Formula chimică

Formula chimică scrie substanța cu ajutorul simbolurilor elementelor și al unor numere mici, numite indici, așezate în dreapta jos. Indicele arată câți atomi din elementul respectiv sunt într-o moleculă (sau într-o unitate de formulă): în ${\mathrm{H}}_2\mathrm{O}$ sunt doi atomi de hidrogen și unul de oxigen, în $\mathrm{C}{\mathrm{O}}_2$ unul de carbon și doi de oxigen, în ${\mathrm{H}}_2\mathrm{S}{\mathrm{O}}_4$ doi de hidrogen, unul de sulf și patru de oxigen. Numărul scris în fața formulei se numește coeficient și arată câte molecule avem: $3{\mathrm{H}}_2\mathrm{O}$ înseamnă trei molecule de apă, deci $6$ atomi de hidrogen și $3$ atomi de oxigen. Indicele face parte din substanță; coeficientul numai numără moleculele. Dacă formula are paranteză, indicele din afara ei înmulțește tot ce se află înăuntru: $\mathrm{Ca}(\mathrm{OH}{)}_2$ are un atom de calciu, doi de oxigen și doi de hidrogen, adică $5$ atomi. Masa moleculară relativă $M$ este suma maselor atomice relative din formulă: $M(\mathrm{C}{\mathrm{O}}_2)=12+2\cdot 16=44$.

Și substanțele simple au formule: oxigenul din aer este ${\mathrm{O}}_2$, azotul ${\mathrm{N}}_2$, ozonul ${\mathrm{O}}_3$, iar metalele se scriu doar cu simbolul ($\mathrm{Fe}$, $\mathrm{Cu}$, $\mathrm{Al}$).

Raportul atomic este raportul numărului de atomi din formulă: pentru $\mathrm{A}{\mathrm{l}}_2{\mathrm{O}}_3$, aluminiu : oxigen $=2:3$. Raportul masic ține seama și de masa fiecărui atom ($A_{\mathrm{H}}=1$, $A_{\mathrm{C}}=12$, $A_{\mathrm{N}}=14$, $A_{\mathrm{O}}=16$, $A_{\mathrm{Al}}=27$): în apă, hidrogen : oxigen $=2\cdot 1:16=1:8$, deși raportul atomic este $2:1$. Cele două rapoarte sunt diferite.

Compoziția procentuală arată câte grame din fiecare element se află în $100$ g de substanță. Pentru elementul $\mathrm{E}$ cu $k$ atomi în formulă:

unde $M$ este masa moleculară relativă a substanței. Suma procentelor tuturor elementelor este $100\%$.

Caz în pași. Îngrășământul azotat de amoniu $\mathrm{N}{\mathrm{H}}_4\mathrm{N}{\mathrm{O}}_3$ ($A_{\mathrm{H}}=1$, $A_{\mathrm{N}}=14$, $A_{\mathrm{O}}=16$). Ce procent de azot conține și ce masă de azot se află în $200$ g de îngrășământ?

1. Numărăm atomii: $2$ de azot, $4$ de hidrogen, $3$ de oxigen.
2. Masa moleculară relativă: $M=2\cdot 14+4\cdot 1+3\cdot 16=80$.
3. Procentul de azot: $28/80\cdot 100=35\%$. Hidrogenul are $4/80\cdot 100=5\%$, iar oxigenul $48/80\cdot 100=60\%$; suma este $100\%$.
4. Masa de azot din $200$ g: $200\cdot 35/100=70$ g.

Formula brută și formula moleculară. Formula brută (empirică) exprimă cel mai mic raport întreg dintre atomii elementelor, iar formula moleculară arată numărul real de atomi din moleculă. Formula moleculară este un multiplu întreg al celei brute: $M=n\cdot M_{\text{bruta˘}}$, de unde $n=M/M_{\text{bruta˘}}$. Pentru compușii ionici, formula este întotdeauna una brută, pentru că nu există molecule izolate, ci unități de formulă ($\mathrm{NaCl}$, $\mathrm{A}{\mathrm{l}}_2{\mathrm{O}}_3$). Formula de structură (plană) arată în plus modul în care sunt legați atomii între ei.

Cum se află formula din procente. Se pornește de la $100$ g de substanță, deci masele elementelor în grame sunt egale numeric cu procentele. Se împarte fiecare masă la masa atomică (rezultă cantitatea de substanță), apoi toate valorile se împart la cea mai mică și se aduc la numere întregi. Raporturi ca $1:1,5$ se înmulțesc cu $2$, iar $1:1,33$ cu $3$.

Exemplul 1: o hidrocarbură. Un compus conține $85,7\%$ carbon și $14,3\%$ hidrogen, iar masa lui molară este $56$ g/mol.

1. În $100$ g de probă: $n(\mathrm{C})=85,7/12=7,14$ mol și $n(\mathrm{H})=14,3/1=14,3$ mol.
2. Împărțim la cea mai mică valoare: $7,14/7,14=1$ și $14,3/7,14=2,00$; formula brută este $\mathrm{C}{\mathrm{H}}_2$, cu $M_{\text{bruta˘}}=14$ g/mol.
3. $n=56/14=4$, deci formula moleculară este ${\mathrm{C}}_4{\mathrm{H}}_8$.
4. Verificare: $4\cdot 12/56=85,7\%$ carbon, ceea ce confirmă datele.

Exemplul 2: un compus cu trei elemente. O sare conține $43,4\%$ sodiu, $11,3\%$ carbon și $45,3\%$ oxigen.

1. $n(\mathrm{Na})=43,4/23=1,89$ mol; $n(\mathrm{C})=11,3/12=0,942$ mol; $n(\mathrm{O})=45,3/16=2,83$ mol.
2. Împărțim la $0,942$: $2,00:1:3,01$, deci raportul întreg este $2:1:3$.
3. Formula este $\mathrm{N}{\mathrm{a}}_2\mathrm{C}{\mathrm{O}}_3$, carbonatul de sodiu. Verificare: $M=2\cdot 23+12+3\cdot 16=106$, iar $46/106=43,4\%$ sodiu.

Exemplul 3: raport care cere înmulțire. Un oxid de fier conține $70\%$ fier și $30\%$ oxigen ($A_{\mathrm{Fe}}=56$).

1. $n(\mathrm{Fe})=70/56=1,25$ mol și $n(\mathrm{O})=30/16=1,875$ mol.
2. Raportul $1,25:1,875=1:1,5$ nu este în numere întregi; înmulțim cu $2$ și obținem $2:3$.
3. Formula este $\mathrm{F}{\mathrm{e}}_2{\mathrm{O}}_3$. Raportul masic fier : oxigen este $112:48=7:3$.

În magnetit, $\mathrm{F}{\mathrm{e}}_3{\mathrm{O}}_4$, procentul de fier este $168/232\cdot 100=72,4\%$, deci mai mare decât cel din $\mathrm{F}{\mathrm{e}}_2{\mathrm{O}}_3$ ($70\%$).

Exemplul 4: formula dintr-un raport masic. Un oxid de sulf are raportul masic sulf : oxigen $=2:3$ ($A_{\mathrm{S}}=32$, $A_{\mathrm{O}}=16$).

1. Alegem mase proporționale cu raportul: $2$ g sulf și $3$ g oxigen.
2. $n(\mathrm{S})=2/32=0,0625$ mol și $n(\mathrm{O})=3/16=0,1875$ mol.
3. Raportul atomic este $0,0625:0,1875=1:3$, deci formula este $\mathrm{S}{\mathrm{O}}_3$.

Exemplul 5: masa substanței pornind de la masa elementului. Câte kilograme de $\mathrm{F}{\mathrm{e}}_2{\mathrm{O}}_3$ conțin $14$ kg de fier?

1. Procentul de fier din $\mathrm{F}{\mathrm{e}}_2{\mathrm{O}}_3$ este $70\%$ (exemplul 3), deci $100$ kg de substanță conțin $70$ kg de fier.
2. Proporția: $70$ kg fier $\leftrightarrow$ $100$ kg $\mathrm{F}{\mathrm{e}}_2{\mathrm{O}}_3$; $14$ kg fier $\leftrightarrow$ $x$ kg.
3. $x=14\cdot 100/70=20$ kg $\mathrm{F}{\mathrm{e}}_2{\mathrm{O}}_3$.

Aceeași proporție, citită în sens invers, dă masa de element dintr-o probă de masă cunoscută, ca în cazul îngrășământului din prima parte a lecției.

Greșeli frecvente

• Greșit: Formula brută $\mathrm{C}{\mathrm{H}}_2\mathrm{O}$ dovedește că molecula conține exact un atom de carbon.
  Corect: arată doar raportul minim; la masa molară $180$ g/mol formula este ${\mathrm{C}}_6{\mathrm{H}}_{12}{\mathrm{O}}_6$.
• Greșit: Procentele masice se folosesc direct ca indici.
  Corect: fiecare masă se împarte mai întâi la masa atomică a elementului.
• Greșit: În ${\mathrm{H}}_2\mathrm{O}$ raportul hidrogen : oxigen este $2:1$, deci și masele sunt în raportul $2:1$.
  Corect: $2:1$ este raportul atomic; raportul masic este $2\cdot 1:16=1:8$.
• Greșit: $2{\mathrm{H}}_2\mathrm{O}$ și ${\mathrm{H}}_4{\mathrm{O}}_2$ sunt același lucru.
  Corect: $2{\mathrm{H}}_2\mathrm{O}$ înseamnă două molecule de apă; ${\mathrm{H}}_4{\mathrm{O}}_2$ ar fi o singură particulă cu patru atomi de hidrogen și doi de oxigen, nu două molecule de apă. Apa oxigenată, de exemplu, are formula ${\mathrm{H}}_2{\mathrm{O}}_2$ și este altă substanță decât apa.
• Greșit: Compoziția procentuală depinde de cantitatea de substanță luată.
  Corect: este aceeași pentru orice probă pură; $\mathrm{N}{\mathrm{H}}_4\mathrm{N}{\mathrm{O}}_3$ conține $35\%$ azot și în $1$ g, și în $200$ kg.

Înainte și după