2.4: Хімічні формули

Last updated
Save as PDF

Page ID: 22544

\( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)

Цілі навчання

Символізують склад молекул за допомогою молекулярних формул і емпіричних формул
Представляють зв'язок розташування атомів всередині молекул за допомогою структурних формул

Молекулярна формула - це подання молекули, яка використовує хімічні символи для позначення типів атомів, за якими слідують індекси, щоб показати кількість атомів кожного типу в молекулі. (Індексний індекс використовується лише тоді, коли присутній більше одного атома заданого типу.) Молекулярні формули також використовуються в якості скорочень назв сполук.

Структурна формула сполуки дає ту ж інформацію, що і його молекулярна формула (типи та номери атомів у молекулі), але також показує, як атоми пов'язані в молекулі. Структурна формула метану містить символи для одного атома С і чотирьох атомів Н, що позначають кількість атомів в молекулі (рис.\(\PageIndex{1}\)). Лінії являють собою зв'язки, які утримують атоми разом. (Хімічний зв'язок - це тяжіння між атомами або іонами, що утримує їх разом у молекулі або кристалі.) Ми обговоримо хімічні зв'язки і подивимося, як передбачити розташування атомів в молекулі пізніше. Наразі просто знайте, що лінії є вказівкою того, як атоми з'єднані в молекулі. Модель з кулькою та палицею показує геометричне розташування атомів з атомними розмірами, які не масштабуються, а модель заповнення простору показує відносні розміри атомів.

Рисунок\(\PageIndex{1}\): Молекулу метану можна представити у вигляді (а) молекулярної формули, (b) структурної формули, (c) моделі кулі та палиці та (d) моделі заповнення простору. Атоми вуглецю і водню представлені чорними і білими сферами відповідно.

Хоча багато елементів складаються з дискретних окремих атомів, деякі існують як молекули, що складаються з двох або більше атомів елемента, хімічно пов'язаних між собою. Наприклад, більшість зразків елементів водню, кисню та азоту складаються з молекул, які містять два атоми кожен (називається двоатомними молекулами) і, таким чином, мають молекулярні формули H _₂, O _{2 та N 2} відповідно. Інші елементи, які зазвичай зустрічаються у вигляді двоатомних молекул, - це фтор (F ₂), хлор (Cl ₂), бром (Br ₂) та йод (I ₂). Найбільш поширена форма елемента сірка складається з молекул, які складаються з восьми атомів сірки; його молекулярна формула - S ₈ (рис.\(\PageIndex{2}\)).

Малюнок\(\PageIndex{2}\): Молекула сірки складається з восьми атомів сірки і тому записується як S ₈. Він може бути представлений як (а) структурна формула, (б) модель кулі та палиці та (c) модель заповнення простору. Атоми сірки представлені жовтими сферами.

Важливо зазначити, що індекс після символу та число перед символом не представляють одне і те ж; наприклад, H ₂ і 2H представляють чітко різні види. Н ₂ - молекулярна формула; вона являє собою двоатомну молекулу водню, що складається з двох атомів елемента, які хімічно пов'язані між собою. Вираз 2H, з іншого боку, вказує на два окремих атома водню, які не об'єднані як одиниця. Вираз 2Н ₂ являє собою дві молекули двоатомного водню (рис.\(\PageIndex{3}\)).

Малюнок\(\PageIndex{3}\): Символи H, 2H, H ₂ і 2H ₂ представляють дуже різні сутності.

Сполуки утворюються при хімічному з'єднанні двох і більше елементів, в результаті чого утворюються зв'язки. Наприклад, водень і кисень можуть реагувати з утворенням води, а натрій і хлор можуть реагувати з утворенням кухонної солі. Ми іноді описуємо склад цих сполук емпіричною формулою, в якій вказуються типи присутніх атомів і найпростіший цільночисловий співвідношення кількості атомів (або іонів) в з'єднанні. Наприклад, діоксид титану (використовується як пігмент в білій фарбі і в густому, білому, блокуючому типі сонцезахисного крему) має емпіричну формулу TiO ₂. Це ідентифікує елементи титану (Ti) і кисень (O) як складові діоксиду титану, і вказує на наявність в два рази більше атомів елемента кисню, ніж атомів елемента титану (рис.\(\PageIndex{4}\)).

Малюнок\(\PageIndex{4}\): (а) Біле з'єднання діоксиду титану забезпечує ефективний захист від сонця. (б) Кристал діоксиду титану, TiO ₂, містить титан і кисень у співвідношенні 1 до 2. Атоми титану сірі, а атоми кисню червоні. (Кредит а: модифікація роботи «кістковим» /Flickr).

Як обговорювалося раніше, ми можемо описати з'єднання з молекулярною формулою, в якій індекси вказують фактичні числа атомів кожного елемента в молекулі сполуки. У багатьох випадках молекулярна формула речовини виходить з експериментального визначення як його емпіричної формули, так і його молекулярної маси (суми атомних мас для всіх атомів, що складають молекулу). Наприклад, експериментально можна визначити, що бензол містить два елементи, вуглець (С) і водень (Н), і що на кожен атом вуглецю в бензолі припадає один атом водню. Таким чином, емпірична формула - СН. Експериментальне визначення молекулярної маси показує, що молекула бензолу містить шість атомів вуглецю і шість атомів водню, тому молекулярна формула бензолу - C ₆ H ₆ (рис.\(\PageIndex{5}\)).

Малюнок\(\PageIndex{5}\): Бензол, С ₆ Н ₆, виробляється при переробці нафти і має безліч промислових застосувань. Молекулу бензолу можна представити у вигляді (а) структурної формули, (б) моделі кулі та палиці та (c) моделі заповнення простору. (г) Бензол - прозора рідина. (Кредит d: модифікація роботи Сахар Атва).

Якщо ми знаємо формулу сполуки, ми можемо легко визначити емпіричну формулу. (Це дещо академічна вправа; зворотна хронологія, як правило, дотримується фактичної практики.) Наприклад, молекулярна формула оцтової кислоти, компонента, що надає оцту його гострий смак, - C ₂ H ₄ O ₂. Ця формула вказує на те, що молекула оцтової кислоти (рис.\(\PageIndex{6}\)) містить два атоми вуглецю, чотири атома водню і два атома кисню. Співвідношення атомів дорівнює 2:4:2. Ділення на найнижчий спільний знаменник (2) дає найпростіший, ціле число співвідношення атомів, 1:2:1, тому емпірична формула - CH ₂ O. Зверніть увагу, що молекулярна формула завжди є цілим числом кратним емпіричній формулі.

Малюнок\(\PageIndex{6}\): (а) Оцет містить оцтову кислоту, C ₂ _{H ₄ O 2}, яка має емпіричну формулу CH ₂ O. Його можна представити у вигляді (б) структурної формули і (в) як модель кульки-палички. (Кредит а: модифікація роботи «HomeSpot HQ» /Flickr)

Приклад\(\PageIndex{1}\): Empirical and Molecular Formulas

Молекули глюкози (цукру в крові) містять 6 атомів вуглецю, 12 атомів водню і 6 атомів кисню. Які молекулярні та емпіричні формули глюкози?

Рішення

Молекулярна формула - C ₆ H ₁₂ O ₆, оскільки одна молекула насправді містить 6 атомів C, 12 H та 6 O. Найпростіше співвідношення цілого числа атомів C до H до O в глюкозі становить 1:2:1, тому емпірична формула - СН ₂ О.

Вправа\(\PageIndex{1}\)

Молекула метальдегіду (пестицид, який використовується для равликів і слимаків) містить 8 атомів вуглецю, 16 атомів водню та 4 атоми кисню. Які молекулярні та емпіричні формули метальдегіду?

Відповідь: Молекулярна формула, C ₈ H ₁₆ O ₄; емпірична формула, C ₂ H ₄ O

Важливо знати, що однакові атоми можуть бути розташовані по-різному: сполуки з однаковою молекулярною формулою можуть мати різний зв'язок атом-атом і, отже, різну структуру. Наприклад, чи може бути інша сполука з тією ж формулою, що і оцтова кислота, C ₂ H ₄ O ₂? І якщо так, то якою буде будова його молекул?

Якщо передбачити, що інша сполука з формулою C ₂ H ₄ O ₂ може існувати, то ви продемонстрували хорошу хімічну проникливість і правильні. Два атоми С, чотири атоми Н та два атоми O також можуть бути організовані для утворення метилформіату, який використовується у виробництві як інсектицид та для швидковисихаючої обробки. Молекули метилформіату мають один з атомів кисню між двома атомами вуглецю, що відрізняється від розташування в молекулах оцтової кислоти. Оцтова кислота і метилформіат є прикладами ізомерів - сполук з тією ж хімічною формулою, але різної молекулярної структури (рис.\(\PageIndex{7}\)). Зверніть увагу, що ця невелика різниця в розташуванні атомів має великий вплив на їх відповідні хімічні властивості. Ви б точно не хотіли використовувати розчин метилформіату в якості замінника розчину оцтової кислоти (оцту), коли будете робити заправку для салатів.

Малюнок\(\PageIndex{7}\): Молекули (а) оцтової кислоти та метилформіату (b) є структурними ізомерами; вони мають однакову формулу (C ₂ H ₄ O ₂), але різну структуру (і, отже, різні хімічні властивості).

Існує безліч видів ізомерів (рис.\(\PageIndex{8}\)). Оцтова кислота і метилформіат - це структурні ізомери, сполуки, в яких молекули відрізняються тим, як атоми з'єднані між собою. Існують також різні типи просторових ізомерів, у яких відносні орієнтації атомів в просторі можуть бути різними. Наприклад, з'єднання карвона (міститься в кмині, м'яті та шкірці мандаринового апельсина) складається з двох ізомерів, які є дзеркальним відображенням один одного. S - (+) -карвон пахне кмином, а R - (−) -карвоне пахне м'ятою.

Малюнок\(\PageIndex{8}\): Молекули карвона є просторовими ізомерами; вони відрізняються лише відносними орієнтаціями атомів у просторі. (кредит внизу ліворуч: модифікація роботи «Miansari66» /Wikimedia Commons; кредит внизу праворуч: модифікація роботи Forest & Kim Starr)

Резюме

Молекулярна формула використовує хімічні символи та індекси для позначення точних чисел різних атомів у молекулі або сполуці. Емпірична формула дає найпростіший, ціле число співвідношення атомів в сполуці. Структурна формула вказує на зв'язок розташування атомів в молекулі. Моделі з кулею та палицею та заповненням простору показують геометричне розташування атомів у молекулі. Ізомери - це сполуки з однаковою молекулярною формулою, але різним розташуванням атомів.

Глосарій

емпірична формула: формула, що показує склад сполуки, заданої як найпростішого співвідношення цілого числа атомів

ізомери: сполуки з однаковою хімічною формулою, але різної структури

молекулярна формула: формула, що вказує на склад молекули з'єднання і дає фактичну кількість атомів кожного елемента в молекулі з'єднання.

просторові ізомери: сполуки, в яких відносні орієнтації атомів в просторі відрізняються

структурний ізомер: одна з двох речовин, які мають однакову молекулярну формулу, але відрізняються фізико-хімічними властивостями, оскільки їх атоми пов'язані по-різному

структурна формула: показує атоми в молекулі і як вони пов'язані