In der Chemie ist die Bruttoformel die kompakteste Schrift, die eine chemische Verbindung oder einen einfachen Körper beschreibt . Rohformeln, zum Beispiel C 2 H 6 O.für Ethanol werden in chemischen Gleichungen verwendet , um chemische Reaktionen zu beschreiben . Zwischennotationen zwischen den rohen und halbentwickelten Formeln ermöglichen eine bessere Lesbarkeit, während sie kompakt bleiben, wie bei Ethanol die Schreibweise C 2 H 5 OH. Viele andere Informationen als die Stöchiometrie der Elemente können in einer Rohformel vorliegen ( Oxidationszahl , Isotopenmarkierung oder partielle Strukturinformationen) und werden nach Regeln der Internationalen Union für reine und angewandte Chemie (IUPAC) verwaltet.
Dieser Artikel beschränkt den Begriff der Bruttoformel auf alle Darstellungen chemischer Formeln, die online geschrieben wurden und keine chemische Bindung aufweisen . Die Anwesenheit von chemischen Bindungen in einer Formel ist in den Artikeln bedeckt Ebene Strukturformel , die Strukturformel und Darstellung von Molekülen .
Das Schreiben von groben Formeln als Ersatz für die seit dem Mittelalter geltenden alchemistischen Schriften ergibt sich aus einer Abfolge mehrerer Stufen.
Die erste Stufe in der modernen Schrift von Rohformeln ist die Entdeckung chemischer Elemente durch Antoine Lavoisier . Indem dieser französische Chemiker zeigte, dass alle Körper aus Elementen oder Prinzipien bestehen , ebnete er den Weg für eine neue Denkweise über Materie.
Die zweite Stufe war die Einrichtung einer neuen Nomenklatur für die Chemie. Die ersten Chemiker, die die Bedeutung dieser neuen Denkweise über chemische Körper verstanden, waren Joseph Black im Jahr 1784, Claude Louis Berthollet im Jahr 1785, Louis-Bernard Guyton-Morveau und Antoine-François Fourcroy im Jahr 1786 und 1787. Mit diesen letzten drei Lavoisier entwickelte 1787 eine neue chemische Nomenklatur, die Methode der chemischen Nomenklatur . Die alten Namen wurden durch einen Namen ersetzt, der die chemischen Elemente (zum Beispiel Grünspan wurde zu Kupfercarbonat , ebenda, S.141) oder Radikale ( Nitrat , Sulfat , Citrat ) selbst verwendete, die auf chemischen Elementen basierten (zum Beispiel wurde Tonvitriol zu Aluminiumoxidsulfat, ibid S.142).
Die dritte Stufe ist der Übergang von der Nomenklatur zu chemischen Symbolen, wie wir sie kennen, H, C, O usw. Es ist dem ersten Analytiker-Chemiker Jöns Jacob Berzelius im Jahre 1813 zu verdanken . Die Rohformeln oder empirischen Formeln unterscheiden sich von den verwendeten nur dadurch, dass die Zahlen, die wir in den Index schreiben, von diesem schwedischen Chemiker als Exponent (CO 2 anstelle von CO 2) geschrieben wurden).
Das Schreiben chemischer Formeln wird jetzt von IUPAC in seiner Veröffentlichung Nomenclature of Inorganic Chemistry (Spitzname Red Book ) verwaltet. Es werden empirische Formeln, Molekülformeln, Strukturformeln und Additionsformeln unterschieden (siehe unten). Die Reihenfolge, in der die chemischen Elemente geschrieben werden, wird ebenfalls angegeben.
Die verschiedenen Arten von Formeln sind nützlich, um die Darstellung chemischer Spezies über die Gesamtzusammensetzung hinaus zu vervollständigen . Der einfache Schwefelkörper der empirischen Formel S besteht beispielsweise aus Molekülen, die 8 Atome zusammenfassen, was durch die Summenformel S 8 spezifiziert wird. Strukturformeln wie Ca 3 (PO 4 ) 2Geben Sie für Calciumphosphat an , wie Atome innerhalb der chemischen Spezies im Gegensatz zur Rohformel (Ca 3 P 2 O 8) organisiert sind in diesem Beispiel).
Die empirische Formel eines Körpers wird durch das Nebeneinander von Atomsymbolen mit den entsprechenden Indizes (ganzen Zahlen) gebildet, die das einfachste Schreiben der Formel ermöglichen, die die chemische Zusammensetzung angibt. Die Reihenfolge des Auftretens der Symbole ist alphabetisch geordnet , außer im Fall von Verbindungen, die Kohlenstoff enthalten , für die C und H zuerst bzw. zweitens angegeben sind.
Struktur von Wasserstoffperoxid, Summenformel H 2 O 2 und empirische Formel OH
Unterschiedliche Darstellungen von Benzol der Rohformel C 6 H 6 : Strukturformel; zwei topologische Formeln; kompaktes molekulares Modell
Strukturformel von Ozon, Strukturformel O 3
Die ionischen Feststoffe enthalten keine unterschiedlichen Moleküle, aber Ionen interagieren elektrostatisch mit vielen Nachbarn. Ihre rohen Formeln werden dann durch empirische Formeln gut beschrieben. Für alle diese Verbindungen spiegelt die chemische Formel einfach die Anteile der Atome in der Verbindung wider. Das Kation wird zuerst platziert, gefolgt vom Anion . Beispiel: Na und Cl ergeben NaCl.
Beispiele:
Für molekulare Verbindungen, bei denen es sich um Substanzen handelt, die aus voneinander getrennten Molekülen bestehen, geben molekulare Formeln im Gegensatz zu den oben definierten empirischen Formeln die tatsächliche Zusammensetzung des Moleküls an. Dies ist bei den meisten in der organischen Chemie vorkommenden Verbindungen und vielen anorganischen Verbindungen der Fall . Diese Formel kann auch für Polymere verwendet werden , wobei jedoch mit einem Index n angegeben wird, dass die Anzahl der Einheiten von einem Molekül zum anderen variabel ist.
Die Summenformel gibt die Anzahl der Atome an , aus denen ein Molekül besteht . Es gibt keine Auskunft über die Anordnung der Atome, aus denen es besteht. Somit kann eine Rohformel im Fall von Isomeren mehreren verschiedenen Molekülen entsprechen .
Die Atome, aus denen das Molekül besteht, sind mit ihren chemischen Symbolen gekennzeichnet . Ihre Nummer wird als Index für jedes Symbol angegeben. Die empfohlene Reihenfolge ist die alphabetische Reihenfolge der Symbole mit einer Ausnahme: Kohlenstoff und Wasserstoff in organischen Produkten werden immer zuerst und in dieser Reihenfolge aufgeführt, gefolgt von den anderen Atomen in alphabetischer Reihenfolge.
Das Propan besteht aus drei Kohlenstoffatomen (C markiert) und acht Atom von Wasserstoff (H bezeichnet), hat es die folgende empirische Formel: C 3 H 8.
Die folgenden Beispiele zeigen den Unterschied zwischen Summenformel und Summenformel.
Die empirische Formel für Ethylen lautet CH 2.
Die empirische Formel für Butan lautet C 2 H 5.
Anorganische VerbindungenDie empirische Formel für Sauerstoff lautet O 2.
Die empirische Formel für Kalomel lautet HgCl.
Strukturformel des NO 2 -DimersDistickstofftetroxid der Rohformel N 2 O 4.
Molekülmodell von Ferrocen, einer anorganischen Verbindung mit der Summenformel (C 5 H 5 ) 2 Fe.
Die Strukturformel gibt teilweise oder vollständige Informationen darüber, wie die Atome eines Moleküls im Raum verbunden und angeordnet sind. In einfachen Fällen liefert eine Inline-Formel, die nur eine Folge von Atomsymbolen ist (daher eine Rohformel), Strukturinformationen, die es dem Leser ermöglichen, Strukturinformationen zu decodieren.
Zum Beispiel Wasserstoffperoxid mit der Summenformel H 2 O 2 kann mit der Strukturformel HOOH geschrieben werden, die die Kette der Atome angibt: HOOH.
Sobald die Struktur der Verbindung komplexer ist, müssen Klammern eingefügt werden, um Mehrdeutigkeiten zu vermeiden. IUPAC empfiehlt sieben Schreibregeln, zum Beispiel:
Rhodiumkomplex mit Brückenliganden (Präfix µ) der Summenformel [{Rh (µ-Cl) (CO) 2 } 2 ]
Je nach Formelklasse müssen mehrere Regeln angewendet werden. Beispielsweise folgt die Schreibreihenfolge chemischer Elemente nicht den gleichen Regeln für binäre Verbindungen oder Verbindungen mit einem Zentralatom .
Zwei Prinzipien steuern die Reihenfolge des Auftretens der Elemente in einer Rohformel:
(Bei gleichem Anfangsbuchstaben ist die Reihenfolge wie im Beispiel B, Ba, Be.)
Für letztere ist es eine Elektronegativität im Sinne der folgenden Tabelle und nicht im Sinne von Mulliken , Pauling usw.
Dinge, die zuerst zitiert werden müssen | Rn | Xe | Kr | Ar | Geboren | Hallo |
---|---|---|---|---|---|---|
Element, das als nächstes zitiert werden soll | Fr. | Cs | Rb | K. | N / A | Li |
usw. | Ra | Ba | Sr. | Es | Mg | Sein |
Lr → Ac | Lu → La | Y. | Sc | |||
Rf | Hf | Zr | Ti | |||
Db | Ihre | Nb | V. | |||
Sg | W. | Mo. | Cr | |||
Bh | Re | Tc | Mn | |||
Hs | Knochen | Ru | Fe | |||
Mt. | Ir | Rh | Co. | |||
Ds | Pt | Pd | Oder | |||
Rg | Beim | Ag | Cu | |||
Hg | CD | Zn | ||||
Tl | Im | Ga | Al | B. | ||
Pb | Sn | Ge | Ja | VS | ||
Beachten Sie die Position von H. | Bi | Sb | As | P. | NICHT | H. |
Po | Sie | Se | S. | Ö | ||
Beim | ich | Br | Cl | F. |
Für eine binäre Verbindung ist die Reihenfolge die der Elektronegativität im Sinne der obigen Tabelle. Also musst du schreiben:
Die Koordinationsverbindungen oder Verbindungen des Zentralatoms werden beginnend mit den Liganden zur Überwachung des Zentralatoms alphabetisch nach Symbol oder Abkürzung des Liganden geschrieben. Beispielsweise :
Es ist zu beachten, dass in diesem letzten Beispiel das Ändern der Formel des Ethylendiaminliganden durch seine Abkürzung die Reihenfolge des Auftretens der Liganden in der Formel ändert.
Verbindungen, deren Atome eine Kette bilden, werden in der (chemischen) Reihenfolge der Kette geschrieben. Beispielsweise :
Die Salze müssen die Formel oder das Symbol des Kations vor dem Anion haben . Wenn mehrere Kationen vorhanden sind, ist die Rangfolge alphabetisch, die gleiche gilt für die Anionen. Beispielsweise :
Die IUPAC spezifiziert nicht die Verwendung von Klammern und Klammern.
Unter diesem Namen gruppiert IUPAC Doppelsalze , Hydrate usw. Wasser wird immer zuletzt geschrieben und die verschiedenen Salze müssen in zunehmender Menge und zu gleichen Teilen in alphabetischer Reihenfolge geschrieben werden. Die verschiedenen Entitäten sind durch einen Punkt getrennt [zumindest in der englischen Nomenklatur]. Wenn also zwei Salze SEL1 und SEL2 zugeordnet sind, schreiben Sie (SEL2) (SEL1) 3und nicht (SEL1) 3 (SEL2). Beispielsweise :
Die Isotopenmodifikation ist in den Formeln angegeben. Drei Fälle sind möglich: der Fall des Atoms, der einer spezifisch markierten Verbindung oder einer selektiv markierten Verbindung.
Die Masse eines Nuklids wird hochgestellt vor dem entsprechenden Symbol geschrieben. Zum Beispiel 2 H, 35 Cl.
Eine Verbindung wird spezifisch markiert, wenn eine einzelne isotopensubstituierte Verbindung formal zu der nicht modifizierten analogen Verbindung hinzugefügt wird. [...] Das Isotop wird in Klammern angegeben, möglicherweise mit einem Multiplikationsindex. Dies ist der Fall, wenn 20% CDCl 3 in gewöhnlichem CHCl 3 vorhanden sind . beispielsweise
Eine selektiv markierte Verbindung kann als eine Mischung spezifisch markierter Verbindungen angesehen werden. Es wird dargestellt, indem der Formel das Symbol des Nuklids vorangestellt wird, ohne dass ein Index in Klammern multipliziert wird . Beispielsweise :
Einige Marker geben Auskunft über die Oxidationszahl , die Stereochemie usw.
Die Oxidationszahl eines Elements in einer Formel kann durch einen Exponenten rechts neben dem Symbol in römischen Ziffern angegeben werden (mit Ausnahme der durch 0 angegebenen Oxidationszahl Null). Wenn dasselbe Element mehrere Oxidationszahlen in derselben Formel hat, wird es wiederholt, jede mit ihrer Oxidationszahl. Beispielsweise :
Ein Radikal ist ein Atom oder ein Molekül mit einem oder mehreren ungepaarten Elektronen. Es kann berechnet werden oder nicht. Ungepaarte Elektronen sind in der Formel mit einem Exponentenpunkt angegeben.
Beispiele:
Zeichen einer optischen Drehung können angezeigt sein. Es steht in Klammern und die Wellenlänge in nm kann auch rechts als Index angegeben werden. Diese optionalen Informationen werden vor die Formel gestellt.
Beispiel:
Die angeregten elektronischen Zustände sind rechts durch ein hochgestelltes Sternchen gekennzeichnet. Beispiel NO *
Strukturdeskriptoren ( cis , trans usw.) können in den Rohformeln vorhanden sein. Solche Deskriptoren sind normalerweise kursive Präfixe, die durch einen Bindestrich von der Formel getrennt sind. Das Symbol µ kennzeichnet ein Brückenatom . Beispiele:
Diese letzte Formel zeigt, dass zwei Komplexe Cr (NH 3 ) 5 sind durch einen HO-Liganden (durch das O-Atom) verbunden.
Cis-Platin, Plan-Quadrat-Komplex von Platin mit der Strukturformel cis - [PtCl 2 (NH 3 ) 2 ]
Platinoktaedrischer Komplex der Strukturformel trans - [PtCl 4 (NH 3 ) 2 ]
Zweikerniger Chromkomplex mit einem verbrückenden Hydroxidliganden der Strukturformel [(H 3 N) 5 Cr (µ-OH) Cr (NH 3 ) 5 ]5+
Eine Rohformel wird durch Elementaranalyse bestimmt . Diese Analyse ergab sich lange Zeit aus Titrationen . Es erfolgt in zwei Schritten:
Die Verbindung, deren Bruttoformel bestimmt werden soll, ist mineralisiert . Wenn es sich beispielsweise um einen Kohlenwasserstoff handelt, wird eine genau bekannte Masse m dieser Verbindung verbrannt und in CO 2 umgewandeltund H 2 O.. Die Verbrennungsprodukte werden durch konzentrierte Schwefelsäure geleitet, die Wasser und nicht CO 2 fixiert .. Die Zunahme der Masse gibt Auskunft über die Menge an H 2 O.daher von H in der untersuchten Formel. Dann sprudeln die Verbrennungsprodukte in einer genau bekannten Menge Soda . Das Kohlendioxid (das eine Säure ist ) wird so neutralisiert . Eine Rücksäure-Base-Dosierung der Soda (mit Salzsäure bekannter Stärke) ergibt die Menge an CO 2Produkt und damit Kohlenstoff in der Verbindung. Eine solche Analyse zeigt, dass in der Masse m der Verbindung die Massen m H des Elements Wasserstoff und m C des Elements Kohlenstoff vorhanden sind.
Um die Rohformel aus der empirischen Formel abzuleiten, müssen wir entweder:
Die ersten Elementaranalysen aus dem frühen XIX - ten Jahrhundert. Es wurden sehr clevere Methoden zur Bestimmung der Elementzusammensetzung von Körpern beschrieben, insbesondere von organischen. Diese Ergebnisse hingen von der Verbesserung des Wissens in der organischen Chemie ab, insbesondere im Wissen über Naturstoffe.
So beschreibt Étienne Henry in einem Buch von 1833, wie er eine Elementaranalyse organischer Verbindungen durchführt. Eine genau abgewogene Masse wird in ein Gerät eingeführt, das gemäß den durchzuführenden Analysen sorgfältig mit "Feuer" mit verschiedenen Verbindungen gereinigt wurde: Kupferoxid, Kupfer, Glaspulver usw. Bei der Zersetzung entsteht eine Mischung von Gasen, die verarbeitet werden müssen und deren Volumen mit großer Präzision geschätzt wird. Die Bestimmung eines Volumens ist meist genauer als die der entsprechenden Masse. Beispielsweise :
Heutzutage wird die Elementaranalyse einer Verbindung spezialisierten Laboratorien anvertraut. Physiko-chemische Methoden (wie Atomabsorptionsspektrometrie ) haben chemische Titrationen ersetzt.
Die Veröffentlichung, die die Synthese einer neuen Verbindung beschreibt, kann nicht ohne eine elementare Bestimmung auskommen. Ein zu großer Unterschied zwischen der experimentellen Elementaranalyse und der aus der angeblichen Rohformel berechneten zeigt entweder an, dass die Verbindung nicht rein ist oder dass sie nicht die richtige ist. In beiden Fällen kann die Veröffentlichung nicht akzeptiert werden.