2.4 Fórmulas químicas

Una fórmula molecular es una representación de una molécula que usa símbolos químicos para indicar los tipos de átomos seguidos de subíndices para mostrar el número de átomos de cada tipo en la molécula (un subíndice se usa solo cuando está presente más de un átomo de un tipo dado). Las fórmulas moleculares también se usan como abreviaturas para los nombres de los compuestos.

La fórmula estructural para un compuesto proporciona la misma información que su fórmula molecular (los tipos y números de átomos en la molécula), pero también muestra cómo los átomos están conectados en la molécula. La fórmula estructural para el metano contiene símbolos para un átomo de C y cuatro átomos de H, que indican el número de átomos en la molécula (Figura 2.16).

Figura 2.16. Una molécula de metano se puede representar como (a) una fórmula molecular, (b) una fórmula estructural, (c) un modelo de bolas y palos (con clic sostenido puedes mover la molécula), y (d) un modelo de espacio relleno. Los átomos de carbono e hidrógeno están representados por esferas blancas y grises o, respectivamente. Al hacer clic en la parte superior derecha, se amplia la imagen y puedes apreciar mejor el interactivo haciendo clic sostenido para rotar la imagen o girando la rueda para hacerla mas grande o mas chica.

Las líneas representan enlaces que mantienen unidos los átomos (un enlace químico es una atracción entre átomos o iones que los mantienen unidos en una molécula o en un cristal). Discutiremos los enlaces químicos y veremos cómo predecir la disposición de los átomos en una molécula más adelante. Por ahora, simplemente debes saber que las líneas son una indicación de cómo los átomos están conectados en una molécula. Un modelo de bola y palo muestra la disposición geométrica de los átomos con tamaños atómicos no a escala, y un modelo de relleno de espacio muestra los tamaños relativos de los átomos.

Aunque muchos elementos están formados por átomos individuales y discretos, algunos existen como moléculas formadas por dos o más átomos del elemento unidos químicamente entre sí. Por ejemplo, la mayoría de las muestras de los elementos de hidrógeno, oxígeno y nitrógeno están compuestas por moléculas que contienen dos átomos cada una (llamadas moléculas diatómicas) y, por lo tanto, tienen las fórmulas moleculares , respectivamente. Otros elementos que se encuentran comúnmente como moléculas diatómicas son el flúor , el cloro ( ), el bromo ( ) y el yodo ( ). La forma más común del elemento azufre está compuesta por moléculas que constan de ocho átomos de azufre; Su fórmula molecular es Figura 2.17. 3 H2, O2 y N2 (F2) Cl2 Br2 I2

S8

Es importante tener en cuenta que un subíndice que sigue a un símbolo y un número delante de un símbolo no representan lo mismo; por ejemplo, H2 y 2H representan especies claramente diferentes.

3

Hemos incluido dos tipos de interactivos. El primero aparece cuando haces clic en la expresión "Figura xxx" , que es un modelo 3D diseñado en la aplicación Kekule, diseñado por Chen Jiang. El segundo interactivo es el que aparece en la página, diseñado en el aplicativo http://web.chemdoodle.com producido por http://www.ichemlabs.com.

Figura 2.17. Una molécula de azufre se compone de ocho átomos de azufre y, por lo tanto, se escribe como S8. Puede representarse como (a) una fórmula estructural, (b) En el interactivo puedes seleccionar entre un modelo de bolas y palos, y un modelo de espacio relleno. Los átomos de azufre están representados por esferas amarillas.

H2 es una fórmula molecular; representa una molécula diatómica de hidrógeno, que consiste en dos átomos del elemento que están unidos químicamente entre sí. La expresión 2H, por otro lado, indica dos átomos de hidrógeno separados que no se combinan como una unidad. La expresión 2H2 representa dos moléculas de hidrógeno diatómico (Figura 2.18) .

Figura 2.18. Los símbolos H, 2H, H2 y 2H2 representan entidades muy diferentes.

Los compuestos se forman cuando dos o más elementos se combinan químicamente, lo que resulta en la formación de enlaces. Por ejemplo, el hidrógeno y el oxígeno pueden reaccionar para formar agua, y el sodio y el cloro pueden reaccionar para formar sal de mesa. Algunas veces describimos la composición de estos compuestos con una fórmula empírica, que indica los tipos de átomos presentes y la proporción de números enteros más simple del número de átomos (o iones) en el compuesto. Por ejemplo, el dióxido de titanio (usado como pigmento en la pintura blanca y en el tipo de protector solar de color blanco y grueso) tiene una fórmula empírica de . Esto identifica los elementos titanio (Ti) y oxígeno (O) como los constituyentes del dióxido de titanio e indica la presencia de dos veces más átomos del elemento oxígeno que átomos del elemento titanio (Figura 2.19). T iO2

Figura 2.19 (a) El compuesto blanco de dióxido de titanio proporciona una protección eficaz contra el sol. (b) Un cristal de dióxido de titanio, , contiene titanio y oxígeno en una proporción de 1 a 2. Los átomos de titanio son grises y los átomos de oxígeno son rojos (crédito a: modificación del trabajo por “osseous”/ Flickr). T iO2

Como se discutió anteriormente, podemos describir un compuesto con una fórmula molecular, en la que los subíndices indican el número real de átomos de cada elemento en una molécula del compuesto.

En muchos casos, la fórmula molecular de una sustancia se deriva de la determinación experimental de su fórmula empírica y su masa molecular (la suma de las masas atómicas para todos los átomos que componen la molécula).

Por ejemplo, se puede determinar experimentalmente que el benceno contiene dos elementos, carbono (C) e hidrógeno (H), y que por cada átomo de carbono en el benceno, hay un átomo de hidrógeno. Así, la fórmula empírica es CH. Una determinación experimental de la masa molecular revela que una molécula de benceno contiene seis átomos de carbono y seis átomos de hidrógeno, por lo que la fórmula molecular para el benceno es (Figura 2.20).

C6H6

Figura 2.20. El benceno, C6 H6, se produce durante la refinación del petróleo y tiene muchos usos industriales. Una molécula de benceno se puede representar como (a) una fórmula estructural, (b) y (c) el interactivo que puedes rotar con clic sostenido o cambiar su tamñao con la bola del ratón. (d) El benceno es un líquido claro.

Si conocemos la fórmula de un compuesto, podemos determinar fácilmente la fórmula empírica (esto es algo así como un ejercicio académico; la cronología inversa generalmente se sigue en la práctica real). Por ejemplo, la fórmula molecular para el ácido acético, el componente que le da al vinagre su sabor intenso, es C2H4O2.

Esta fórmula indica que una molécula de ácido acético (Figura 2.21) contiene dos átomos de carbono, cuatro átomos de hidrógeno y dos átomos de oxígeno. La proporción de átomos es 2: 4: 2. Dividir por el mínimo común denominador (2) da la relación más simple de números enteros de átomos, 1: 2: 1, por lo que la fórmula empírica es C 2H O. Ten en cuenta que una fórmula molecular es siempre un múltiplo entero de una fórmula empírica.

Figura 2.21. a) El vinagre contiene ácido acético, C2 H4 O2, que tiene una fórmula empírica de CH2 O. Puede representarse como (b) y (c) como un modelo de bola y pal. (crédito a: modificación del trabajo por "HomeSpot HQ"/Flickr)

Ejemplo 2.6

Momento de inercia de un sistema de partículas

Las moléculas de glucosa (azúcar en la sangre) contienen 6 átomos de carbono, 12 átomos de hidrógeno y 6 átomos de oxígeno. ¿Cuáles son las fórmulas moleculares y empíricas de la glucosa?

La fórmula molecular es

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porque una molécula en realidad contiene 6 átomos de carbono, 12 H y 6 O. La proporción más simple de números enteros de C a H a O en la glucosa es 1: 2: 1, por lo que la fórmula empírica es .

C6H12O6 CH O

Comprueba tu aprendizaje

Una molécula de metaldehído (un pesticida utilizado para caracoles y babosas) contiene 8 átomos de carbono, 16 átomos de hidrógeno y 4 átomos de oxígeno. ¿Cuáles son las fórmulas moleculares y empíricas del metaldehído?

Es importante tener en cuenta que puede ser posible que los mismos átomos se dispongan de diferentes maneras: los compuestos con la misma fórmula molecular pueden tener diferentes enlaces de átomo a átomo y, por lo tanto, estructuras diferentes. Por ejemplo, ¿podría haber otro compuesto con la misma fórmula que el ácido acético, ? Y si es así, ¿cuál sería la estructura de sus moléculas?.

Si predices que podría existir otro compuesto con la fórmula , entonces demuestras una buena comprensión química y es correcto. También se pueden organizar dos átomos de C, cuatro átomos de H y dos átomos de O para formar un formiato de metilo,

C2H4O2

C2H4O2

que se utiliza en la fabricación, como insecticida y para acabados de secado rápido. Las moléculas de formiato de metilo tienen uno de los átomos de oxígeno entre los dos átomos de carbono, que difieren de la disposición en las moléculas de ácido acético.

RETRATO DE UN QUÍMICO Lee Cronin

Figura 2.22. El químico Lee Cronin ha sido nombrado uno de los 10 científicos más inspiradores del Reino Unido. Lee, el presidente más joven de la Universidad de Glasgow, dirige un gran grupo de investigación, colabora con muchos científicos de todo el mundo, ha publicado más de 250 artículos en las principales revistas científicas y ha dado más de 150 charlas invitadas. Su investigación se centra en los sistemas químicos complejos y su potencial para transformar la tecnología, pero también se ramifica en nanociencia, combustibles solares, biología sintética e incluso vida y evolución artificiales. (Crédito: imagen cortesía de Lee Cronin).

RETRATO DE UN QUÍMICO

¿Qué es lo que hacen los químicos? Según Lee Cronin (Figura 2.22), los químicos producen moléculas muy complicadas al "cortar" moléculas pequeñas e "ingeniería inversa" . Se pregunta si podríamos "hacer un conjunto de química universal realmente genial" por lo que él llama química de "aplicación" . ¿Podríamos "aplicar" la química? En una charla de TED de 2012, Lee describe una posibilidad fascinante: combinar una colección de "tintas" químicas con una impresora 3D capaz de fabricar un aparato de reacción (diminutos tubos de ensayo, cubiletes y similares) para crear un "conjunto de herramientas universales de química" . "Este kit de herramientas podría usarse para crear medicamentos personalizados para combatir una nueva especie" o para imprimir "medicamentos configurados personalmente para su composición genética, en torno a una situación de salud. Dice Cronin: "Lo que Apple hizo por la música, me gustaría hacer por el descubrimiento y distribución de medicamentos recetados" . Observa su charla completa en el sitio web

El ácido acético y el formiato de metilo son ejemplos de compuestos isómeros con la misma fórmula química pero diferentes estructuras moleculares Figura 2.23. Ten en cuenta que esta pequeña diferencia en la disposición de los átomos tiene un efecto importante en sus respectivas propiedades químicas. Seguramente no querrás usar una solución de formiato de metilo como sustituto de una solución de ácido acético (vinagre) cuando prepares el aderezo para ensaladas.

Figura 2.23 . Las moléculas de (a y b) ácido acético y formiato de metilo (c y d) son isómeros estructurales; tienen la misma fórmula (C2 H4 O2) pero diferentes estructuras (y por lo tanto diferentes propiedades químicas).

Existen muchos tipos de isómeros (Figura 2.24). El ácido acético y el formiato de metilo son isómeros estructurales, compuestos en los que las moléculas difieren en la forma en que los átomos están conectados entre sí. También hay varios tipos de isómeros espaciales, en los cuales las orientaciones relativas de los átomos en el espacio pueden ser diferentes. Por ejemplo, la carvona compuesta (que se encuentra en las semillas de alcaravea, la menta verde y las cáscaras de mandarina) consiste en dos isómeros que son imágenes especulares entre sí. S - (+) - la carvona huele a alcaravea, y R - (-) - la carvona huele a menta verde.