Fórmula química
Uma fórmula química é uma representação da composição de uma substância ou de uma espécie química, feita com símbolos químicos, números e outros sinais. Ela informa quais elementos estão presentes e suas proporções ou quantidades de átomos. Dependendo do tipo de fórmula, também pode fornecer informações sobre as ligações e a disposição dos átomos. As fórmulas empíricas, moleculares e estruturais são tipos de fórmulas químicas.
Imagem: Mikel Agirregabiria Agirre · BY-NC-SA · Openverse
Uma fórmula química indica cada elemento constituinte por seu símbolo e informa sua quantidade relativa de átomos. Os números escritos como subscritos após um símbolo são chamados de índices. Quando o índice é 1, ele normalmente é omitido. Em H2O, por exemplo, o índice 2 se aplica ao hidrogênio, enquanto a ausência de índice após O corresponde a um átomo de oxigênio. Nas fórmulas empíricas, os índices expressam a menor proporção inteira entre os elementos. A fórmula empírica do etanol é C2H6O, pois a proporção entre seus dois átomos de carbono, seis de hidrogênio e um de oxigênio não pode ser reduzida. Nem todo sólido, porém, possui composição fixa. O carbeto de boro apresenta uma faixa de composição frequentemente expressa entre aproximadamente B4C e B10,5C. Em sólidos iônicos, a fórmula informa a proporção entre os íons de uma rede cristalina. A unidade de fórmula do cloreto de sódio é NaCl, correspondente à proporção de um íon sódio para um íon cloreto. Ela não é uma molécula discreta do sólido. Parênteses podem agrupar átomos aos quais se aplica um mesmo índice. Assim, Al2(SO4)3, a fórmula do sulfato de alumínio, indica dois átomos de alumínio, três de enxofre e doze de oxigênio na proporção expressa pela fórmula.
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Em 1814, Jöns Jacob Berzelius apresentou um sistema que empregava a primeira letra, ou letras distintivas, dos nomes latinos dos elementos como símbolos químicos. Entre os exemplos estavam C para carbono, O para oxigênio e S para enxofre. As quantidades de átomos podiam ser indicadas por números escritos acima dos símbolos, em vez dos índices inferiores usados nas fórmulas posteriores. Em 1818 e 1819, Berzelius modificou sua notação com pontos e barras. Pontos acima dos símbolos podiam indicar oxigênio, enquanto uma barra podia duplicar a quantidade do elemento. Essas convenções foram usadas em edições de seu manual, embora trouxessem dificuldades de composição tipográfica e de leitura em voz alta.
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Nas fórmulas de polímeros, um trecho repetitivo da cadeia pode ser colocado entre colchetes ou parênteses, acompanhado de um índice n. A fórmula abreviada pode omitir os grupos terminais. A unidade constitucional repetitiva é o menor grupo de átomos cuja repetição constitui uma macromolécula regular. O agrupamento de trechos repetidos também pode abreviar a fórmula de uma molécula de tamanho definido. O hidrocarboneto CH3(CH2)50CH3 contém cinquenta grupos CH2 entre dois grupos terminais CH3. Quando essa quantidade é desconhecida ou variável, pode-se escrever CH3(CH2)nCH3. O emprego de n indica a quantidade de grupos repetidos, sem estabelecer, por si só, que a substância seja um polímero. Para íons, a carga elétrica é indicada por um sobrescrito à direita da fórmula. Exemplos são Na+ e Cu2+. A carga total de um íon poliatômico pode ser indicada da mesma forma, como no hidrônio, H3O+, ou no sulfato, SO2–4. A magnitude precede o sinal, e o número 1 é omitido nas cargas unitárias.
Fórmula empírica
Em química, a fórmula empírica de um composto expressa a menor proporção inteira entre os átomos de seus elementos. Ela é usada para compostos iônicos, como CaCl2, e para sólidos de rede covalente, como o quartzo, SiO2, nos quais não há moléculas discretas com essa composição. Uma fórmula empírica não informa o isomerismo, a estrutura ou o número absoluto de átomos de uma molécula. O termo empírico se relaciona à análise elementar, técnica da química analítica usada para determinar a composição de uma substância em termos de seus elementos. O hexano possui fórmula molecular C6H14 e, no caso do isômero n-hexano, fórmula condensada CH3CH2CH2CH2CH2CH3, que indica uma cadeia de seis átomos de carbono e catorze de hidrogênio. Sua fórmula empírica, porém, é C3H7. Da mesma forma, a fórmula empírica do peróxido de hidrogênio, H2O2, é HO. O formaldeído e o ácido acético têm a mesma fórmula empírica, CH2O. Essa também é a fórmula molecular do formaldeído, enquanto a molécula do ácido acético possui o dobro de átomos de cada elemento, C2H4O2.
Fórmula molecular
As fórmulas moleculares indicam o número de átomos de cada elemento presente em uma molécula. Elas coincidem com as fórmulas empíricas quando os índices já se encontram na menor proporção inteira possível. A fórmula empírica da glicose é CH2O, uma proporção de 1:2:1, enquanto sua fórmula molecular é C6H12O6, com seis átomos de carbono, doze de hidrogênio e seis de oxigênio. Para a água, as duas fórmulas são H2O. A determinação da fórmula molecular requer informação adicional à proporção entre os elementos. Uma maneira de obtê-la é combinar a fórmula empírica com a massa molar do composto. A razão entre a massa molar e a massa correspondente à fórmula empírica fornece o fator inteiro pelo qual seus índices devem ser multiplicados.
Fórmula estrutural
Uma fórmula estrutural mostra ou permite deduzir a conectividade de uma molécula, isto é, quais átomos estão ligados entre si. Ela pode fornecer informações parciais ou completas sobre a estrutura, dependendo da notação empregada. Os diagramas do butano e do isobutano mostram moléculas que são isômeros estruturais entre si. As duas possuem a fórmula molecular C4H10, mas seus átomos de carbono estão ligados de maneiras diferentes. Uma estrutura de Lewis, também chamada de fórmula eletrônica, representa elétrons de valência e ligações. Pares de elétrons não ligantes costumam ser indicados por pares de pontos, enquanto um par compartilhado pode ser representado por dois pontos ou por um traço entre os átomos.
Fórmula condensada
A conectividade de uma molécula afeta suas propriedades físicas e químicas. Duas moléculas formadas pelo mesmo número de átomos dos mesmos elementos podem ter propriedades diferentes quando esses átomos estão ligados de outra maneira. Uma fórmula estrutural mostra essas ligações, embora a conectividade, sozinha, nem sempre determine uma única geometria molecular. Uma fórmula condensada agrupa átomos sem desenhar todas as ligações. O etano é formado por dois átomos de carbono unidos por uma ligação simples, cada um ligado a três átomos de hidrogênio, e pode ser escrito como CH3CH3. No etileno, os carbonos estão unidos por uma ligação dupla, e cada um possui dois hidrogênios. A escrita CH2CH2 deixa a ligação dupla implícita, enquanto H2C=CH2 a mostra diretamente.
Fórmula cristaloquímica
As fórmulas químicas usuais de cristais inorgânicos omitem informações estruturais úteis para cristalógrafos e mineralogistas, como a dimensionalidade de suas sub-redes, o símbolo poliédrico do poliedro de coordenação de cada átomo e a conectividade entre as subunidades. O poliedro de coordenação expressa a disposição dos átomos da primeira esfera de coordenação. A União Internacional de Cristalografia propôs uma notação de fórmula cristaloquímica que acrescenta essas informações de maneira opcional. O quartzo, a sílica fibrosa e a stishovita têm a composição SiO2, mas suas fórmulas cristaloquímicas distinguem as estruturas desses polimorfos. O quartzo pode ser escrito como ∞ 3 [ S i [ 4 t ] ⌈ 1 ; 4 ⌋ O 2 ] {\displaystyle {}_{\infty }^{3}[\mathrm {Si} ^{[4t]\lceil 1;4\rfloor }\mathrm {O} _{2}]} . O símbolo à esquerda indica uma rede tridimensional. Cada átomo de silício possui coordenação tetraédrica, e cada tetraedro SiO4 compartilha um átomo de oxigênio com cada um de quatro tetraedros vizinhos.
Nomes químicos e as limitações das fórmulas
O alceno 2-buteno possui dois estereoisômeros que não podem ser distinguidos apenas pela fórmula condensada CH3CH=CHCH3. A posição relativa dos grupos metila precisa ser indicada por uma notação adicional. No cis-2-buteno, os grupos estão do mesmo lado da ligação dupla, enquanto no trans-2-buteno estão em lados opostos. Para esse composto, essas configurações correspondem a Z e E, respectivamente. Para especificar a estrutura de muitos compostos orgânicos e inorgânicos, pode ser necessário recorrer a recursos que não estão presentes em uma fórmula condensada simples. A nomenclatura IUPAC de compostos orgânicos e a de compostos inorgânicos empregam nomes e descritores para essa finalidade. Esses nomes não se confundem com fórmulas moleculares.
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Um isótopo pode ser especificado pelo número de massa em sobrescrito à esquerda do símbolo do elemento. Essa notação é usada em química nuclear e em trabalhos com isótopos estáveis. O íon fosfato que contém fósforo-32, por exemplo, é [32PO4]3-. Uma molécula de oxigênio formada por átomos de oxigênio-18 e oxigênio-16 pode ser escrita 18O16O. O número atômico pode ser acrescentado em subscrito à esquerda. Assim, 8 16 O {\displaystyle {}_{8}^{16}\mathrm {O} } indica o nuclídeo oxigênio-16, enquanto 8 16 O 2 {\displaystyle {}_{8}^{16}\mathrm {O} _{2}} indica uma molécula de dioxigênio com esse isótopo. O número de massa e o número atômico são usados no balanceamento de equações de reações nucleares, junto com as partículas emitidas ou absorvidas.
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O símbolo @, a arroba, pode indicar um átomo ou uma molécula encapsulado em uma gaiola. Um buckminsterfulereno, C60, que contém um átomo M tem composição global MC60, mas essa fórmula não informa se M está dentro ou fora da gaiola. A escrita M@C60 indica sua posição no interior. A notação de encapsulamento não estabelece, por si só, a natureza das interações entre o átomo aprisionado e a gaiola. Um exemplo que não envolve uma gaiola de carbono é o íon [As@Ni12@As20]3–, também representado por [As@Ni12As20]3–. Ele possui um átomo central de arsênio, envolvido por um conjunto de doze átomos de níquel e uma camada externa de vinte átomos de arsênio. O conjunto contém 33 átomos, dos quais 32 compõem as duas camadas externas. A notação com @ foi proposta em 1991 no estudo de fulerenos contendo metais, com exemplos como La@C60 e La@C82, que contêm lantânio. A escolha permitia uma escrita curta e fácil de transmitir eletronicamente, pois a arroba faz parte do ASCII, além de sugerir visualmente um átomo no interior da gaiola.
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Os compostos não estequiométricos podem apresentar variações de composição dentro de uma mesma fase cristalina. Sua fórmula pode expressar uma composição média por índices fracionários ou empregar uma variável para indicar a faixa de composição. A wüstite, por exemplo, pode ser escrita Fe1−xO. Uma composição particular pode ser representada por Fe0,95O. Nessas fórmulas, o índice fracionário expressa uma proporção média no sólido, não uma fração de átomo dentro de uma molécula. A não estequiometria diz respeito à variação de composição da fase e não apenas à possibilidade de escrever ou não uma razão de números inteiros.
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Uma fórmula usada para uma série de compostos que diferem entre si por uma unidade constante é chamada de fórmula geral. Ela pode expressar uma série homóloga. Os álcoois saturados, acíclicos e com uma única hidroxila podem ser representados por CnH2n + 1OH, em que n é um inteiro igual ou superior a 1. Essa fórmula não abrange todos os álcoois, como os que possuem anéis, insaturações ou mais de uma hidroxila. Para n igual a 1, 2 e 3, obtêm-se as fórmulas do metanol, CH3OH, do etanol, C2H5OH, e dos propanóis, C3H7OH. A fórmula geral indica a composição dos membros da série, mas não distingue seus isômeros.
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O sistema de Hill, ou notação de Hill, ordena os símbolos em fórmulas de composição com o carbono primeiro, o hidrogênio em seguida e os demais elementos em ordem alfabética de seus símbolos. Quando a fórmula não contém carbono, todos os elementos, inclusive o hidrogênio, são ordenados alfabeticamente. Essa ordem é empregada em índices e bancos de dados e não pretende indicar a conectividade dos átomos. As fórmulas também podem ser organizadas em listas segundo essa ordem. Comparam-se os símbolos e os números de átomos sucessivamente, de modo que a primeira diferença determina a posição da fórmula. Os índices são comparados como números, não como sequências de algarismos. O procedimento é semelhante à ordem lexicográfica, mas respeita os símbolos dos elementos como unidades. O sistema foi publicado por Edwin A. Hill, do Escritório de Patentes e Marcas dos Estados Unidos, em 1900. Símbolos de uma letra precedem os de duas letras que começam pela mesma letra. Assim, B vem antes de Be, que vem antes de Br.
