Formula chimica

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Una formula chimica è una rappresentazione sintetica che descrive quali e quanti atomi vanno a comporre una molecola (o una unità minima) di una sostanza (formula bruta), nonché la loro disposizione nello spazio (formula di struttura).

Nella formula bruta ogni tipo di elemento chimico è identificato attraverso il suo simbolo chimico. Il numero di atomi di ogni elemento presente nella molecola viene indicato con un numero subscritto se è diverso da uno, altrimenti viene omesso.

Per esempio il metano, una molecola semplice che consiste in un atomo di carbonio legato a quattro atomi di idrogeno ha formula bruta

CH₄

Il glucosio, con sei atomi di carbonio, dodici di idrogeno e sei di ossigeno ha formula bruta

C₆H₁₂O₆

Mentre l'unica informazione trasmessa dalla formula bruta riguarda gli elementi e le loro proporzioni, una formula di struttura fornisce anche informazioni sui tipi di legami e la disposizione spaziale degli atomi della molecola.

Gli atomi vengono rappresentati dai loro simboli ed i legami tra essi tramite tratti semplici, doppi o tripli. In funzione dell'informazione che la formula deve trasmettere, questa può rappresentare più o meno fedelmente l'esatta geometria della molecola.

Una formula di struttura permette di distinguere due o più isomeri, cioè due o più sostanze composte dai medesimi elementi nelle medesime proporzioni, ma i cui atomi sono spazialmente arrangiati in modo diverso.

Un semplice esempio di formula di struttura è rappresentato dall'etano, che consiste di due atomi di carbonio legati tramite legame singolo fra loro ed in cui ognuno è legato a tre atomi di idrogeno. Una possibile formula di struttura può essere pertanto scritta come

CH₃-CH₃

dove il tratto di unione (che raramente può trovarsi sostituito da due punti :) rappresenta un legame chimico covalente semplice. Un legame covalente doppio tra due atomi viene invece rappresentato da un doppio tratto = o raramente da una coppia di due punti :: ,come nel caso dell'etene (o etilene):

CH₂=CH₂

Analogamente, un triplo tratto ≡ o raramente una tripletta di due punti ::: rappresenta un legame covalente triplo.

Gruppi funzionali multipli uguali possono essere raggruppati nel modo seguente:

(CH₃)₃CH

Le formule di struttura brevi fin qui descritte possono essere insufficienti nel caso di composti che presentano isomeria geometrica. Un esempio è l'alchene 2-butene:

CH₃CH=CHCH₃

Dal momento che la rotazione attorno ad un doppio legame è impedita, i due gruppi metile (CH₃) possono trovarsi sul medesimo lato del doppio legame oppure ognuno su un lato diverso. Questo fa sì che esistono due diverse molecole di 2-butene, aventi caratteristiche chimiche e fisiche diverse.

La distinzione dei due composti a livello di nomenclatura viene fatta utilizzando i prefissi cis- (o Z-) per quei composti che hanno i gruppi più voluminosi sullo stesso lato del doppio legame e trans- (o E-) per i composti che hanno i gruppi più voluminosi su lati opposti. A livello di formula, l'ambiguità viene risolta disegnando in maniera lievemente più esplicita la geometria della molecola:

Cis-2-butene

Trans-2-butene

Infine, in special modo per la rappresentazione della struttura di molecole relativamente complesse, una formula può essere ulteriormente semplificata sostituendo una catena di atomi di con una linea spezzata in cui ogni vertice rappresenta un atomo di carbonio (un poligono nel caso di composti ciclici) e omettendo gli atomi di idrogeno legati agli atomi di carbonio.

Le formule nell'esempio seguente sono quelle del cis-2-butene, del trans-2-butene e del cicloesanolo.