化学式

化学式は、特定の化合物または分子を構成する原子の化学比率に関する情報を表す方法であり、化学元素記号、数字、および場合によっては括弧、ダッシュ、角括弧、カンマ、プラス(+) 記号とマイナス(-) 記号などの他の記号も使用します。これらは、下付き文字と上付き文字を含めることができる記号の 1 行の印刷に限定されます。化学式は単語を含まないため、化学名ではありません。化学式は特定の単純な化学構造を暗示する場合がありますが、完全な化学構造式と同じではありません。化学式は、最も単純な分子と化学物質の構造のみを完全に指定でき、一般に化学名や構造式よりも機能が制限されています。

最も単純なタイプの化学式は経験式と呼ばれ、文字と数字を使用して各タイプの原子の数値的割合を示します。分子式は、分子内の各タイプの原子の単純な数を示し、構造に関する情報はありません。たとえば、グルコースの経験式はCH ₂ O (水素原子の数は炭素と酸素の 2 倍)ですが、分子式はC ₆ H ₁₂ O ₆ (水素原子 12 個、炭素原子と酸素原子 6 個) です。

化学式は、凝縮式（または凝縮分子式、時には「半構造式」と呼ばれる）として書かれることで複雑になることがあります。凝縮式は、共有結合、イオン結合、またはこれらのさまざまな組み合わせのいずれかで、原子が化学的に結合している特定の方法についての追加情報を伝えます。これは、関連する結合を 1 次元で簡単に示すことができる場合に可能です。一例として、エタノールの凝縮分子/化学式はCH ₃ −CH ₂ −OHまたはCH ₃ CH ₂ OHです。ただし、凝縮化学式であっても、特に 4 つ以上の異なる置換基と結合している原子の場合は、原子間の複雑な結合関係を示す能力に必然的に限界があります。

化学式は一行の化学元素記号で表現しなければならないため、化合物内の原子間の空間関係を図式で表した真の構造式ほど有益ではないことがよくあります (右のブタンの構造式と化学式の例を参照)。構造が複雑なため、単一の凝縮化学式 (または半構造式) が、異性体と呼ばれる異なる分子に対応する場合があります。たとえば、グルコースの分子式 C ₆ H ₁₂ O _{6 は}、フルクトース、ガラクトース、マンノースなど、他の多くの糖類と同じです。複雑な構造式を一意に指定できる線型等価の化学名が存在しますが (化学命名法を参照)、そのような名前では、化学式を定義する単純な元素記号、数字、単純な印刷記号ではなく、多くの用語 (単語) を使用する必要があります。

化学式は、化学反応や、イオン化合物の溶液への溶解などのその他の化学変化を説明する化学方程式で使用できます。前述のように、化学式は原子間の化学関係を示す構造式ほどの力はありませんが、化学反応における原子の数と電荷の数を追跡するには十分であり、したがって化学方程式のバランスが取れているため、これらの方程式は原子の保存と電荷の保存を含む化学の問題に使用できます。

概要

化学式は、各構成元素をその化学記号で識別し、各元素の原子の比率を示します。経験式では、これらの比率は主要な元素から始まり、主要な元素に対する比率で、化合物内の他の元素の原子の数を割り当てます。分子化合物の場合、これらの比率の数はすべて整数で表すことができます。たとえば、エタノールの経験式は、エタノールの分子にはすべて 2 つの炭素原子、6 つの水素原子、および 1 つの酸素原子が含まれているため、 C ₂ H ₆ Oと表記されます。ただし、イオン性化合物の種類によっては、完全に整数の経験式で表記できないものもあります。その一例が炭化ホウ素で、その式CB _{n は}、n が 4 を超えて 6.5 を超える可変の非整数比です。

式の化合物が単純な分子で構成されている場合、化学式では分子の構造を示す方法が採用されることが多い。これらのタイプの式は、分子式や凝縮式などと呼ばれる。分子式では、分子内の原子の数を反映して原子の数を列挙するため、グルコースの分子式はグルコースの実験式であるCH ₂ Oではなく、 C ₆ H ₁₂ O ₆となる。ただし、非常に単純な物質を除いて、分子化学式には必要な構造情報が欠けており、あいまいである。

単純な分子の場合、凝縮（または半構造）式は、正しい構造式を完全に暗示する化学式の一種です。たとえば、エタノールは凝縮化学式CH ₃ CH ₂ OHで表され、ジメチルエーテルは凝縮化学式CH ₃ OCH ₃で表されます。これら 2 つの分子は、同じ実験式と分子式（C ₂ H ₆ O ）を持ちますが、示されている凝縮式によって区別することができ、これはこれらの単純な有機化合物の完全な構造を表すのに十分です。

凝縮化学式は、個別の分子としては存在しないが、それでも共有結合したクラスターを内部に含むイオン化合物を表すためにも使用されることがあります。これらの多原子イオンは、硫酸 [SO ₄ ] ²⁻イオンのように、共有結合して全体としてイオン電荷を持つ原子のグループです。化合物内の各多原子イオンは、別々のグループを示すために個別に記述されます。たとえば、化合物六酸化二塩素は、実験式ClO ₃、分子式Cl ₂ O ₆ですが、液体または固体の形態では、この化合物はイオン凝縮式[ClO ₂ ] ⁺ [ClO ₄ ] ⁻でより正確に示され、これはこの化合物が[ClO ₂ ] ⁺イオンと[ClO ₄ ] ⁻イオンで構成されていることを示しています。このような場合、凝縮式は、各イオン種の少なくとも 1 つを示すのに十分な複雑さがあれば十分です。

ここで説明する化学式は、さまざまな化学命名法で使用される、はるかに複雑な化学体系名とは異なります。たとえば、グルコースの体系名の 1 つは、(2 R ,3 S ,4 R ,5 R )-2,3,4,5,6-ペンタヒドロキシヘキサナールです。この名前は、その背後にある規則によって解釈され、グルコースの構造式を完全に指定しますが、通常理解されている化学式ではなく、化学式では使用されない用語や単語を使用しています。このような名前は、基本式とは異なり、グラフなしで完全な構造式を表すことができる場合があります。

種類

実験式

化学において、化学物質の経験式は、化合物中の各タイプの原子の相対数または元素の比率を単純に表現したものです。経験式は、CaCl ₂などのイオン化合物やSiO ₂などの高分子の標準です。経験式では、異性、構造、または原子の絶対数は考慮されません。経験的という用語は、元素分析のプロセス、つまり元素ごとに純粋な化学物質の相対的なパーセント組成を決定するために使用される分析化学の手法を指します。

たとえば、ヘキサンの分子式はC ₆ H ₁₄で、（異性体の 1 つである n-ヘキサンの場合）構造式はCH ₃ CH ₂ CH ₂ CH ₂ CH ₂ CH ₃であり、6 個の炭素原子と 14 個の水素原子の鎖構造を持っていることを示しています。ただし、ヘキサンの実験式はC ₃ H ₇です。同様に、過酸化水素H ₂ O ₂の実験式は単にHOであり、構成元素の比率が 1:1 であることを表しています。ホルムアルデヒドと酢酸の実験式は同じCH ₂ Oです。これはホルムアルデヒドの分子式でもありますが、酢酸の原子数は 2 倍です。

以下に詳述する他の種類の式と同様に、経験式は分子内の元素の数を示し、それが二元化合物、三元化合物、四元化合物であるか、あるいはさらに多くの元素を含むかを判断します。

分子式

{\ce {H-{\overset {\displaystyle H \atop |}{\underset {| \atop \displaystyle H}{C}}}-{\overset {\displaystyle H \atop |}{\underset {| \atop \displaystyle H}{C}}}-{\overset {\displaystyle H \atop |}{\underset {| \atop \displaystyle H}{C}}}-{\overset {\displaystyle H \atop |}{\underset {| \atop \displaystyle H}{C}}}-H}}

n-ブタンの構造式
分子式: C ₄ H ₁₀縮合式: CH ₃ CH ₂ CH ₂ CH ₃

分子式は、分子物質の分子に含まれる各タイプの原子の数を単純に示します。分子式は、特定のタイプの原子を 1 つだけ持つ分子の経験式と同じですが、それ以外の場合はより大きな数になることがあります。違いの例として、グルコースの経験式はCH ₂ O (比率1:2:1 ) ですが、分子式はC ₆ H ₁₂ O ₆ (原子数6:12:6 ) です。水の場合、両方の式はH ₂ Oです。分子式は、経験式よりも分子について多くの情報を提供しますが、確立するのがより困難です。

構造式

構造式は、各元素分子の原子数を示すだけでなく、原子がどのように構成されているかを示し、原子間の化学結合を示します（または暗示します）。分子構造のさまざまな側面に焦点を当てた複数のタイプの構造式があります。

2 つの図は、分子式C ₄ H ₁₀は同じですが、示されているように構造式が異なっているため、互いに構造異性体である 2 つの分子を示しています。

凝縮された式

分子の結合性は、その物理的、化学的性質や挙動に強い影響を及ぼすことがよくあります。同じ種類の原子を同数だけ含む 2 つの分子 (つまり、異性体のペア) は、原子の結合の仕方や位置が異なれば、化学的性質や物理的性質がまったく異なることがあります。このような場合、どの原子がどの原子と結合しているかを示す構造式が役立ちます。結合性から、分子のおおよその形状を推測できる場合がよくあります。

凝縮（または半構造）式は、単純な化学物質の結合の種類と空間配置を表すことができますが、必ずしも異性体や複雑な構造を特定するものではありません。たとえば、エタンは、互いに単結合した 2 つの炭素原子で構成され、各炭素原子には 3 つの水素原子が結合しています。その化学式は、CH ₃ CH ₃と表すことができます。エチレンでは、炭素原子間に二重結合があります（したがって、各炭素には水素が 2 つしかありません）ので、化学式はCH ₂ CH ₂と書かれ、炭素の原子価が 4 なので、炭素間に二重結合があることは暗黙的に示されています。ただし、より明確な方法は、H ₂ C=CH ₂またはそれほど一般的ではありませんがH ₂ C::CH ₂と書くことです。2 本の線（または 2 組の点）は、その両側の原子が二重結合でつながっていることを示しています。

三重結合は、 3 本の線 ( HC≡CH ) または 3 対の点 ( HC:::CH )で表すことができます。また、あいまいさがある場合は、1 本の線または 1 対の点を使用して単結合を示すこともできます。

複数の同じ官能基を持つ分子は、繰り返される基を丸括弧で囲んで表すことができます。たとえば、イソブタンは(CH ₃ ) ₃ CHと書きます。この凝縮された構造式は、同じ原子を同じ割合で使用して形成できる他の分子 (異性体) とは異なる接続性を意味します。式(CH ₃ ) ₃ CH は、1 つの水素原子と 3 つのメチル基( CH ₃ )に接続された中心の炭素原子を意味します。各元素の同じ数の原子 (10 個の水素と 4 個の炭素、またはC ₄ H ₁₀ ) を使用して、直鎖分子n -ブタン: CH ₃ CH ₂ CH ₂ CH ₃を作成できます。

化学式の限界に対する化学名

ブト-2-エンと呼ばれるアルケンには2つの異性体があり、化学式CH ₃ CH=CHCH ₃では特定できません。2つのメチル基の相対的な位置は、メチル基が二重結合の同じ側（シスまたはZ）にあるか、互いに反対側（トランスまたはE ）にあるかを示す追加の表記によって示されなければなりません。^[1]

上で述べたように、多くの複雑な有機化合物や無機化合物の完全な構造式を表すには、上記の簡略化された式で使用できるリソースをはるかに超える化学命名法が必要になる場合があります。例としては、 IUPAC 有機化学命名法およびIUPAC 無機化学命名法 2005 を参照してください。さらに、国際化学識別子(InChI)などの線形命名システムにより、コンピューターで構造式を構築でき、簡易分子入力行エントリシステム(SMILES) により、人間が読みやすい ASCII 入力が可能になります。ただし、これらの命名システムはすべて化学式の基準を超えており、技術的には化学命名システムであり、式システムではありません。^[2]

縮合式ポリマー

凝縮化学式のポリマーの場合、繰り返し単位の周りに括弧が付けられます。たとえば、CH ₃ (CH ₂ ) ₅₀ CH ₃と記述される炭化水素分子は、50 個の繰り返し単位を持つ分子です。繰り返し単位の数が不明または可変である場合は、文字n を使用してこの式を示すことができます: CH ₃ (CH ₂ ) _n CH ₃。

凝縮式中のイオン

イオンの場合、特定の原子の電荷は右肩付き文字で表されます。たとえば、Na ⁺、またはCu ²⁺です。荷電分子または多原子イオンの全電荷も、ヒドロニウム、H ₃ O ⁺、または硫酸塩、SOのように、この方法で示されることがあります。2−4ここで、+ と - はそれぞれ +1 と -1 の代わりに使用されます。

より複雑なイオンの場合、イオン式を囲むためにかっこ[ ]がよく使用されます。たとえば、[B ₁₂ H ₁₂ ] ²⁻は、セシウムドデカボレート、Cs ₂ [B ₁₂ H ₁₂ ]などの化合物に見られます。かっこ ( ) は、繰り返し単位を示すためにかっこ内に入れ子にすることができます。たとえば、ヘキサアンミンコバルト(III)クロリド、[Co(NH ₃ ) ₆ ] ³⁺ Cl−3ここで、(NH ₃ ) _{6 は}、イオンにコバルトに結合した6つのアミン基( NH ₃ ) が含まれていることを示し、[ ] は電荷+3のイオンの式全体を囲んでいます。^[^{さらに説明が必要}^]

これは完全にオプションです。化学式はイオン化情報の有無にかかわらず有効であり、ヘキサアンミンコバルト(III)塩化物は[Co(NH ₃ ) ₆ ] ³⁺ Clと表記されます。−3または[Co(NH ₃ ) ₆ ]Cl ₃。括弧は丸括弧と同様に、数学と同じように化学でも用語をグループ化する役割を果たします。イオン化状態のためだけに使用されているわけではありません。この後者のケースでは、括弧はすべて同じ形の 6 つのグループを示しており、これらはサイズ 1 の別のグループ (コバルト原子) に結合し、その後、グループとして全体の束が 3 つの塩素原子に結合しています。前者の場合、塩素をつなぐ結合は共有結合ではなくイオン結合であることがより明らかです。

同位体

同位体は、従来の化学よりも核化学や安定同位体化学に関係が深いですが、化学式では異なる同位体が上付き文字で示されることがあります。たとえば、放射性リン 32 を含むリン酸イオンは [ 32 PO 4 ] 3− です。また^、安定_同位体^比に関する研究では、分子¹⁸ O ¹⁶ Oが含まれる場合があります。

原子番号を示すために、左下添え字が重複して使用されることがある。例えば、二酸素の場合は₈ O _{2 、}¹⁶
₈お
₂ 最も豊富な二酸素同位体種です。これは、電荷のバランスをより明確に示すために、核反応の方程式を書くときに便利です。

閉じ込められた原子

@ 記号 (アットマーク) は、原子または分子がケージ内に閉じ込められているが化学的に結合していないことを示します。たとえば、原子 (M) を持つバックミンスターフラーレン( C ₆₀ ) は、M が化学結合せずにフラーレンの内側にあるか、外側で炭素原子の 1 つに結合しているかに関係なく、単にMC ₆₀と表されます。@ 記号を使用すると、M が炭素ネットワークの内側にある場合はM@C ₆₀と表されます。フラーレン以外の例としては、[As@Ni ₁₂ As ₂₀ ] ³⁻があります。これは、1 つのヒ素(As) 原子が他の 32 個の原子で形成されたケージに閉じ込められているイオンです。

この表記法は、 Laなどの原子を捕捉してLa@C ₆₀やLa@C ₈₂などを形成できるフラーレンケージ（エンドヘドラルフラーレン）の発見に伴い、1991年に提案されました^{[3] 。この記号の選択理由については、簡潔で、印刷や電子送信が容易であること（最新の文字エンコード方式のほとんどがベースとしている}ASCIIにはアットマーク記号が含まれている）、視覚的にエンドヘドラルフラーレンの構造を示唆していることなどが挙げられます。

非化学量論的化学式

化学式では、各元素に整数を使用するのが一般的です。ただし、非化学量論化合物と呼ばれる化合物のクラスは、小さな整数では表すことができません。このような式は、 Fe _0.95 Oのように小数を使用して記述される場合もあれば、 Fe ₁₋_x Oのように文字で表される変数部分が含まれる場合もあります。ここで、xは通常 1 よりはるかに小さい値です。

有機化合物の一般形

互いに一定の単位だけ異なる一連の化合物に使用される化学式は、一般式と呼ばれます。これは、相同な一連の化学式を生成します。たとえば、アルコールは、式C _n H ₂_n_{+ 1} OH ( n ≥ 1)で表され、 1 ≤ n ≤ 3 の場合にメタノール、エタノール、プロパノールという相同化合物が生成されます。

ヒルシステム

ヒルシステム（またはヒル表記法）は、経験的化学式、分子化学式、および凝縮式の成分を記述するシステムであり、分子内の炭素原子の数が最初に示され、次に水素原子の数、その後に他のすべての化学元素の数が化学記号のアルファベット順に示されます。式に炭素が含まれていない場合は、水素を含むすべての元素がアルファベット順にリストされます。

これらの規則に従って、式中に存在する各元素の原子の数に応じて式を並べ替え、前の元素または数字の違いを後の元素または数字の違いよりも重要と見なすことによって (テキスト文字列を辞書式順に並べ替えるのと同様に)、化学式をヒルシステム順序と呼ばれる順序に照合することが可能になります。

ヒルシステムは、1900年に米国特許商標庁のエドウィン・A・ヒルによって初めて発表されました。 ^[4]これは、化学データベースや印刷された索引で化合物のリストを並べ替えるために最も一般的に使用されているシステムです。^[5]

ヒルシステム順序による式のリストは、上記のようにアルファベット順に並べられており、記号が同じ文字で始まる場合は、1文字の要素が2文字の記号の前に来ます（つまり、「B」は「Be」の前に来て、「Br」は「Br」の前に来ます）。^[5]

次の例式はヒルシステムを使用して記述され、ヒル順にリストされています。

BrClH ₂ Si
ブリ
_四塩化炭素
CH ₃私
C2H5臭素
Ｈ2Ｏ4Ｓ

参照

注記

参考文献

^ Burrows, Andrew. (2013-03-21). Chemistry³ : introduction ordinary, organic and physical chemistry (second ed.). Oxford: Oxford University Press. ISBN 978-0-19-969185-2. OCLC 818450212.
^ マイルズ、リンダ。「LibGuides：CHE 120 - 有機化学入門 - 教科書：第1章 - 有機化学レビュー/炭化水素」。guides.hostos.cuny.edu 。2024年7月13日閲覧。
^ Chai, Yan; Guo, Ting; Jin, Changming; Haufler, Robert E.; Chibante, LP Felipe; Fure, Jan; Wang, Lihong; Alford, J. Michael; Smalley, Richard E. (1991). 「内部に金属を含むフラーレン」. Journal of Physical Chemistry . 95 (20): 7564–7568. doi :10.1021/j100173a002.
^ Edwin A. Hill (1900). 「化学文献の索引システムについて; 米国特許庁分類部が採用」J. Am. Chem. Soc. 22 (8): 478–494. doi :10.1021/ja02046a005. hdl :2027/uiug.30112063986233.
^ ab Wiggins, Gary. (1991). Chemical Information Sources.ニューヨーク: McGraw Hill. p. 120.

Petrucci, Ralph H.; Harwood, William S.; Herring, F. Geoffrey (2002). "3" .一般化学: 原理と現代の応用(第 8 版). Upper Saddle River, NJ: Prentice Hall. ISBN 978-0-13-014329-7. LCCN 2001032331. OCLC 46872308.

外部リンク

ウィキメディア・コモンズの化学式に関連するメディア
マサチューセッツ大学ローウェル校の図書館にあるヒル記法の例。ヒルシステムの順序に並べ替える方法も記載されています。
Hill表記法を適用した分子式の計算。Hill表記法を計算するライブラリはnpmで入手できます。

[1] Burrows, Andrew. (2013-03-21). Chemistry³ : introduction ordinary, organic and physical chemistry (second ed.). Oxford: Oxford University Press. ISBN 978-0-19-969185-2. OCLC 818450212.

[2] マイルズ、リンダ。「LibGuides：CHE 120 - 有機化学入門 - 教科書：第1章 - 有機化学レビュー/炭化水素」。guides.hostos.cuny.edu 。2024年7月13日閲覧。

[YanChai-3] Chai, Yan; Guo, Ting; Jin, Changming; Haufler, Robert E.; Chibante, LP Felipe; Fure, Jan; Wang, Lihong; Alford, J. Michael; Smalley, Richard E. (1991). 「内部に金属を含むフラーレン」. Journal of Physical Chemistry . 95 (20): 7564–7568. doi :10.1021/j100173a002.

[4] Edwin A. Hill (1900). 「化学文献の索引システムについて; 米国特許庁分類部が採用」J. Am. Chem. Soc. 22 (8): 478–494. doi :10.1021/ja02046a005. hdl :2027/uiug.30112063986233.

[wiggins-5] Wiggins, Gary. (1991). Chemical Information Sources.ニューヨーク: McGraw Hill. p. 120.