Химическая формула

Хими́ческая фо́рмула — условное обозначение химического состава и структуры соединений с помощью символов химических элементов, числовых и вспомогательных знаков (скобок, тире и т. п.). Химические формулы являются составной частью языка химии, на их основе составляются схемы и уравнения химических реакций, а также химическая классификация и номенклатура веществ.

Химическая формула может обозначать или отражать:

• 1 молекулу или 1 моль вещества;
• качественный состав (из каких химических элементов состоит вещество);
• количественный состав (сколько атомов каждого элемента содержит реальная или условная молекула вещества).

Примеры:

• Формула HNO₃ обозначает:
  • азотную кислоту;
  • 1 молекулу азотной кислоты или 1 моль азотной кислоты;
  • качественный состав: молекула азотной кислоты состоит из водорода, азота и кислорода;
  • количественный состав: в состав молекулы азотной кислоты входят один атом элемента водорода, один атом элемента азота, три атома элемента кислорода.

Виды

В настоящее время различают следующие виды химических формул:

• Простейшая формула. Может быть получена опытным путем через определение соотношения химических элементов в веществе с применением значений атомной массы элементов. Так, простейшая формула воды будет H₂O, а простейшая формула бензола CH (в отличие от C₆H₆ — истинной, см. далее). Атомы в формулах обозначаются знаками химических элементов, а относительное их количество — числами в формате нижних индексов.
• Эмпирическая формула. Разные авторы могут использовать этот термин для обозначения простейшей, истинной или рациональной формулы
• Истинная формула. Может быть получена, если известна молекулярная масса вещества. Истинная формула воды Н₂О, что совпадает с простейшей. Истинная формула бензола С₆Н₆, что отличается от простейшей. Истинные формулы также называют брутто-формулами. Они отражают состав, но не структуру молекул вещества. Истинная формула показывает точное количество атомов каждого элемента в одной молекуле. Этому количеству отвечает индекс — маленькая цифра после символа соответствующего элемента. Если индекс равен 1, то есть в молекуле присутствует только один атом данного элемента, то такой индекс не указывают.
• Рациональная формула. В рациональных формулах выделяются группы атомов, характерные для классов химических соединений. Например, для спиртов выделяется группа -ОН. При записи рациональной формулы такие группы атомов заключаются в круглые скобки (ОН). Количество повторяющихся групп обозначаются числами в формате нижних индексов, которые ставятся сразу за закрывающей скобкой. Квадратные скобки применяются для отражения структуры комплексных соединений. Например, К₄[Co(CN)₆] — гексацианокобальтат калия. Рациональные формулы часто встречаются в полуразвернутом виде, когда часть одинаковых атомов показывается по отдельности для лучшего отражения строения молекулы вещества.
• Структурная формула. В графическом виде показывает взаимное расположение атомов в молекуле. Химические связи между атомами обозначаются линиями. Различают двумерные (2D) и трёхмерные (3D) формулы. Двумерные представляют собой отражение структуры вещества на плоскости. Трёхмерные позволяют наиболее близко к теоретическим моделям строения вещества представлять его состав, взаимное расположение, связи и расстояния между атомами.

Примеры:

• Этанол
  • Простейшая формула С₂Н₆О
  • Истинная, эмпирическая, или брутто-формула: С₂Н₆О
  • Рациональная формула: С₂Н₅ОН
  • Рациональная формула в полуразвернутом виде: СН₃СН₂ОН
  • Структурная формула (2D):

      Н Н
      │ │
    Н—С—С—О—Н
      │ │
      Н Н

Существуют и другие способы записи химических формул. Новые способы появились в конце 1980-х с развитием персональной компьютерной техники (SMILES, WLN, ROSDAL, SLN и др.). В персональных компьютерах для работы с химическими формулами также используются специальные программные средства, называемые молекулярными редакторами.