2.4 Efnaformúlur

2.4 Efnaformúlur

Sameindaformúla er framsetning á sameind þar sem efnatákn eru notuð til að sýna tegundir frumeinda, ásamt lágvísum sem sýna fjölda frumeinda af hverri tegund í sameindinni. (Lágvísir er aðeins notaður þegar fleiri en ein frumeind af tiltekinni tegund er til staðar.) Sameindaformúlur eru einnig notaðar sem skammstafanir fyrir heiti efnasambanda.

Byggingarformúla efnasambands veitir sömu upplýsingar og sameindaformúla þess (tegundir og fjölda frumeinda í sameindinni) en sýnir einnig hvernig frumeindirnar tengjast innbyrðis. Byggingarformúla metans inniheldur tákn fyrir eina C-frumeind og fjórar H-frumeindir, sem gefur til kynna fjölda frumeinda í sameindinni (mynd 2.16). Línurnar tákna tengi sem halda frumeindunum saman. (Efnatengi er aðdráttarkraftur milli frumeinda eða jóna sem heldur þeim saman í sameind eða kristal.) Fjallað verður nánar um efnatengi síðar og farið yfir hvernig spá má fyrir um uppröðun frumeinda í sameind. Að svo stöddu nægir að vita að línurnar sýna hvernig frumeindirnar tengjast í sameindinni. Kúlu- og stafalíkan sýnir rúmfræðilega uppröðun frumeindanna þar sem stærð þeirra er ekki í réttum hlutföllum, en rúmfyllingarlíkan sýnir hlutfallslega stærð frumeindanna.

Þótt mörg frumefni samanstandi af stökum, aðskildum frumeindum eru sum til sem sameindir. Þær eru gerðar úr tveimur eða fleiri frumeindum frumefnisins sem tengjast með efnatengjum. Til dæmis eru flest sýni af frumefnunum vetni, súrefni og köfnunarefni gerð úr sameindum sem innihalda tvær frumeindir hver. Þær kallast tvíatóma sameindir og hafa því sameindaformúlurnar H₂, O₂ og N₂. Önnur frumefni sem finnast gjarnan sem tvíatóma sameindir eru flúor (F₂), klór (Cl₂), bróm (Br₂) og joð (I₂). Algengasta form frumefnisins brennisteins er gert úr sameindum sem samanstanda af átta brennisteinsfrumeindum. Sameindaformúla þess er S₈ (mynd 2.17).

Mikilvægt er að hafa í huga að lágvísir á eftir efnatákni og tala framan við efnatákn standa ekki fyrir það sama. Til dæmis tákna H₂ og 2H afar ólíkar einingar. H₂ er sameindaformúla og táknar tvíatóma sameind af vetni þar sem tvær frumeindir frumefnisins eru bundnar saman með efnatengjum. Rithátturinn 2H stendur hins vegar fyrir tvær aðskildar vetnisfrumeindir sem ekki eru bundnar saman í eina heild, en 2H₂ stendur fyrir tvær sameindir af tvíatóma vetni (mynd 2.18).

Efnasambönd myndast þegar tvö eða fleiri frumefni sameinast efnafræðilega, sem leiðir til myndunar efnatengja. Til dæmis geta vetni og súrefni hvarfast og myndað vatn. Einnig geta natríum og klór hvarfast og myndað matarsalt. Stundum er samsetningu þessara efnasambanda lýst með reynsluformúlu. Hún sýnir hvaða tegundir frumeinda eru til staðar og einfaldasta heiltöluhlutfall fjölda frumeinda (eða jóna) í efnasambandinu. Til dæmis hefur títantvíoxíð (sem notað er sem litarefni í hvítri málningu og í þykkri, hvítri sólarvörn sem hindrar geislun) reynsluformúluna TiO₂. Þetta sýnir að frumefnin títan (Ti) og súrefni (O) eru uppistaðan í títantvíoxíði. Það gefur einnig til kynna að tvöfalt fleiri frumeindir af súrefni séu í efnasambandinu en af títan (mynd 2.19).

Eins og áður hefur komið fram er hægt að lýsa efnasambandi með sameindaformúlu. Þar gefa lágvísar til kynna raunverulegan fjölda frumeinda hvers frumefnis í sameind efnasambandsins. Í mörgum tilfellum er sameindaformúla efnis leidd út frá tilraunum þar sem bæði reynsluformúla þess og sameindamassi eru ákvörðuð. Sameindamassi er summa frumeindamassa allra frumeinda sem mynda sameindina. Til dæmis er hægt að sýna fram á með tilraunum að bensen inniheldur tvö frumefni, kolefni (C) og vetni (H). Fyrir hverja kolefnisfrumeind í bensen er ein vetnisfrumeind. Því er reynsluformúlan CH. Ákvörðun sameindamassa með tilraunum leiðir í ljós að bensensameind inniheldur sex kolefnisfrumeindir og sex vetnisfrumeindir. Þess vegna er sameindaformúla bensens C₆H₆ (mynd 2.20).

Ef formúla efnasambands er þekkt er auðvelt að ákvarða reynsluformúluna. Þetta er þó fremur fræðileg æfing, því í reynd er ferlið yfirleitt öfugt. Til dæmis er sameindaformúla ediksýru C₂H₄O₂. Það er efnið sem gefur ediki sitt skarpa bragð. Þessi formúla sýnir að sameind af ediksýru (mynd 2.21) inniheldur tvær kolefnisfrumeindir, fjórar vetnisfrumeindir og tvær súrefnisfrumeindir. Hlutfall frumeinda er 2:4:2. Ef deilt er með minnsta sameiginlega deili (2) fæst einfaldasta heiltöluhlutfall frumeinda, 1:2:1. Því er reynsluformúlan CH₂O. Athugið að sameindaformúla er alltaf heiltölumargfeldi af reynsluformúlu.

Mikilvægt er að gera sér grein fyrir því að sömu frumeindum er hægt að raða upp á mismunandi vegu. Efnasambönd með sömu sameindaformúlu geta haft mismunandi tengi milli frumeinda og þar af leiðandi mismunandi byggingu. Gæti til dæmis verið til annað efnasamband með sömu formúlu og ediksýra, C₂H₄O₂? Ef svo er, hvernig væri bygging sameinda þess?

Ef gert er ráð fyrir að annað efnasamband með formúluna C₂H₄O₂ gæti verið til, sýnir það góðan efnafræðilegan skilning og er rétt. Tveimur C-frumeindum, fjórum H-frumeindum og tveimur O-frumeindum er einnig hægt að raða saman til að mynda metýlformat. Það er notað í iðnaði, sem skordýraeitur og í fljótþornandi yfirborðshúðun. Í sameindum metýlformats er önnur súrefnisfrumeindin staðsett á milli kolefnisfrumeindanna tveggja, sem er frábrugðið uppröðuninni í sameindum ediksýru. Ediksýra og metýlformat eru dæmi um ísómerur — efnasambönd sem hafa sömu efnaformúlu en mismunandi sameindabyggingu (mynd 2.23). Athugið að þessi litli munur á uppröðun frumeindanna hefur mikil áhrif á efnafræðilega eiginleika þeirra. Það væri vissulega ekki æskilegt að nota lausn af metýlformati í stað lausnar af ediksýru (ediks) við gerð salatsósu.

Til eru margar tegundir ísómera (mynd 2.24). Ediksýra og metýlformat eru byggingarísómerur, efnasambönd þar sem sameindirnar eru ólíkar að því leyti hvernig frumeindirnar tengjast hver annarri. Einnig eru til ýmsar gerðir af rýmisísómerum, þar sem afstæð stefna frumeindanna í rýminu getur verið breytileg. Til dæmis samanstendur efnasambandið karvón (sem finnst í kúmenfræjum, grænmyntu og mandarínuberki) af tveimur ísómerum sem eru spegilmyndir hvor annarrar. S-(+)-karvón lyktar eins og kúmen og R-(−)-karvón lyktar eins og grænmynta.