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 signos más (+) y menos (−). Estos se limitan a una sola línea tipográfica de símbolos, que puede incluir subíndices y superíndices . Una fórmula química no es un nombre químico ya que no contiene ninguna palabra. 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 CH2O ( el doble de átomos de hidrógeno que de carbono y oxígeno ), mientras que su fórmula molecular es C6H12O6 ( 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 que los átomos están unidos químicamente , ya sea en enlaces covalentes , enlaces iónicos o varias combinaciones de estos tipos. Esto es posible si el enlace relevante es fácil de mostrar en una dimensión. Un ejemplo es la fórmula molecular/química 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 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 verdadera fórmula estructural, que es una representación gráfica de la relación espacial entre los átomos en compuestos químicos (ver por ejemplo la figura para fórmulas estructurales y químicas del butano, 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 , incluyendo fructosa , galactosa y manosa . Existen nombres químicos equivalentes lineales que pueden especificar y especifican de forma única cualquier fórmula estructural compleja (ver nomenclatura química ), pero dichos nombres deben usar muchos términos (palabras), en lugar de los simples símbolos de elementos, números y símbolos tipográficos simples que definen una fórmula química.
Las fórmulas químicas se pueden utilizar en ecuaciones químicas para describir reacciones químicas y otras transformaciones químicas, como la disolución de compuestos iónicos en una solución. Si bien, como se ha señalado, las fórmulas químicas no tienen todo el poder de las fórmulas estructurales para mostrar las relaciones químicas entre átomos, son suficientes para llevar un registro de la cantidad de átomos y de cargas eléctricas en las reacciones químicas, lo que permite equilibrar las ecuaciones químicas para que estas ecuaciones se puedan utilizar en problemas químicos que impliquen la conservación de átomos y la conservación de la carga eléctrica.
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 proporciones con el elemento clave. Para los compuestos moleculares, estos números de proporción se pueden expresar como números enteros. Por ejemplo, la fórmula empírica del etanol se puede escribir C 2 H 6 O porque 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 completamente de números enteros. Un ejemplo es el carburo de boro , cuya fórmula de CB n es una proporción variable de números no enteros con n que varía de más de 4 a más de 6,5.
Cuando el compuesto químico de la fórmula consiste en 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, excepto en el caso de sustancias muy simples, las fórmulas químicas moleculares carecen de la información estructural necesaria y son ambiguas.
En el caso de 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 representarse mediante la fórmula química condensada CH 3 CH 2 OH y el éter dimetílico mediante 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 utilizar para representar compuestos iónicos que no existen como moléculas discretas, pero que, no obstante, contienen grupos unidos covalentemente en su interior. Estos iones poliatómicos son grupos de átomos que están unidos covalentemente y tienen una carga iónica general, como el ion sulfato [SO 4 ] 2− . Cada ion poliatómico de un compuesto se escribe individualmente para ilustrar las agrupaciones separadas. Por ejemplo, el compuesto hexóxido de dicloro tiene una fórmula empírica ClO 3 y una fórmula molecular Cl 2 O 6 , pero en forma líquida o sólida, este compuesto se muestra de manera más correcta mediante una fórmula iónica condensada [ClO 2 ] + [ClO 4 ] − , que ilustra que este compuesto consta de iones [ClO 2 ] + e iones [ClO 4 ] − . En tales casos, la fórmula condensada solo necesita ser lo suficientemente compleja como 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 según las reglas que lo sustentan, especifica completamente la fórmula estructural de la glucosa, pero el nombre no es una fórmula química como se entiende habitualmente, 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.
En química , la fórmula empírica de una sustancia química 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 las macromoléculas, como SiO2 . Una fórmula empírica no hace referencia a la isomería , la estructura o el 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 C 6 H 14 , y (para uno de sus isómeros, n-hexano) una fórmula estructural CH 3 CH 2 CH 2 CH 2 CH 2 CH 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 para el hexano es C 3 H 7 . Del mismo modo, la fórmula empírica para el peróxido de hidrógeno , H 2 O 2 , es simplemente HO , expresando la relación 1:1 de los elementos componentes. El formaldehído y el ácido acético tienen la misma fórmula empírica, CH 2 O . Esta es también la fórmula molecular del formaldehído, pero el ácido acético tiene el doble de átomos.
Al igual que los otros tipos de fórmulas que se detallan a continuación, una fórmula empírica muestra la cantidad de elementos en una molécula y determina si es un compuesto binario , un compuesto ternario , un compuesto cuaternario o tiene incluso más elementos.
Las fórmulas moleculares simplemente indican la cantidad 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 que por lo demás pueden tener cantidades mayores. Un ejemplo de la diferencia es la fórmula empírica para la glucosa, que es CH2O ( ratio 1 : 2 :1), mientras que su fórmula molecular es C6H12O6 ( número de átomos 6 : 12 :6). Para el agua, ambas fórmulas son H2O . Una fórmula molecular proporciona más información sobre una molécula que su fórmula empírica, pero es más difícil de establecer.
Además de indicar el número de átomos de cada molécula de un elemento, una fórmula estructural indica cómo están organizados los átomos y muestra (o implica) los enlaces químicos entre ellos. Existen múltiples tipos de fórmulas estructurales centradas en diferentes aspectos de la estructura molecular.
Los dos diagramas muestran dos moléculas que son isómeros estructurales entre sí, ya que ambas tienen la misma fórmula molecular C 4 H 10 , pero tienen diferentes fórmulas estructurales como se muestra.
La conectividad de una molécula suele tener una fuerte influencia en sus propiedades físicas y químicas y en su comportamiento. Dos moléculas compuestas por la misma cantidad de átomos del mismo tipo (es decir, un par de isómeros ) pueden tener propiedades químicas y/o físicas completamente diferentes si los átomos están conectados de forma diferente o en posiciones diferentes. En tales casos, una fórmula estructural resulta útil, ya que ilustra qué átomos están unidos a otros. A partir de la conectividad, a menudo es posible deducir la forma aproximada de la molécula .
Una fórmula condensada (o semiestructural) 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 unidos entre sí mediante un enlace simple, y cada átomo de carbono tiene tres átomos de hidrógeno unidos a él. Su fórmula química se puede representar como 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 es 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 ellas.
Un triple enlace puede expresarse con tres líneas ( HC≡CH ) o tres pares de puntos ( HC:::CH ), y si puede haber ambigüedad, se puede utilizar 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 puede escribirse (CH 3 ) 3 CH . Esta fórmula estructural condensada implica una conectividad diferente de 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 metilo ( CH 3 ). Se puede utilizar el mismo número de átomos de cada elemento (10 hidrógenos y 4 carbonos, o C 4 H 10 ) para formar una molécula de cadena lineal, n - butano : CH 3 CH 2 CH 2 CH 3 .
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 ). [1]
Como se ha señalado anteriormente, para representar las fórmulas estructurales completas de muchos compuestos orgánicos e inorgánicos complejos, puede ser necesaria una nomenclatura química que vaya mucho más allá de los recursos disponibles utilizados anteriormente en fórmulas condensadas simples. Véase la nomenclatura de la química orgánica de la IUPAC y la nomenclatura de la química inorgánica de la IUPAC de 2005 para ver ejemplos. Además, los sistemas de denominación lineal como el Identificador químico internacional (InChI) permiten que una computadora construya una fórmula estructural, y el sistema simplificado de entrada de líneas de entrada molecular (SMILES) permite una entrada ASCII más legible para los humanos. Sin embargo, todos estos sistemas de nomenclatura van más allá de los estándares de las fórmulas químicas y, técnicamente, son sistemas de denominación química, no sistemas de fórmulas. [2]
En el caso de los polímeros en fórmulas químicas condensadas, se colocan paréntesis 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 repetitivas. Si el número de unidades repetitivas es desconocido o variable, se puede utilizar la letra n para indicar esta fórmula: CH 3 (CH 2 ) n CH 3 .
En el caso de los iones , la carga de un átomo en particular se puede indicar con un superíndice a la derecha. Por ejemplo, Na + o Cu2 + . La carga total de una molécula cargada o un ion poliatómico también se puede mostrar de esta manera, como en el caso del hidronio , H3O + , o del sulfato , SO2−4Aquí se utilizan + y − en lugar de +1 y −1, respectivamente.
Para iones más complejos, los corchetes [ ] se utilizan a menudo para encerrar la fórmula iónica, como en [B 12 H 12 ] 2− , que se encuentra en compuestos como el dodecaborato de cesio , Cs 2 [B 12 H 12 ] . Los paréntesis ( ) se pueden anidar dentro de corchetes para indicar una unidad repetida, como en Cloruro de hexamminocobalto (III) , [Co(NH 3 ) 6 ] 3+ Cl−3Aquí, (NH 3 ) 6 indica que el ion contiene seis grupos amina ( 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 hexamminocobalto (III) puede escribirse como [Co(NH 3 ) 6 ] 3+ Cl−3o [Co(NH 3 ) 6 ]Cl 3 . Los corchetes, al igual que 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, 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 haz, 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 .
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 radiactivo-32 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 utiliza un subíndice de la izquierda de forma redundante para indicar el número atómico . Por ejemplo, 8 O 2 para dioxígeno y16
8Oh
2 para las especies isotópicas más abundantes de dioxígeno. Esto es conveniente al escribir ecuaciones para reacciones nucleares , para mostrar el equilibrio de carga con mayor claridad.
El símbolo @ ( arroba ) 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) se representaría simplemente como MC 60 independientemente de si M estaba dentro del fulereno 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 que no es un fulereno es [As@Ni 12 As 20 ] 3− , un ion en el que un átomo de arsénico (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 fulerenos ( fulerenos endoédricos ), que pueden atrapar átomos como La para formar, por ejemplo, La@C 60 o La@C 82. Los autores han explicado la elección del símbolo como conciso, 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 fulereno endoédrico.
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. Una fórmula de este tipo se puede escribir utilizando fracciones decimales , como en Fe 0,95 O , o puede incluir una parte variable representada por una letra, como en Fe 1− x O , donde x normalmente es mucho menor que 1.
Una fórmula química utilizada para una serie de compuestos que difieren entre sí por una unidad constante se denomina fórmula general . Genera una serie homóloga de fórmulas químicas. Por ejemplo, los alcoholes pueden representarse mediante la fórmula C n H 2 n + 1 OH ( n ≥ 1), dando como resultado los homólogos metanol , etanol , propanol para 1 ≤ n ≤ 3.
El sistema Hill (o notación Hill) es un sistema de escritura de fórmulas químicas empíricas, fórmulas químicas moleculares y componentes de una fórmula condensada, de modo que primero se indica el número de átomos de carbono en una molécula , luego el número de átomos de hidrógeno y, a continuación, el número de todos los demás elementos químicos , 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 según la cantidad de átomos de cada elemento presente en la fórmula según estas reglas, y tratar las diferencias en los elementos o números anteriores como más significativas que las diferencias en cualquier elemento o número posterior (como ordenar cadenas de texto en orden lexicográfico ), es posible cotejar las 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 los 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 organizada alfabéticamente, como se muestra arriba, con los 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:
Fórmula química (P274) (ver usos )
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