Molecuulformule

Een molecuulformule, moleculeformule of brutoformule is de chemische formule die aangeeft uit welke elementen een moleculaire entiteit (een molecuul, ion, radicaal) is opgebouwd. De verschillende soorten samenstellende atomen van een gegeven molecuul worden ieder met een chemisch symbool aangegeven, in de vorm van een of twee (soms drie) letters. De aantallen atomen worden weergegeven in de index: de getallen in het subscript.

Voorbeelden:

• C₂H₆O (ethanol)
• SO₂ (zwaveldioxide)
• NO₃⁻ (nitraat)
• H₂O₂ (waterstofperoxide)

Molecuulformules worden gebruikt om de samenstelling van moleculaire stoffen te beschrijven en in reactievergelijkingen. Bijvoorbeeld

${\rm {H_{2}(g)+{\frac {1}{2}}O_{2}(g)\rightarrow H_{2}O(l)}}$

De systematische, chemische formules zijn door de Zweedse chemicus Jöns Jacob Berzelius ontwikkeld. Welke letter in een chemische formule met welk element correspondeert, is in de lijst van chemische elementen terug te vinden.

Andere chemische formules

Structuurformule van chloorethaan,
de molecuulformule is ${\ce {C2H5Cl}}$

Structuurformule (rooster) van siliciumdioxide

Molecuulformules geven de samenstelling weer van het molecuul, maar bevat geen enkele informatie over de opbouw ervan. Chemische formules die wel dergelijke informatie tonen, heten structuurformules.

Ethanol, met molecuulformule C₂H₆O, kan als C₂H₅OH worden geschreven, om te laten zien dat er een hydroxylgroep in het molecuul zit. Formules zoals van chloorethaan in de figuur geven nog meer informatie over de structuur.

Isomeren, stoffen die enkel verschillen door de verschillende ruimtelijke rangschikking van de atomen en daardoor verschillende chemische eigenschappen hebben, hebben een identieke molecuulformule. Een molecuulformule kan de verschillen in structuur niet weergeven. Structuurformules worden veelvuldig gebruikt in de organische chemie en de kristallografie.

Bijvoorbeeld C₂H₆O is de molecuulformule van ethanol en van di-ethylether, maar met een structuurformule CH₃CH₂OH of CH₃OCH₃.

De molecuulformule wordt alleen voor moleculaire bestanddelen gebruikt. Stoffen die niet uit moleculaire eenheden zijn opgebouwd maar uit ionaire of covalente roosters worden beschreven aan de hand van een verhoudingsformule.

Bijvoorbeeld NaCl, Fe₂O₃: ionaire roosters

Bijvoorbeeld C (grafiet), SiO₂: covalente netwerken

Rangschikking in molecuulformules

Er bestaan verschillende systemen om de volgorde van de atomen in een molecuulformule te bepalen.

In lijsten van formules wordt vaak het zogenaamde hillsysteem gehanteerd. Men plaatst men de koolstof C vooraan, gevolgd door het waterstof H. De overige elementen komen dan in alfabetische volgorde. Wanneer het molecuul geen koolstof bevat wordt alles alfabetisch geplaatst.

Bijvoorbeeld C₂H₅Cl (chloorethaan), H₂O₄S (zwavelzuur)

Voor organische stoffen is deze volgorde erg gebruikelijk, maar anorganische stoffen zien er vaak eigenaardig uit in deze volgorde. Men ordent de elementen eerder op basis van elektronegativiteit.

De elementvolgorde te gebruiken in naamgeving van binaire verbindingen staat in het schema aangegeven. De edelgassen zijn naar links verplaatst en H staat tussen groep 15 en 16. De pijl vertrekt bij F en eindigt bij Rn, en doorloopt elke groep van het lichtste tot het zwaarste element en alle groepen van rechts naar links. De lanthanoïden en actinoïden worden als deel van groep 3 gezien.

Voor verbindingen met maar twee verschillende atomen wordt hiertoe door de IUPAC dit schema gebruikt. Het element dat eerst door de pijl wordt bereikt, wordt als het meest elektronegatief gezien en zal rechts in de formule staan.

Bijvoorbeeld SO₃, HCl, IF₅, CH₄, XeF₂.

Algemeen deelt men alle onderdelen in de formule op in elektropositieve en elektronegatieve elementen. Eerst noemt men in alfabetische volgorde de symbolen van de elektropositieve elementen, daarna die van de elektronegatieve elementen, ook in alfabetische volgorde.

Bijvoorbeeld PCl₃O, XeF₂O₂.

Faseaanduiding

Met behulp van de faseaanduidingen (s) = solid = vaste stof, (l) = liquid = vloeistof, (g) = gas en (aq) = aqua = water achter de molecuulformule kan de aggregatietoestand van een stof worden aangeduid.

De aggregatietoestand volgt op de formule zonder spatie.

Voorbeeld

${\ce {N2O4(g)}}$

Een molecuul distikstoftetraoxide: twee stikstofatomen met vier zuurstofatomen in de gasfase.

Moleculen in een kristalrooster

In de vaste fase blijven moleculaire verbindingen als zeflstandige entiteiten aanwezig in het kristalrooster. De moleculen zijn in hun geheel op een regelmatige manier gestapeld. Dit soort kristalroosters kunnen dus door een molecuulformule beschreven worden.

Bijvoorbeeld H₂O (ijs), C₆H₆O (fenol), Hg₂Cl₂ (kalomel)

Twee kristallijne stoffen kunnen dezelfde molecuulformule en dezelfde rangschikking van atomen binnen het molecuul hebben, maar een andere kristalvorm of een ander kristalstelsel. Het kan ook dat de ene stof amorf is, maar de andere kristallijn. De twee stoffen zijn ondanks dat zij in beide gevallen dezelfde molecuulformule hebben verschillend en worden polymorf genoemd. De roosterordening van een kristallijne stof kan veranderen door wijzigingen van temperatuur en druk.

Bijvoorbeeld H₂O: ijs I_h , ijs II, ...

Kristalroosters kunnen ook opgebouwd zijn uit een combinatie van moleculaire en atomaire bestanddelen. Talloze ionaire verbindingen bevatten moleculaire ionen als OH⁻, SO₄²⁻, NH₄⁺, PO₄³⁻ of volledige moleculen, met name kristalwater komt veelvuldig voor. Zulke kristallen, die niet volledig uit moleculen zijn opgebouwd maar er wel bevatten, kunnen niet met een molecuulformule gekarakteriseerd worden. Men gebruikt een eenvoudige verhoudingsformule of een structuurformule.

Bijvoorbeeld H₂₀Na₂O₁₄S of Na₂SO₄·10H₂O (natriumsulfaatdecahydraat)

Het mineraal gottardiiet met molecuulformule Na₃Mg₃Ca₅Al₁₉Si₁₁₇O₂₇₂·93H₂O is het mineraal dat voor zover bekend het meest is gehydrateerd. Daar komen behalve de genoemde atomen ook nog tectosilicaationen in voor. Het aantal watermoleculen in een gehydrateerd molecuul van een mineraal ligt meestal veel lager dan bij gottardiiet.

Voetnoten