferencia de las fórmulas básicas, pueden representar fórmulas estructurales completas sin gráficos.

Formula empírica

En química, la fórmula empírica de un químico es una expresión simple del número relativo de cada tipo de átomo o proporción de los elementos en el compuesto. Las fórmulas empíricas son el estándar para los compuestos iónicos, como CaCl₂, y para macromoléculas, como SiO₂. 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 la composición porcentual relativa de una sustancia química pura por elemento.

Por ejemplo, el hexano tiene una fórmula molecular de C₆H₁₄, o estructuralmente CH₃CH₂CH₂CH₂CH₂CH₃, 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 C₃H₇. Asimismo, la fórmula empírica para el peróxido de hidrógeno, H₂O₂, es simplemente HO expresando la relación 1:1 de los elementos componentes. El formaldehído y el ácido acético tienen la misma fórmula empírica, CH₂O. 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, un compuesto ternario, un compuesto cuaternario o incluso tiene más elementos.

Fórmula condensada

La conectividad de una molécula a menudo tiene una fuerte influencia en sus propiedades y comportamiento físico y químico. 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 posiciones diferentes. 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 los enlaces en una sustancia química simple, aunque no necesariamente especifica isómeros o estructuras complejas. Por ejemplo, el etano consta de dos átomos de carbono con un enlace simple entre sí, y cada átomo de carbono tiene tres átomos de hidrógeno unidos a él. Su fórmula química puede traducirse como CH ₃ CH ₃. En el etileno existe un doble enlace entre los átomos de carbono (y por tanto cada carbono sólo tiene dos hidrógenos), por lo que la fórmula química puede escribirse: CH ₂ CH ₂, y el hecho de que exista 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 ₂o menos comúnmente 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 se puede expresar 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 pueden expresarse encerrando el grupo repetido entre corchetes. 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. Se puede usar el mismo número de átomos de cada elemento (10 hidrógenos y 4 carbonos, o C ₄ H ₁₀) para hacer una molécula de cadena lineal, n -butano: CH ₃ CH ₂CH ₂ CH ₃.

Ley de composicion

En cualquier compuesto químico dado, los elementos siempre se combinan en la misma proporción entre sí. Esta 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 observamos las masas relativas de oxígeno e hidrógeno en una molécula de agua, vemos que el 94 % de la masa de una molécula de agua corresponde al oxígeno y el 6 % restante es la masa de hidrógeno. Esta proporción de masa será la misma para cualquier molécula de agua.

Nombres químicos en respuesta a las limitaciones de las fórmulas químicas

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).

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 el sistema de entrada de línea de entrada molecular simplificado (SMILES) 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.

Polímeros en fórmulas condensadas

Para polímeros en fórmulas químicas condensadas, los paréntesis se colocan alrededor de la unidad repetitiva. Por ejemplo, una molécula de hidrocarburo que se describe como CH ₃ (CH ₂) ₅₀ CH ₃, es una molécula con cincuenta unidades que se repiten. Si el número de unidades que se repiten 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

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

Para iones más complejos, los corchetes [ ] a menudo se usan para encerrar la fórmula iónica, como en [B ₁₂ H ₁₂ ], que se encuentra en compuestos como Cs ₂ [B ₁₂ H ₁₂ ]. Los paréntesis () se pueden anidar dentro de corchetes para indicar una unidad repetitiva, como en [Co(NH ₃) ₆ ]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.

Esto es estrictamente opcional; una fórmula química es válida con o sin información de ionización, y el cloruro de hexaminocobalto (III) se puede escribir como [Co(NH ₃) ₆ ] 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 este último caso, los paréntesis indican 6 grupos, todos de la misma forma, unidos a otro grupo de tamaño 1 (el átomo de cobalto), y luego el paquete completo, como grupo, está unido a 3 átomos de cloro. En el primer caso, es más claro que el enlace que conecta los cloros 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 [ PO ₄ ]. Además, un estudio que involucre proporciones de isótopos estables podría incluir la molécula O O.

Un subíndice a la izquierda a veces se usa de manera redundante para indicar el número atómico. Por ejemplo, ₈ O ₂ para dioxígeno, y₈O₂ para las especies isotópicas más abundantes de dioxígeno. Esto es conveniente cuando se escriben ecuaciones para reacciones nucleares, con el fin de mostrar el balance de carga más claramente.

átomos atrapados

El símbolo @ (arroba) indica un átomo o molécula atrapada dentro de una jaula pero no químicamente unida 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 enlace químico 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 de no fullereno es [As@Ni ₁₂ As ₂₀ ], un ion en el que un átomo de As está atrapado en una jaula formada por los otros 32 átomos.

Esta notación se propuso en 1991 con el descubrimiento de las jaulas de fullereno (fulerenos 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, fácilmente impresa y transmitida electrónicamente (el signo de 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

Las fórmulas químicas suelen utilizar números enteros para cada elemento. Sin embargo, hay una clase de compuestos, llamados compuestos no estequiométricos, que no se pueden representar con números enteros pequeños. Tal 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 normalmente es mucho menor que 1.

Formas generales de los compuestos orgánicos.

Una fórmula química utilizada para una serie de compuestos que difieren entre sí por una unidad constante se llama fórmula general. Genera una serie homóloga de fórmulas químicas. Por ejemplo, los alcoholes se pueden representar mediante 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 Hill (o notación de Hill) es un sistema de escritura de fórmulas químicas empíricas, fórmulas químicas moleculares y componentes de una fórmula condensada tal que el número de átomos de carbono en una molécula se indica primero, el número de átomos de hidrógeno a continuación, y luego el 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 las fórmulas de acuerdo con el número de átomos de cada elemento presente en la fórmula de acuerdo con estas reglas, y las diferencias en elementos o números anteriores se tratan como más significativas que las diferencias en cualquier elemento o número posterior, como ordenar 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 Marcas y Patentes de los Estados Unidos en 1900. Es el sistema más utilizado en bases de datos químicas e índices impresos para ordenar listas de compuestos.

Una lista de fórmulas en el orden del sistema Hill está ordenada alfabéticamente, como se muestra arriba, con elementos de una sola letra que van 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 ").

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

• BRI
• BrClH2Si _{_} _
• CCl ₄
• CH ₃ _
• C ₂ H ₅ Hab
• H ₂ O ₄ S