Công thức hóa học

Công thức hóa học thể hiện thông tin về các nguyên tố có mặt trong hợp chất hóa học hoặc đơn chất. Nó cũng mô tả cách các phản ứng hóa học diễn ra.

Đối với phân tử, công thức được gọi là công thức phân tử, bao gồm ký hiệu hóa học của các nguyên tố và số lượng nguyên tử của mỗi nguyên tố trong phân tử.

Khi một phân tử chứa nhiều nguyên tử của cùng một nguyên tố, số lượng nguyên tử được biểu thị bằng chỉ số nhỏ ngay sau ký hiệu hóa học (trái ngược với chỉ số trên thường thấy trong các sách cổ). Đối với các hợp chất ion và các chất không phân tử khác, chỉ số nhỏ cho thấy tỷ lệ giữa các nguyên tố trong công thức kinh nghiệm.

Nhà hóa học Thụy Điển Jons Jakob Berzelius là người đã phát minh ra phương pháp viết các công thức hóa học vào thế kỷ 19.

Công thức hóa học của đơn chất

• Đối với các đơn chất kim loại và khí hiếm, hạt hợp thành là nguyên tử, vì vậy ký hiệu hóa học của nguyên tố cũng chính là công thức hóa học. Ví dụ như Fe, Cu, Ni, Co (kim loại) và He, Ne, Ar, Kr, Xe, Rn (khí hiếm).
• Nhiều phi kim có phân tử cấu thành từ nhiều nguyên tử liên kết với nhau, vì vậy thêm chỉ số nhỏ vào ký hiệu hóa học. Ví dụ như hiđro - H₂, oxi - O₂, ozon - O₃, nitơ - N₂, photpho trắng - P₄,...
• Các phi kim khác đôi khi sử dụng ký hiệu hóa học như công thức. Ví dụ: B, C, Si, S, Se, Te, ...

Phân tử và công thức cấu tạo

• Công thức hóa học của phân tử metan

CH₄

mô tả phản ứng hóa học giữa nguyên tố Carbon và Hydrogen trong một phân tử có 4 nguyên tử Hydrogen liên kết với 1 nguyên tử Carbon

• Phân tử bột nở dùng trong làm bánh (amoni cacbonat)

(NH₄)₂CO₃

mô tả phản ứng hóa học giữa hai nhóm nguyên tử NH₄, gồm hai nguyên tử Nitơ và Oxy liên kết với 1 nguyên tử Carbon và 3 nguyên tử Oxy trong nhóm NH₄

• Phân tử glucozơ

C₆H₁₂O₆

mô tả phản ứng hóa học giữa hai nguyên tố Carbon và Hydrogen trong một phân tử có 12 nguyên tử Hydrogen liên kết với 6 nguyên tử Carbon và 6 nguyên tử Oxy

Công thức hóa học còn cho biết loại liên kết trong hợp chất và cách sắp xếp của các nguyên tử trong không gian.

• Phân tử êtan

CH₃CH₃

có liên kết đơn giữa hai phân tử CH₃

• Phân tử êtylen

CH₂CH₂

có liên kết đôi giữa hai phân tử CH₂. Công thức chính xác của etylen là H₂C=CH₂ hoặc H₂C::CH₂. Hai gạch (hoặc hai cặp dấu chấm) biểu thị một liên kết đôi giữa các nguyên tử. Một liên kết ba có thể được thể hiện bằng ba gạch hoặc ba cặp dấu chấm.

Các phân tử có nhiều nhóm chức cũng được biểu diễn theo cách tương tự

• C₄H₁₀ có thể được biểu diễn theo nhiều dạng khác nhau:

(CH₃)₃CH: mạch phân tử có ba nguyên tử cacbon, với nguyên tử trung tâm liên kết với một nguyên tử cacbon khác (xem hình dưới, các nguyên tử hydro không được thể hiện).

CH₃CH₂CH₂CH₃.

CH₃CH=CHCH₃: cấu trúc này có hai đồng phân tùy thuộc vào vị trí tương đối của hai nhóm mêtyl trong không gian - cùng bên của liên kết đôi (đồng phân cis hay Z) hoặc đối diện nhau qua liên kết đôi (đồng phân trans hay E).

Polyme

Đối với polyme, các mắt xích được đặt trong ngoặc đơn. Ví dụ, một phân tử hydrocarbon có công thức CH₃(CH₂)₅₀CH₃, có 50 mắt xích. Nếu số lượng mắt xích không rõ, có thể sử dụng chữ n như CH₃(CH₂)_nCH₃.

Ion

Đối với các ion, điện tích của nguyên tử được biểu thị bằng chỉ số trên bên phải ký hiệu nguyên tử đó. Ví dụ như Na hoặc Cu. Tổng điện tích của các ion đa nguyên tử cũng được thể hiện tương tự, chẳng hạn như ion hydronium H₃O⁺ hay ion sulfat SO₄^2-.

Đối với các ion phức tạp, sử dụng ngoặc vuông [ ] như [B₁₂H₁₂]. Các ngoặc đơn () có thể đặt bên trong ngoặc vuông để biểu thị các mắt xích như [Co(NH₃)₆].

Nguyên tử bị bao bọc

Ký hiệu @ ('ở') được sử dụng để chỉ nguyên tử hoặc phân tử bị bao bọc bởi một khung nhưng không liên kết hóa học với nó. Ký hiệu này trở nên phổ biến từ những năm 1990 cùng với sự phát hiện ra fulleren, một chất có thể bẫy các nguyên tử, ví dụ như La để tạo thành La@C₆₀ hoặc La@C₈₂. Ví dụ khác là [As@Ni₁₂As₂₀], trong đó một nguyên tử As bị bao bọc bởi 32 nguyên tử khác.