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fòrmula (chimica)

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Descrizione generale

La formula chimica è un'espressione convenzionale che, con simboli chimici e matematici, precisa quali e quanti atomi siano presenti in una molecola di una sostanza semplice o composta e che, ricorrendo a opportuni simbolismi grafici, può inoltre indicare quali siano i reciproci rapporti di collegamento e di posizione degli atomi stessi.

Formule brute

Nelle formule gli elementi chimici presenti sono indicati ciascuno col proprio simbolo chimico; l'eventuale presenza di più di un atomo dello stesso elemento o di due o più gruppi di atomi tra loro identici si esprime ponendo un numero, detto indice, sulla destra in basso del simbolo o del gruppo di simboli, in tal caso posti tra parentesi tonde. Per esempio O₂ indica la molecola biatomica dell'elemento ossigeno; O₃ quella triatomica dell'ozono, stato allotropico dell'ossigeno; H₃PO4 quella dell'acido fosforico, formata da tre atomi di idrogeno, uno di fosforo e quattro di ossigeno; Ca₃(PO4)₂ quella del fosfato tricalcico, costituita da tre atomi di calcio e da due gruppi PO4. Per rappresentare la molecola dei metalli, formata da un elevatissimo numero di atomi, e quella di alcuni non-metalli pure formata da molti atomi, si ricorre al semplice simbolo; per i composti che non formano molecole discrete, la formula indica solamente il rapporto minimo tra gli atomi degli elementi in gioco: per esempio il cloruro di calcio non presenta struttura molecolare e pertanto la formula CaCl₂ indica solo che gli atomi di calcio e di cloro stanno tra loro nel rapporto di uno a due. La formula molecolare ha inoltre un preciso significato quantitativo: nei calcoli stechiometrici, infatti, ciascun simbolo di elemento chimico vale un grammoatomo dello stesso elemento e pertanto nel complesso la formula rappresenta una mole della sostanza considerata; così per esempio H₂O non solo esprime che nella molecola dell'acqua si hanno due atomi di idrogeno e uno di ossigeno, ma anche che ci si riferisce a una quantità di acqua pari a (2∤1,008+15,999) g, ossia a 18,015 grammi. Tuttavia anche per quei composti per cui non ha senso riferirsi al peso molecolare, la formula assume un significato quantitativo: una quantità di grammi pari alla somma dei pesi degli atomi che entrano nella formula, il cosiddetto peso-formula, ne rappresenta la grammo-formula; così per esempio NaCl indica una quantità di cloruro di sodio pari a (22,989+35,45) g, ossia a 58,44 grammi. Queste formule, dette brute o grezze perché esprimono solo la composizione qualitativa e quantitativa di una sostanza, consentono di rappresentare in forma immediata e completa le reazioni chimiche mediante le equazioni chimiche. Nelle formule che riguardano reazioni ioniche occorre mettere in evidenza gli ioni partecipanti e pertanto il complesso delle cariche negative o positive in gioco viene indicato ponendo un adatto numero seguito dal segno - per gli anioni e dal segno + per i cationi in alto sulla destra del simbolo dell'elemento o del gruppo atomico: così per esempio per NaMnO4 la formula ionica è Na+ MnO4-, per ZnSO4 è Zn2+ SO42-, per H₃PO4 è 3H+ PO43-, ecc. Talora le formule brute di un composto inorganico vengono scritte come successione di ossidi e di anidridi, separati da virgole o raramente da barrette verticali, mentre l'eventuale acqua di cristallizzazione è separata mediante un punto: così per esempio Al₂SiO5 può essere scritta Al₂O₃, SiO₂, H4Al₂Si₂O9 diventa Al₂O₃, (SiO₂)₂, 2H₂O (qui l'acqua è di costituzione), mentre

diventa

.

Tali formule vengono denominate dualistiche, anche se oltre a ossidi e anidridi possono comprendere altri composti.

Formule cristallochimiche

Si denominano formule cristallochimiche le formule usate per indicare la composizione chimica di un minerale relativamente alla sua struttura cristallina, specialmente di quelli che fanno parte delle famiglie isomorfe di silicati. Oltre a esprimere i rapporti quantitativi dei costituenti chimici e il motivo strutturale dominante, queste formule indicano gli ioni vicarianti, ponendoli tra parentesi tonde e separati da virgole, ed eventualmente anche i reciproci rapporti, mettendo a deponente del simbolo relativo un indice numerico significativo della frazione atomica rappresentata; soprattutto nei silicati, inoltre, il raggruppamento anionico viene posto tra parentesi quadre: così per esempio:

è la formula della biotite, (Mg0,80,Fe0,₂0)₂[SiO4] quella del crisolito, un termine della famiglia delle olivine.

Formule di struttura

Per rappresentare il concatenamento degli atomi presenti in una molecola si ricorre alle formule di struttura in cui gli atomi vengono tutti scritti e collegati tra loro con trattini il cui numero corrisponde alla valenza caratteristica dell'elemento in quel composto: così, per esempio, la formula di struttura del solfato di sodio, Na₂SO4, risulta

e quella del fosfato tricalcico, Ca₃(PO4)₂,

.

Le formule di struttura rivestono particolare importanza nella chimica organica, data l'esistenza di più composti diversi con identica formula bruta (isomeri): così alla formula bruta C₂H6O corrispondono due differenti composti, l'alcol etilico e l'etere dimetilico, dalle proprietà fisiche nettamente differenti, le cui formule di struttura sono:

Per comodità la formula di struttura è spesso sostituita dalla formula razionale in cui gli atomi legati a uno stesso atomo di carbonio vengono raggruppati: le formule razionali dei due composti precedenti sono:

.

Queste formule non consentono, tuttavia, di definire l'assetto nello spazio dei diversi atomi presenti in una molecola: tale risultato si può ottenere, in modo sia pure approssimato, con le formule steriche "Per un esempio di formula stearica vedi il lemma del 9° volume." che rappresentano in proiezione piana la posizione spaziale degli atomi di una molecola; esempi del genere sono le formule di Haworth usate per la rappresentazione dei carboidrati, per esempio quella dell'α-D-glucopiranosio.