فرمول شیمیایی چیست و چه کاربردی دارد؟

فرمول شیمیایی علامتی است که دانشمندان از آن برای نشان دادن تعداد و نوع اتم های موجود در یک مولکول با نمادهای اتمی و زیرنویس های عددی استفاده می کنند. فرمول شیمیایی یک نمایش ساده از مولکول سه بعدی است و دقیقاً اتم های تشکیل دهنده یک ماده را توصیف می کند.

ما هر روز با مواد و ترکیبات شیمیایی زیادی روبرو می شویم. موادی که در زیر سینک آشپزخانه قرار دارند و  از آنها برای تمیز کردن خانه ها استفاده می کنیم یا مواد اصلی در کابینت داروها همگی از مواد شیمیایی تشکیل شده اند. این مواد شیمیایی از نسبت ثابتی از اتم ها تشکیل شده اند و این اتم ها به روشی خاص مرتب شده اند. برای اینکه بفهمیم این نسبت ها چگونه است و چطور ترتیب آنها برای هر ماده خاصی تنظیم شده است ، باید فرمول شیمیایی مواد مختلف یا ترکیب را بدانیم و یاد بگیریم چگونه فرمول شیمیایی بنویسیم. برای کسب اطلاعات بیشتر در این رابطه با ما در نشریه جهان شیمی فیزیک همراه باشید.

تاریخچه کشف فرمول شیمیایی

دویست سال پیش یونس یعقوب برزلیوس ، شیمی دان سوئدی ، یک سیستم نمادین برای توصیف ترکیبات شیمیایی مواد معرفی کرد. نمادها ، معمولاً دو حرف اول یا اول نام عنصر ، همراه با اعداد برای نشان دادن مقادیر نسبی اتم های موجود از آن عنصر هستند. عناصر موجود در این فرمولها با + پیوند می خورند. بنابراین ، اکسید مس به شکل Cu + O و آب به ۲H + O نشان داده شد. این فرمول ها رمز و راز ترکیب شیمیایی و کمبود اطلاعات کمی را در آن زمان از بین برد. سیستم برزلیوس طی سالها به فرمول های شیمیایی تبدیل شد که امروزه می شناسیم.

معادلات و فرمول های شیمیایی بخشی حیاتی در یادگیری علم  شیمی  هستند. توانایی استفاده صحیح از آنها بخشی از معنی شیمی دان بودن است. فرمول ها و معادلات به دانشمندان اجازه می دهد تا دانش شیمیایی خود را به طور موثری با دیگران به اشتراک بگذارند.

ویژگی فرمول شیمیایی

سه فرم اساسی از فرمول شیمیایی وجود دارد که شامل  فرمول تجربی ، فرمول مولکولی و فرمول ساختاری هستند.  هر یک از این فرمول های شیمیایی اطلاعات کمی متفاوتی در مورد ترکیب یک ماده و سرنخ از شکل سه بعدی آن و چگونگی تعامل آن با سایر مولکول ها ، اتم ها و یون ها را ارائه می دهد.

در فرمول شیمیایی تمام مواد حروف نشان دهنده نماد اتمی است. زیرنویس تعداد هر اتم را نشان می دهد ، در حالی که رونویس بار موجود در یک اتم معین را نشان می دهد. ضریب قبل از یک فرمول شیمیایی نشان دهنده تعداد اتم ها در واحد مولکول است. انواع مختلف فرمول شیمیایی کمی متفاوت خوانده می شوند و می توان انواع آنها را در جدول های فرمول شیمیایی دید.

انواع فرمول شیمیایی

فرمول تجربی

فرمول تجربی نشان دهنده تعداد نسبی اتمهای هر عنصر در ترکیب می باشد. بعضی از ترکیبات مانند آب ، فرمول تجربی و مولکولی یکسانی دارند ، زیرا آنها کوچک هستند و نسبت اتمی آنها در مولکول ها و تعداد اتم های یک مولکول برابر است. فرمول تجربی و مولکولی آب H2O است.

فرمول تجربی با توجه به وزن هر اتم درون مولکول تعیین می شود. بنابراین ، برای یک مولکول بزرگتر مانند پراکسید هیدروژن ، فرمول تجربی فقط نسبت اتم ها را به این شکل HO: نشان می دهد با این حال ، این فرمول شیمیایی تجربی فقط پایه اساسی مولکول را نشان می دهد. در حقیقت ، دو مولکول HO: گرد هم می آیند و یک مولکول پراکسید هیدروژن را تشکیل می دهند.

فرمول مولکولی

فرمول مولکولی برای نشان دادن تعداد واقعی اتم ها در هر مولکول استفاده می شود. بنابراین ، برای پراکسید هیدروژن فرمول مولکولی بدین ترتیب است: H2O2

همانطور که می بینید این امر تا حدودی ساختار واقعی پراکسید هیدروژن را اشتباه نشان می دهد. در حالی که فرمول شیمیایی تجربی نشان می دهد که این مولکول دارای دو اتم اکسیژن است که در وسط به هم متصل شده اند ، اما فرمول مولکولی این مسئله را کاملاً ارائه نمی دهد. با این حال ، فرمول مولکولی اغلب برای توصیف مولکول ها استفاده می شود ، فقط به این دلیل که راحت است و پس از شناسایی فرمول آنها می توان بیشتر درباره  مولکول ها جستجو کرد.

فرمول ساختاری و تراکمی

فرمول ساختاری یک مولکول، یک فرمول شیمیایی با پیچ و تاب هنری تر است که پیوندهای واقعی بین مولکول ها را نشان می دهد این به خواننده کمک می کند تا بفهمد که چگونه اتم های مختلف به هم متصل شده اند و مولکول در فضا چگونه حالت گرفته است.  فرمول شیمیایی ساختاری  انواع مختلفی دارد که دو مورد آن در زیر ذکر شده است.

ساده ترین روش ، روش نقطه الکترون می باشد که از برای نشان دادن پیوندهای بین اتم ها استفاده می کند. این فرمول با دقت بیشتری شکل واقعی اتم ها را در داخل یک مولکول نشان می دهد. در مورد آب ، فرمول نقطه الکترون به صورت زیر است:

H: O: H

فرمول شیمیایی دیگر ، فرمول پیوند- خط است که پیوندهای بین اتم ها را نیز نشان می دهد. به جای نشان دادن هر الکترون مشترک ، از یک خط برای تعیین یک جفت الکترون مشترک بین اتم ها استفاده می شود. فرمول پیوند خط آب به شکل زیر است:

H-O-H

دانشمندان حال حاضر فرمول و شکل های بسیار پیشرفته تری از مولکول ها ارائه داده اند ، از جمله مدل های سه بعدی توپ و چوب ، مدل های پر کننده فضا و حتی مدل هایی که چگالی الکترون اتم ها را در نظر می گیرند. این مدلهای پیشرفته نه تنها اتمهای موجود و تعداد آنها ، بلکه زوایا ، اندازه ها و فاصله های بین اتمهای یک مولکول را نیز در نظر می گیرند. مدل توپی و چوبی آب در زیر ارائه شده است که  حتی قطبیت مولکول را به تصویر کشیده است ، زیرا اتم اکسیژن تمایل به جذب بیشتر الکترون دارد.

در فرمول ساختاری برای نشان دادن گروه عاملی مولکول ‌ها از پرانتز استفاده می شود مثلا ایزو بوتان به شکل (CH3)CH(CH3)CH نشان داده می شود.

سیستم هیل برای نمایش فرمول شیمیایی

از این روش برای نوشتن فرمول‌ تجربی، مولکولی و ساختاری- تراکمی استفاده می شود. در این روش ابتدا تعداد اتم کربن، بعد هیدروژن و پس از آن سایر عناصر یک ترکیب به ترتیب الفبا نوشته می ‌شوند. اگر ترکیب مورد نظر فاقد اتم کربن باشد، همه عناصر به ترتیب الفبا می شوند. این روش در سال ۱۹۰۰ توسط ادوین هیل ابداع شد و مورد استفاده گسترده قرار گرفت. نمونه ای از کاربرد این روش را می توانید در فرمول ترکیباتی مانندCH3I ، BrI و  CCl4مشاهده کنید.

روش محاسبه جرم مولکولی از طریق فرمول شیمیایی

یکی از کاربردهای مهم حاصل شده از فرمول شیمیایی، محاسبه جرم مولکولی است. جرم مولکولی یک مولکول مجموع تمام اتمهای مختلف درون آن می باشد. هر ماده، دارای جرم مولکولی خاصی است که با توجه به ترکیب خاص آن تعیین می شود.

برای تعیین جرم مولکولی یک ماده ، فرمول شیمیایی زیر را در نظر بگیرید. فرمول هر اتم موجود را به راحتی نمایش می دهد. حتماً اعداد قید شده را، در تعداد اتم های هر مولکول ضرب کنید. اعداد زیرنویس هر اتم تعداد آنها را نشان خواهد داد. برخی از مولکول های بزرگ با چندین گروه مشابه چیزی مانند مثال زیر را نشان می دهند:

C (OH) 4

در این حالت ، چهار گروه (OH) وجود دارد ، نه ۴ اتم هیدروژن. باید اطمینان حاصل کنید که این را هنگام محاسبه جرم مولکولی در نظر می گیرید. از جرم مولکولی می توان برای شناسایی مواد ، توزین مناسب مواد برای آزمایشات و انجام تعدادی از محاسبات مربوط به انرژی درگیر در واکنش های شیمیایی استفاده کرد. دانشمندان اغلب بدون نیاز به توضیح شیمی پایه در هر مقاله ، از فرمول شیمیایی به عنوان ذخیره کننده بسیاری از این اطلاعات استفاده می کنند.