Установление молекулярной и структурной формулы вещества

Молекулярная формула (также называемая брутто-формулой) используется в химии для обозначения типа и количества атомов в химическом соединении. Если соединение состоит из дискретных молекул, молекулярная формула указывает их состав. Однако для таких соединений, как соли, молекулярная формула соответствует формульной единице, указывающей стехиометрический состав. Молекулярная формула часто не то же самое, что простейшая формула, которая определяет наименьшее возможное соотношение чисел атомов химических элементов, входящих в химическое соединение.

Молекулярная формула химического соединения состоит из символов химических элементов, а также подстрочных арабских цифр для указания их количества в этом соединении. Количество атомов всегда помещается в виде индекса справа от символа элемента, при этом число «1» не пишется. Таким образом, для воды вместо «H₂O₁» указывается «H₂O».

Если соединение состоит из дискретных молекул, молекулярная формула указывает состав молекулы. Молекулярная формула дитиодихлорида — S₂Cl₂, а этана C₂H₆. Простейшие формулы для этих веществ SCl и СН₃ соответственно ^[1].

Существуют разные способы упорядочивания элементов в молекулярных формулах. В таблицах и базах данных — особенно для органических соединений — обычно предпочтительнее использовать систему Хилла, согласно которой сначала указываются атомы углерода, затем атомы водорода, а затем все остальные атомы, отсортированные по алфавиту. Эта система упрощает поиск соединений, если вы не знаете их название.

Для неорганических соединений часто выбирают другой путь, который учитывает стехиометрический состав соединений: элемент с более высокой электроотрицательностью (обычно правее или выше в периодической таблице) находится справа от элемента с более низким значением электроотрицательности (как в молекулярной формуле, так и в названии вещества). Например, хлорид натрия обозначается как «NaCl», а не «ClNa».

В случае комплексных солей сначала указывается катион с центральным атомом и его лигандами, а затем анион с центральным атомом и его лигандами; например, (NH₄)₂SO₄ для сульфата аммония^[2]. Неорганические кислоты указываются аналогично родственным солям. Атомы водорода находятся впереди вместо катионов, как в случае H₃PO₄, молекулярной формулы ортофосфорной кислоты. Эти формулы представляют собой формульные единицы для стехиометрических расчетов, но не отображают структуру соединений.

• В хлориде натрия NaCl мольное соотношение натрия к хлору равно n(Na) : n(Cl) = 1 : 1. Молекулярная формула хлорида натрия ничего не говорит о структуре соединения (см. иллюстрация).
• В оксиде алюминия Al₂O₃ мольное соотношение n(Al) : n(O) = 2 : 3.
• H₂O, молекула воды, состоит из двух атомов водорода (H) и атома кислорода (O) (соотношение 2 : 1);
• H₂SO₄, молекула серной кислоты, состоит из двух атомов водорода, одного атома серы (S) и 4 атомов кислорода (соотношение 2 : 1 : 4).
• В гексане C₆H₁₄ мольное соотношение n(C) : n(H) = 6 : 14 = 3 : 7. Следовательно, простейшая формула молекулы гексана будет C₃H₇. Однако такие формулы не указывают реальное количество атомов в молекуле и поэтому зачастую неоднозначны.

В случае простых соединений молекулярная формула часто совпадает с простейшей, которая использует наименьшие возможные целые числа.

Молекулярные формулы также используются при формулировании уравнений химических реакций. Исходные и конечные продукты реакции (реагенты и продукты) в реакционной схеме в неорганической химии обычно указываются в виде молекулярных формул. Они составляют основу стехиометрических расчетов. Молекулярные формулы редко используются в органической химии, так как они почти не содержат информации, важной для протекания реакций с участием органических соединений^[3].

Установление молекулярной и структурной формулы вещества необходимо для описания состава и строения молекулы, которые важны для характеристики веществ. Знание молекулярной и структурной формулы очень важно для понимания химических процессов и прогнозирования возможных реакций.