Chemia

Wzór molekularny jest reprezentacją cząsteczki, która wykorzystuje symbole chemiczne do wskazania typów atomów, po których następują indeksy, aby pokazać liczbę atomów każdego typu w cząsteczce. (Indeks dolny jest używany tylko wtedy, gdy obecny jest więcej niż jeden atom danego typu). Wzory molekularne są również używane jako skróty nazw związków chemicznych.

Wzór strukturalny związku podaje te same informacje co wzór molekularny (typy i liczby atomów w cząsteczce), ale pokazuje również, jak atomy są połączone w cząsteczce. Wzór strukturalny metanu zawiera symbole dla jednego atomu C i czterech atomów H, co wskazuje na liczbę atomów w cząsteczce (Rysunek 1). Linie reprezentują wiązania, które utrzymują atomy razem. (Wiązanie chemiczne to przyciąganie między atomami lub jonami, które utrzymuje je razem w cząsteczce lub krysztale). Omówimy wiązania chemiczne i zobaczymy, jak przewidzieć rozmieszczenie atomów w cząsteczce później. Na razie wystarczy wiedzieć, że linie wskazują, w jaki sposób atomy są połączone w cząsteczce. Model kulisty pokazuje geometryczne rozmieszczenie atomów z rozmiarami atomów bez skali, a model wypełniający przestrzeń pokazuje względne rozmiary atomów.

Ale wiele pierwiastków składa się z dyskretnych, pojedynczych atomów, niektóre istnieją jako cząsteczki składające się z dwóch lub więcej atomów pierwiastka chemicznie połączonych razem. Na przykład, większość próbek pierwiastków wodoru, tlenu i azotu składa się z cząsteczek zawierających po dwa atomy (zwanych cząsteczkami dwuatomowymi) i dlatego mają wzory cząsteczkowe odpowiednio H2, O2 i N2. Inne pierwiastki powszechnie występujące jako cząsteczki dwuatomowe to fluor (F2), chlor (Cl2), brom (Br2) i jod (I2). Najczęstszą formą pierwiastka siarki są cząsteczki składające się z ośmiu atomów siarki; jej wzór cząsteczkowy to S8 (Rysunek 2).

Należy zauważyć, że indeks dolny następujący po symbolu i liczba przed symbolem nie reprezentują tego samego; na przykład H2 i 2H reprezentują wyraźnie różne gatunki. H2 jest wzorem molekularnym; reprezentuje dwuatomową cząsteczkę wodoru, składającą się z dwóch atomów tego pierwiastka, które są chemicznie połączone. Wyrażenie 2H, z drugiej strony, oznacza dwa oddzielne atomy wodoru, które nie są połączone jako jednostka. Wyrażenie 2H2 reprezentuje dwie cząsteczki wodoru dwuatomowego (Rysunek 3).

Związki tworzą się, gdy dwa lub więcej elementów łączy się chemicznie, co prowadzi do powstania wiązań. Na przykład, wodór i tlen mogą reagować tworząc wodę, a sód i chlor mogą reagować tworząc sól kuchenną. Czasami opisujemy skład tych związków za pomocą wzoru empirycznego, który wskazuje rodzaje obecnych atomów i najprostszy stosunek liczb całkowitych do liczby atomów (lub jonów) w związku. Na przykład, dwutlenek tytanu (używany jako pigment w białej farbie i w gęstych, białych, blokujących rodzajach filtrów przeciwsłonecznych) ma wzór empiryczny TiO2. Określa to pierwiastki tytan (Ti) i tlen (O) jako składniki dwutlenku tytanu i wskazuje na obecność dwukrotnie większej liczby atomów pierwiastka tlenu niż atomów pierwiastka tytanu (rysunek 4).

Jak już wcześniej wspomniano, możemy opisać związek za pomocą wzoru cząsteczkowego, w którym indeksy wskazują rzeczywiste liczby atomów każdego pierwiastka w cząsteczce związku. W wielu przypadkach wzór cząsteczkowy substancji jest wyprowadzany z doświadczalnego określenia zarówno jej wzoru empirycznego, jak i masy cząsteczkowej (sumy mas atomowych wszystkich atomów tworzących cząsteczkę). Na przykład, można doświadczalnie ustalić, że benzen zawiera dwa pierwiastki, węgiel (C) i wodór (H), oraz że na każdy atom węgla w benzenie przypada jeden atom wodoru. Zatem wzór empiryczny to CH. Doświadczalne określenie masy cząsteczkowej ujawnia, że cząsteczka benzenu zawiera sześć atomów węgla i sześć atomów wodoru, więc wzór cząsteczkowy dla benzenu to C6H6 (Rysunek 5).

Jeśli znamy wzór związku, możemy łatwo wyznaczyć wzór empiryczny. (Jest to w pewnym sensie ćwiczenie akademickie; w praktyce zazwyczaj stosuje się odwrotną chronologię). Na przykład, wzór cząsteczkowy kwasu octowego, składnika nadającego octowi ostry smak, to C2H4O2. Wzór ten wskazuje, że cząsteczka kwasu octowego (Rysunek 6) zawiera dwa atomy węgla, cztery atomy wodoru i dwa atomy tlenu. Stosunek atomów wynosi 2:4:2. Dzieląc przez najmniejszy wspólny mianownik (2) otrzymujemy najprostszy, całoliczbowy stosunek atomów, 1:2:1, a więc wzór empiryczny to CH2O. Zauważ, że wzór cząsteczkowy jest zawsze wielokrotnością wzoru empirycznego.

Ważne jest, aby mieć świadomość, że może być możliwe, aby te same atomy były ułożone w różny sposób: Związki o tym samym wzorze cząsteczkowym mogą mieć różne wiązania atom-atom, a zatem różne struktury. Na przykład, czy może istnieć inny związek o takim samym wzorze jak kwas octowy, C2H4O2? A jeśli tak, to jaka byłaby struktura jego cząsteczek?

Jeśli przewidziałeś, że inny związek o wzorze C2H4O2 może istnieć, to wykazałeś się dobrą znajomością chemii i masz rację. Dwa atomy C, cztery atomy H i dwa atomy O mogą być również ułożone tak, aby utworzyć mrówczan metylu, który jest stosowany w produkcji, jako środek owadobójczy i do szybkoschnących wykończeń. Cząsteczki mrówczanu metylu mają jeden z atomów tlenu pomiędzy dwoma atomami węgla, co różni się od układu w cząsteczkach kwasu octowego. Kwas octowy i mrówczan metylu są przykładami izomerów – związków o tym samym wzorze chemicznym, ale różnej strukturze molekularnej (Rysunek 8). Należy zauważyć, że ta niewielka różnica w ułożeniu atomów ma duży wpływ na ich właściwości chemiczne. Z pewnością nie chcielibyście używać roztworu mrówczanu metylu jako substytutu roztworu kwasu octowego (octu) podczas robienia sosu sałatkowego.

Istnieje wiele rodzajów izomerów (Rysunek 9). Kwas octowy i mrówczan metylu są izomerami strukturalnymi, czyli związkami, w których cząsteczki różnią się sposobem połączenia atomów ze sobą. Istnieją również różne rodzaje izomerów przestrzennych, w których względne orientacje atomów w przestrzeni mogą być różne. Na przykład, związek karwon (występujący w kminku, mięcie i skórkach pomarańczy mandarynki) składa się z dwóch izomerów, które są lustrzanymi odbiciami siebie nawzajem. S-(+)-karwon pachnie jak kminek, a R-(-)-karwon pachnie jak mięta.

Wzór cząsteczkowy wykorzystuje symbole chemiczne i indeksy, aby wskazać dokładną liczbę różnych atomów w cząsteczce lub związku. Wzór empiryczny podaje najprostszy, całoliczbowy stosunek atomów w związku. Wzór strukturalny wskazuje układ wiązań atomów w cząsteczce. Modele kulkowo-klejowe i wypełniające przestrzeń pokazują geometryczne rozmieszczenie atomów w cząsteczce. Izomery są związkami o tym samym wzorze molekularnym, ale różnym rozmieszczeniu atomów.