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.
Os tipos mais simples são as fórmulas empíricas, que indicam a menor proporção inteira entre os átomos dos elementos de um composto. As fórmulas moleculares indicam a quantidade de átomos de cada elemento em uma molécula, sem especificar sua conectividade. Por exemplo, a fórmula empírica da glicose é , pois há duas vezes mais átomos de hidrogênio do que de carbono ou de oxigênio. Sua fórmula molecular é , com doze átomos de hidrogênio, seis de carbono e seis de oxigênio.
Uma fórmula condensada, também chamada de fórmula semiestrutural, reúne grupos de átomos em uma sequência que fornece informações sobre sua conectividade. Um exemplo é a fórmula do etanol, , que também pode ser escrita . Esse recurso permite indicar ligações em uma única linha, mas não costuma especificar por inteiro a disposição espacial dos átomos e dos substituintes. Uma fórmula estrutural desenvolvida usa um desenho para mostrar as ligações entre os átomos e pode incorporar informação espacial.
Moléculas diferentes podem ter a mesma fórmula molecular. A glicose compartilha a fórmula com outros açúcares, entre eles a frutose, a galactose e a manose. Compostos com a mesma fórmula molecular e estruturas diferentes são isômeros. Uma fórmula condensada pode distinguir certas conectividades sem distinguir todos os estereoisômeros. Os nomes químicos sistemáticos empregam regras de nomenclatura para especificar a conectividade e, quando necessário, a configuração estereoquímica, usando palavras e descritores que não fazem parte das fórmulas moleculares.
As fórmulas químicas são usadas em equações químicas para representar reações químicas e outras transformações, como a dissolução de compostos iônicos em solução. Elas permitem acompanhar o número de átomos de cada elemento e as cargas elétricas, mesmo sem mostrar todas as ligações presentes. O balanceamento de uma equação química conserva essas quantidades entre os reagentes e os produtos.
Visão geral miniatura|direita|230px|Estrutura cristalina do cloreto de sódio. A fórmula expressa a proporção 1:1 entre os íons de sódio, em roxo, e de cloreto, em verde, não uma molécula isolada do sólido.
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 , 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 , 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 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 , 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, , a fórmula do sulfato de alumínio, indica dois átomos de alumínio, três de enxofre e doze de oxigênio na proporção expressa pela fórmula.
As fórmulas também são usadas para substâncias simples. Hidrogênio, oxigênio e nitrogênio formam moléculas diatômicas, , e , enquanto uma forma molecular comum do enxofre possui oito átomos, . Um índice não equivale a um coeficiente colocado antes da fórmula. corresponde a uma molécula com dois átomos ligados, enquanto 2H indica dois átomos e indica duas moléculas de hidrogênio.
Quando um composto é formado por moléculas discretas, a fórmula molecular enumera os átomos presentes em cada uma. A fórmula molecular da glicose é , enquanto sua fórmula empírica é . A contagem de átomos, por si só, não determina como eles estão ligados.
Para moléculas simples, uma fórmula condensada pode conter informação suficiente para determinar a conectividade. O etanol pode ser representado por , enquanto o dimetiléter pode ser escrito como . As duas substâncias têm as mesmas fórmulas empírica e molecular, , mas as fórmulas condensadas distinguem suas estruturas.
Fórmulas químicas também podem mostrar grupos de átomos ligados covalentemente dentro de um composto iônico. Os íons poliatômicos possuem uma carga elétrica total, como o íon sulfato, . Escrever cada grupo separadamente permite reconhecer os constituintes da substância. O hexóxido de dicloro, de composição global e fórmula empírica , fornece um exemplo. No estado sólido, sua estrutura é iônica e pode ser representada por , com os íons e .
As fórmulas químicas diferem dos nomes sistemáticos. O nome (2R,3S,4R,5R)-2,3,4,5,6-pentahidroxihexanal especifica a forma de cadeia aberta da D-glicose, incluindo a configuração de seus centros quirais. Ele não designa por si só as formas cíclicas da glicose. Um nome desse tipo emprega palavras e descritores para fornecer informação estrutural que a fórmula molecular não contém.
História da notação miniatura|direita|140px|Jöns Jacob Berzelius empregou letras dos nomes dos elementos na notação química.
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.
Tipos
Fórmula empírica
miniatura|direita|210px|Modelo de uma molécula de peróxido de hidrogênio, . Sua fórmula empírica, , expressa a proporção 1:1 entre hidrogênio e oxigênio.
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 , e para sólidos de rede covalente, como o quartzo, , 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 e, no caso do isômero n-hexano, fórmula condensada , que indica uma cadeia de seis átomos de carbono e catorze de hidrogênio. Sua fórmula empírica, porém, é . Da mesma forma, a fórmula empírica do peróxido de hidrogênio, , é . O formaldeído e o ácido acético têm a mesma fórmula empírica, . Essa também é a fórmula molecular do formaldeído, enquanto a molécula do ácido acético possui o dobro de átomos de cada elemento, .
Assim como os outros tipos de fórmulas, uma fórmula empírica permite reconhecer quantos elementos diferentes compõem uma substância e, com isso, se ela é um composto binário, ternário, quaternário ou contém mais elementos.
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 , uma proporção de 1:2:1, enquanto sua fórmula molecular é , com seis átomos de carbono, doze de hidrogênio e seis de oxigênio. Para a água, as duas fórmulas são .
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
miniatura|direita|350px|Representações do benzeno. 1, fórmula empírica. 2, fórmula molecular. 3, estruturas de Kekulé. 4, geometria do anel. 5, ligações σ. 6, orbitais p. 7, representação da ligação π deslocalizada. 8, fórmula esquelética com círculo no anel.
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 , 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.
Desenhos estruturais também podem incorporar informação estereoquímica. Uma cunha cheia indica uma ligação que se projeta para a frente do plano do desenho, enquanto uma cunha hachurada indica uma ligação que se afasta para trás desse plano. Essas convenções permitem representar a configuração de centros tetraédricos em uma superfície plana.
Fórmula condensada
miniatura|direita|250px|Duas maneiras de escrever a fórmula condensada do n-butano.
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 . No etileno, os carbonos estão unidos por uma ligação dupla, e cada um possui dois hidrogênios. A escrita deixa a ligação dupla implícita, enquanto a mostra diretamente.
Uma ligação tripla pode ser indicada por três traços, como em . Na notação de Lewis, pares de pontos também podem representar os pares de elétrons compartilhados. Assim, e usam dois e três pares de pontos para as ligações dupla e tripla, respectivamente. Uma ligação simples corresponde a um traço ou a um par de pontos.
Grupos de átomos repetidos podem ser colocados entre parênteses. O isobutano pode ser escrito como , indicando um átomo central de carbono ligado a um hidrogênio e a três grupos metila, . Os mesmos quatro átomos de carbono e dez de hidrogênio podem formar a cadeia linear do n-butano, . As fórmulas condensadas distinguem essas conectividades, embora a fórmula molecular seja nos dois casos.
Fórmula cristaloquímica miniatura|direita|230px|Estrutura do quartzo α. Os átomos de silício, em cinza, estão ligados aos de oxigênio, em vermelho, em uma rede que se estende além da célula desenhada.