Symbolika chemiczna

Chemia posługuje się specyficzną symboliką do opisu cząsteczek i reakcji chemicznych.

Symbole pierwiastków

Symbole pierwiastków pochodzą od ich nazw łacińskich. Część z nich to symbole jednoliterowe, np. H – wodór (hydrogenium), K – potas (kalium), N – azot (nitrogenium), część dwuliterowe (np. Cl – chlor (chlorum), Au – złoto (aurum), Pt – platyna (platinum), a pierwiastki nowo odkrywane lub hipotetyczne, o najwyższych liczbach atomowych, mają tymczasowo przydzielane symbole trzyliterowe (np. Uue – ununenn, Ubb – unbibi).

Symbole pierwiastków używa się w trzech znaczeniach:

• jako ogólny symbol pierwiastka, oznaczający wszystkie atomy danego pierwiastka występujące w przyrodzie,
• jako symbol pojedynczego atomu danego pierwiastka,
• w równaniach reakcji – jako symbol 1 mola (patrz układ SI) atomów danego pierwiastka lub też symbol 1 atomu, gdyż równania reakcji można interpretować jako zapis molowy, jak i cząsteczkowy.

Analogiczne symbole przypisano także do dwóch rodzajów atomów egzotycznych, które mogą tworzyć nietrwałe związki ze zwykłymi atomami: Mu – mionium, Ps – pozytonium.

Symbole jonów i rodników

Jony oznacza się poprzez symbol pierwiastka lub grupy z dodanym w górnym indeksie znaku („+” dla kationów i „−” dla anionów). Znak (+) i (−) oznacza formalnie elementarny ładunek elektryczny, np. Na⁺ – kation sodowy.

Gdy jon posiada wielokrotność tego ładunku, dodaje się jeszcze liczbę oznaczającą tę wielokrotność, np. Ca²⁺ – kation wapniowy.

Gdy istnieje jasność, na którym konkretnie atomie w cząsteczce jest zlokalizowany ładunek elektryczny, znaki (+) i (−) podaje się bezpośrednio przy tym atomie. Gdy jednak ładunek jest zdelokalizowany w obrębie całej grupy, wstawia się ją w kwadratowy nawias, a znak ładunku podaje się za nawiasem, np. [HCOO]⁻ – anion mrówczanowy.

Rodniki oznacza się poprzez dodanie małej kropki z prawej strony symbolu pierwiastka lub grupy, np. O^• – rodnik tlenowy.

Symbole wiązań chemicznych

Wiązania chemiczne we wzorach strukturalnych oznacza się symbolami kresek:

• kreska pojedyncza („−”) oznacza pełne wiązanie pojedyncze, kreska podwójna („=”) – pełne podwójne i kreska potrójna („≡”) – pełne potrójne.
• strzałka („→”) oznacza wiązanie koordynacyjne, przy czym strzałka jest skierowana w stronę akceptora elektronów
• kreska kropkowana („⋯”) oznacza wiązanie „połówkowe” lub niepełne, np. wiązanie wodorowe lub wiązanie pojedyncze zdelokalizowane; może też oznaczać wiązanie w trakcie tworzenia lub zrywania
• kreska kropkowana nad kreską zwykłą („^…”) oznacza wiązanie „półtorakrotne”, a dokładniej podwójne zdelokalizowane.
• kółko w układach cyklicznych oznacza występowanie aromatycznego układu wiązań, np. w benzenie.

Wyjątek od tego stanowią wiązania jonowe, które oznacza się, pisząc po prostu (zwykle w kwadratowych nawiasach) oba jony tworzące to wiązanie, np. [Na]⁺[Cl]⁻.

Wzory chemiczne

Wzory chemiczne to symboliczny zapis składu cząsteczek i często też ich struktury. Rozróżnia się tutaj:

• Wzory empiryczne (wzory stosunkowe), które mówią jedynie o stechiometrii cząsteczki, tj. o stosunku pierwiastków; nie informują natomiast o masie cząsteczkowej. Np. wzór empiryczny etanu to CH₃ – wskazuje na stosunek atomów C do atomów H = 1:3. W notacji Niggli'ego wzory empiryczne ujmuje się w nawiasy klamrowe dla odróżnienia od wzoru sumarycznego, np. {CH₃}.
• Wzory sumaryczne, w których podaje się (według pewnego porządku, często według rosnącej elektroujemności) prostą listę atomów wchodzących w skład danego związku, uwzględniającą ich sumaryczną liczbę w tzw. indeksie dolnym, jaka występuje w cząsteczce (np. H₂SO₄, zapis Hilla).
• Wzory półstrukturalne (grupowe), uwzględniające elementy rzeczywistej struktury związku, grupują podobnie rozmieszczone atomy wokół ich centrów koordynacji; np. CH₃CH₂OH pokazuje atomy H związane przez poszczególne atomy C i zgrupowane wokół nich, a także wyraźnie grupę funkcyjną -OH charakterystyczną dla klasy alkoholi: (C₂H₅OH, etanol). Wzory półstrukturalne mogą też przedstawiać niektóre wiązania (i pomijać niektóre atomy), w zależności również od tego, które elementy struktury cząsteczki chcemy uwydatnić.
• Wzory strukturalne, które przyjmują formę rysunku, gdzie zwykle pokazuje się, jak są połączone wszystkie atomy w cząsteczce. Czasem stosuje się też skróty, szczególnie dla rozbudowanych grup, oraz konwencjonalne pomijanie atomów wodoru i węgla. Ponadto wzory można rysować tak, aby dobrze oddawały rzeczywisty układ przestrzenny atomów i kąty pomiędzy wiązaniami (wzory stereochemiczne) lub rysować je „płasko”, ignorując rzeczywiste rozmieszczenie atomów w przestrzeni.
  • We wzorach strukturalnych złożonych związków organicznych najczęściej pomija się wszystkie lub większość atomów węgla i wodoru występujących w głównym szkielecie cząsteczki. Kreski symbolizujące wiązania chemiczne między atomami węgla łączy się bezpośrednio z sobą, przyjmując konwencję, że na wszystkich połączeniach tych kresek występują atomy węgla, zaś atomy wodoru należy a priori tak uzupełniać, aby uzyskać zawsze czterowiązalny atom węgla. Taka konwencja ułatwia rysowanie i odczytywanie wzorów strukturalnych związków organicznych, uwzględniających rzeczywiste przestrzenne rozmieszczenie atomów w cząsteczce (czyli jej konfigurację).

Przykłady wzorów chemicznych – metylocykloheksan
1 – prosty wzór sumaryczny, 2 – rozwinięty wzór sumaryczny, 3 – szkieletowy, płaski wzór strukturalny, 4 – szkieletowy, przestrzenny wzór strukturalny, 5 – pełny przestrzenny wzór strukturalny

Do układania związków chemicznych według wzoru sumarycznego może być użyty porządek Hilla, np. BH₃, BaCl₂, CH₄, ClNa, C₂H₄, C₂H₄O₂, C₂H₆, HOT.

Do zapisu struktury molekuł w bazach danych stosuje się także różnego rodzaju systemy przekształcające wzory strukturalne w ciągi znaków, które bezpośrednio mogą być analizowane przez programy komputerowe, m.in. SMILES, CML i wiele innych. Te formy zapisu struktury cząsteczek nie są jednak uznawane za wzory chemiczne w tradycyjnym sensie.

Skróty grup

We wzorach bardziej złożonych związków chemicznych stosuje się skróty, oznaczające całe, często powtarzające się grupy chemiczne. Konwencja tych skrótów jest inna w chemii nieorganicznej, metaloorganicznej i organicznej. Skróty te stosuje się często zarówno we wzorach sumarycznych, jak i strukturalnych

Przykład skrótów używanych w chemii organicznej:

• Bu – grupa butylowa (−C₄H₉)
• Me – grupa metylowa (−CH₃)
• Et – grupa etylowa (−C₂H₅)
• Pr – grupa propylowa (−C₃H₇)
• Ph – grupa fenylowa (−C₆H₅)

Przykład użycia skrótu:

EtOH = C₂H₅OH (etanol)

Równania reakcji chemicznych

Równania reakcji chemicznych składają się z trzech części. Po lewej stronie pisze się wzory cząsteczek wchodzących do reakcji (substraty, mogą to być zarówno wzory sumaryczne, jak i strukturalne), przy czym cyfry występujące przed wzorami oznaczają liczby cząsteczek wchodzących do reakcji – lub w innej konwencji liczby moli tych cząsteczek. Potem pisze się strzałkę oznaczającą rodzaj reakcji, a za nią podaje się wzory i liczby cząsteczek powstających w wyniku reakcji (produkty).

Strzałki w reakcjach chemicznych mają ściśle określone znaczenie:

• strzałka pojedyncza „→” oznacza reakcję, która w danych warunkach zasadniczo przebiega tylko w jednym kierunku
• dwie strzałki lub „półstrzałki” skierowane w przeciwne strony („⇌”) oznaczają reakcję równowagową, tzn. sytuację, w której reakcja może zachodzić w obie strony, a kierunek przemiany jest zależny tylko od proporcji substratów i produktów w mieszaninie (dwóch strzałek z półgrotami nie należy zastępować pojedynczą strzałką z dwoma grotami („↔”), która jest zarezerwowana do oznaczania struktur mezomerycznych cząsteczki)
• przy rozpisywaniu reakcji reakcja redoks na poszczególne akty utleniania i redukcji, tradycyjnie stosuje się znak „=” dla podkreślenia, że akty te są tylko zapisem „buchalteryjnym” i nie symbolizują realnie występujących reakcji elementarnych.

Nad i pod strzałkami bardzo często dodaje się skrótowe opisy warunków w jakich zachodzi dana reakcja takie jak temperatura (np. ^{_2000 °C_͕}), użyty rozpuszczalnik, katalizator itp. Ponadto w schematach reakcji stosuje się też strzałki pionowe. Strzałka skierowana do góry („↑”) oznacza „uciekanie” gazowego produktu reakcji do atmosfery. Strzałka skierowana w dół („↓”) oznacza „wypadanie” nierozpuszczalnego, stałego produktu z roztworu, w którym zachodziła reakcja.

Bezpośrednio za wzorami substratów i produktów podaje się też czasem w nawiasach symbol stanu skupienia tych związków w momencie rozpoczęcia lub skończenia reakcji, np.: HCl_(g) – gazowy chlorowodór, HCl_(aq) – roztwór wodny chlorowodoru (czyli kwas solny), H₂O_(s) – woda w formie lodu.

Równania reakcji można traktować dwojako:

• jako zapis przebiegu reakcji „pojedynczych” cząsteczek.
• jako zapis molowy – tzn. opisujący reakcję określonej liczby moli cząsteczek.

Opisy mechanizmów reakcji

Równania reakcji są zazwyczaj bardzo przybliżonymi formami opisu faktycznego ich przebiegu, w których bierze się pod uwagę tylko wyjściowe substraty i końcowe produkty. W rzeczywistości reakcje chemiczne miewają często bardzo złożony przebieg, zwany ich mechanizmem.

Opisy mechanizmów reakcji są zbiorami równań opisujących poszczególne reakcje lub jak się czasami mówi, akty elementarne, których suma prowadzi do zajścia określonej reakcji chemicznej. W równaniach reakcji elementarnych stosuje się te same konwencje strzałek, co w przypadku pełnych równań reakcji. Oprócz tego jednak często stosuje się małe półkoliste strzałki pokazujące, skąd i dokąd prawdopodobnie przemieszczają się elektrony w trakcie zrywania jednych wiązań i powstawania nowych. Zrywanie i powstawanie wiązań symbolizuje się czasem także przez rysowanie kropkowanych linii – podobnych do symboli wiązań „połówkowych”, a oznaczających w tym przypadku „moment” zerwania lub powstania wiązania.

Czasami w opisach reakcji elementarnych podaje się także rozłożenie cząstkowego ładunku elektrycznego na poszczególnych grupach lub atomach. Stosuje się w tym celu symbole δ+ i δ− umieszczane bezpośrednio nad symbolami grup lub atomów. Ponadto, gdy ma miejsce zjawisko rezonansu chemicznego, pokazuje się w schematach mechanizmów postulowane struktury rezonansowe, które umieszcza się w nawiasach kwadratowych, a między nimi rysuje się pojedynczą strzałkę (↔) zakończoną z obu stron ostrzami. Strzałki tej nie należy mylić z symbolem reakcji równowagowej.

Schematy mechanizmów podaje się czasami w formie listy reakcji elementarnych lub w formie koła obrazującego faktyczny cykl przemian zachodzących w trakcie reakcji.

Przykłady schematów mechanizmu reakcji

Reakcja sumaryczna (reakcja metatezy przy krzemie)

Schemat mechanizmu reakcji Hecka

Odpowiednimi literami oznaczono następujące reakcje: A – addycja oksydatywna, B – powstanie π-kompleksu, C – β-eliminacja, D – odtworzenie katalizatora.

Zobacz też

• Nomenklatura chemiczna
• Właściwości fizyczne i chemiczne minerałów
• Zapis Hilla