2.4 Efnaformúlur

Sameindaformúla (e. molecular formula) er framsetning á sameind sem notar efnatákn til að gefa til kynna gerðir frumeinda og síðan lágstafi til að sýna fjölda frumeinda af hverri gerð í sameindinni. (Lágstafur er aðeins notaður þegar fleiri en ein frumeind af tiltekinni gerð er til staðar.) Sameindaformúlur eru einnig notaðar sem skammstafanir fyrir heiti efnasambanda.

Byggingarformúla (e. structural formula) efnasambands gefur sömu upplýsingar og sameindaformúla þess (gerðir og fjölda frumeinda í sameindinni) en sýnir einnig hvernig frumeindirnar eru tengdar saman í sameindinni. Byggingarformúla metans inniheldur tákn fyrir eina C-frumeind og fjórar H-frumeindir, sem gefur til kynna fjölda frumeinda í sameindinni (Mynd 2.16). Línurnar tákna tengi sem halda frumeindunum saman. (Efnatengi er aðdráttarkraftur milli frumeinda eða jóna sem heldur þeim saman í sameind eða kristal.) Við munum ræða efnatengi og sjá hvernig hægt er að spá fyrir um skipan frumeinda í sameind síðar. Í bili er nóg að vita að línurnar eru vísbending um hvernig frumeindirnar eru tengdar saman í sameind. Kúlu-og-prikalíkan sýnir rúmfræðilega skipan frumeindanna þar sem stærðir frumeinda eru ekki í réttum hlutföllum og rúmfyllilíkan sýnir hlutfallslegar stærðir frumeindanna.

Figure A shows C H subscript 4. Figure B shows a carbon atom that is bonded to four hydrogen atoms at right angles: one above, one to the left, one to the right, and one below. Figure C shows a 3-D, ball-and-stick model of the carbon atom bonded to four hydrogen atoms. Figure D shows a space-filling model of a carbon atom with hydrogen atoms partially embedded into the surface of the carbon atom. — Mynd 2.16 Metansameind má sýna sem (a) sameindaformúlu, (b) byggingarformúlu, (c) kúlu-og-prikalíkan og (d) rúmfyllilíkan. Kolefnis- og vetnisfrumeindir eru táknaðar með svörtum og hvítum kúlum.

Þótt mörg frumefni samanstandi af stökum, aðskildum frumeindum, eru sum til sem sameindir sem samanstanda af tveimur eða fleiri frumeindum frumefnisins sem eru efnatengdar saman. Til dæmis samanstanda flest sýni af frumefnunum vetni, súrefni og nitri af sameindum sem innihalda tvær frumeindir hvor (kallaðar tvíatóma sameindir) og hafa því sameindaformúlurnar H₂, O₂ og N₂. Önnur frumefni sem algengt er að finna sem tvíatóma sameindir eru flúor (F₂), klór (Cl₂), bróm (Br₂) og joð (I₂). Algengasta form frumefnisins brennisteins samanstendur af sameindum sem innihalda átta brennisteinsfrumeindir; sameindaformúla þess er S₈ (Mynd 2.17).

Figure A shows eight sulfur atoms, symbolized with the letter S, that are bonded to each other to form an octagon. Figure B shows a 3-D, ball-and-stick model of the arrangement of the sulfur atoms. The shape is clearly not octagonal as it is represented in the structural formula. Figure C is a space-filling model that shows each sulfur atom is partially embedded into the sulfur atom it bonds with. — Mynd 2.17 Brennisteinssameind samanstendur af átta brennisteinsfrumeindum og er því skrifuð sem S₈. Hana má sýna sem (a) byggingarformúlu, (b) kúlu-og-prikalíkan og (c) rúmfyllilíkan. Brennisteinsfrumeindir eru táknaðar með gulum kúlum.

Það er mikilvægt að hafa í huga að lágstafur á eftir tákni og tala fyrir framan tákn tákna ekki það sama; til dæmis tákna H₂ og 2H greinilega ólíkar eindir. H₂ er sameindaformúla; hún táknar tvíatóma vetnissameind sem samanstendur af tveimur frumeindum frumefnisins sem eru efnatengdar saman. Á hinn bóginn gefur segðin 2H til kynna tvær aðskildar vetnisfrumeindir sem eru ekki sameinaðar sem eining. Segðin 2H₂ táknar tvær sameindir af tvíatóma vetni (Mynd 2.18).

This figure shows four diagrams. The diagram for H shows a single, white sphere and is labeled one H atom. The diagram for 2 H shows two white spheres that are not bonded together. It is labeled 2 H atoms. The diagram for H subscript 2 shows two white spheres bonded together. It is labeled one H subscript 2 molecule. The diagram for 2 H subscript 2 shows two sets of bonded, white spheres. It is labeled 2 H subscript 2 molecules. — Mynd 2.18 Táknin H, 2H, H₂ og 2H₂ tákna mjög ólíkar eindir.

Efnasambönd myndast þegar tvö eða fleiri frumefni bindast efnafræðilega, sem leiðir til myndunar tengja. Til dæmis geta vetni og súrefni hvarfast og myndað vatn og natríum og klór geta hvarfast og myndað matarsalt. Við lýsum stundum samsetningu þessara efnasambanda með reynsluformúlu (e. empirical formula), sem gefur til kynna gerðir frumeinda sem eru til staðar og einfaldasta heiltöluhlutfall fjölda frumeinda (eða jóna) í efnasambandinu. Til dæmis hefur títantvíoxíð (notað sem litarefni í hvíta málningu og í þykka, hvíta, þekjandi sólarvörn) reynsluformúluna TiO₂. Þetta auðkennir frumefnin títan (Ti) og súrefni (O) sem innihaldsefni títantvíoxíðs og gefur til kynna að það séu tvöfalt fleiri frumeindir af frumefninu súrefni en frumeindir af frumefninu títan (Mynd 2.19).

Figure A shows a photo of a person applying suntan lotion to his or her lower leg. Figure B shows a 3-D ball-and-stick model of the molecule titanium dioxide, which involves a complicated interlocking of many titanium and oxygen atoms. The titanium atoms in the molecule are shown as silver spheres and the oxygen atoms are shown as red spheres. There are twice as many oxygen atoms as titanium atoms in the molecule. — Mynd 2.19 (a) Hvíta efnasambandið títantvíoxíð veitir virka vörn gegn sólinni. (b) Kristall af títantvíoxíði, TiO₂, inniheldur títan og súrefni í hlutfallinu 1 á móti 2. Títanfrumeindirnar eru gráar og súrefnisfrumeindirnar eru rauðar. (heimild a: breyting á vinnu eftir „osseous“/Flickr)

Eins og áður hefur komið fram getum við lýst efnasambandi með sameindaformúlu, þar sem lágstafirnir gefa til kynna raunverulegan fjölda frumeinda hvers frumefnis í sameind efnasambandsins. Í mörgum tilfellum er sameindaformúla efnis fengin með tilraunaákvörðun á bæði reynsluformúlu þess og sameindamassa (e. molecular mass) (summa frumeindamassa allra frumeinda sem mynda sameindina). Til dæmis er hægt að ákvarða með tilraunum að bensen inniheldur tvö frumefni, kolefni (C) og vetni (H), og að fyrir hverja kolefnisfrumeind í benseni er ein vetnisfrumeind. Þannig er reynsluformúlan CH. Tilraunaákvörðun á sameindamassanum leiðir í ljós að bensensameind inniheldur sex kolefnisfrumeindir og sex vetnisfrumeindir, þannig að sameindaformúlan fyrir bensen er C₆H₆ (Mynd 2.20).

Figure A shows that benzene is composed of six carbons shaped like a hexagon. Every other bond between the carbon atoms is a double bond. Each carbon also has a single bonded hydrogen atom. Figure B shows a 3-D, ball-and-stick drawing of benzene. The six carbon atoms are black spheres while the six hydrogen atoms are smaller, white spheres. Figure C is a space-filling model of benzene which shows that most of the interior space is occupied by the carbon atoms. The hydrogen atoms are embedded in the outside surface of the carbon atoms. Figure d shows a small vial filled with benzene which appears to be clear. — Mynd 2.20 Bensen, C₆H₆, myndast við olíuhreinsun og hefur margvísleg iðnaðarnot. Bensensameind má sýna sem (a) byggingarformúlu, (b) kúlu-og-pinnamódel og (c) rúmfyllimódel. (d) Bensen er tær vökvi. (heimild d: breytt útgáfa af verki eftir Sahar Atwa)

Ef við þekkjum formúlu efnasambands getum við auðveldlega ákvarðað reynsluformúluna. (Þetta er nokkuð fræðileg æfing; í raunveruleikanum er yfirleitt farið í öfugri tímaröð.) Til dæmis er sameindaformúla ediksýru, efnisins sem gefur ediki sitt beiska bragð, C₂H₄O₂. Þessi formúla gefur til kynna að sameind ediksýru (Mynd 2.21) innihaldi tvær kolefnisfrumeindir, fjórar vetnisfrumeindir og tvær súrefnisfrumeindir. Hlutfall frumeindanna er 2:4:2. Með því að deila með minnsta samnefnara (2) fæst einfaldasta heiltöluhlutfall frumeinda, 1:2:1, þannig að reynsluformúlan er CH₂O. Athugið að sameindaformúla er alltaf heiltölumargfeldi af reynsluformúlu.

Figure A shows a jug of distilled, white vinegar. Figure B shows a structural formula for acetic acid which contains two carbon atoms connected by a single bond. The left carbon atom forms single bonds with three hydrogen atoms. The right carbon atom forms a double bond with an oxygen atom. The right carbon atom also forms a single bond with an oxygen atom. This oxygen forms a single bond with a hydrogen atom. Figure C shows a 3-D ball-and-stick model of acetic acid. — Mynd 2.21 (a) Edik inniheldur ediksýru, C₂H₄O₂, sem hefur reynsluformúluna CH₂O. Hana má sýna sem (b) byggingarformúlu og (c) sem kúlu-og-pinnamódel. (heimild a: breytt útgáfa af verki eftir „HomeSpot HQ“/Flickr)

Efnafræðingur í brennidepli

Paula Hammond

Þú hefur lært um þróun frumeindakenningarinnar og byrjað að kanna mismunandi efnafræðilegar byggingar. Þessar byggingar valda því að sameindir laðast að eða hrinda hver annarri frá sér, eða hjálpa þeim að raðast í frumuhimnur okkar eða leiða þær til að dreifast í þunnar filmur eða klessast saman í föst efni.

Hvaða þýðingu hafa þessar byggingar fyrir vísindamenn og fyrir okkur? Í rauninni allt. Það er bygging og samsetning sameindar á yfirborði veiru sem gerir henni kleift að festast við eina af frumum okkar, og það er bygging og samsetning mótefna – efna sem ónæmiskerfið okkar býr til – sem hindra þá festingu. Bygging blaðgrænu gerir henni kleift að nota orku sólarinnar til að búa til glúkósa. Efnafræðingar og efnaverkfræðingar fylgjast ekki aðeins með og skilja þessar byggingar – þeir geta skapað nýjar.

Mynd 2.22 Paula Hammond var frumkvöðull í nýjum aðferðum til að móta efnafræðilegar byggingar með nákvæmni. Vinna Hammond á við um krabbameinsmeðferðir, sáragræðslu, lyf við skýi á auga og efnarafala. Hún er víða viðurkennd sem leiðtogi á sínu sviði, hefur unnið til fjölda verðlauna og verið kosin í ýmsar virtar stöður og félagsaðildir af jafningjum sínum og bandarískum stjórnvöldum. Hún er deildarforseti efnaverkfræðideildar MIT, sem er yfirleitt talin ein af bestu verkfræði- og vísindastofnunum í heimi. (heimild: breytt útgáfa af verki eftir Hvíta húsið)

Paula Hammond gerir einmitt það til að leysa krefjandi vandamál, allt frá krabbameini til orkunotkunar. Hún er deildarforseti efnaverkfræðideildar Tækniháskólans í Massachusetts (MIT) og leiðir rannsóknarteymi sem einbeitir sér að því að setja saman einstakar sameindabyggingar. Þau hafa búið til lyfjabera fyrir krabbameinslyf – húðun á stærð við nanóagnir sem gerir lyfjum kleift að ferðast inn í æxli án þess að varnir þess hafi áhrif á þau – sem geta skilað lyfjum beint inn í krabbameinsæxli. Þau byggja þessar „laumu“-sameindir lag fyrir lag; með því að nota ákveðna eiginleika rafmagns og efnafræðilegrar hegðunar geta þau „stillt“ húðunina til að takast á við tiltekin krabbamein og aðrar breytur. Þessi nákvæmnisaðferð er nauðsynleg til að meðhöndla krabbamein á skilvirkari hátt og með minni skaða fyrir sjúklinginn. Fyrirtækið sem Hammond stofnaði notar svipaða tækni til að losa lyf í augu sjúklinga með ský á auga, auk þess að bæta sáragræðslu.

Þótt rannsóknarteymi Hammond sé skipað viðurkenndum og leiðandi sérfræðingum eins og henni sjálfri, gegna nemendur vissulega hlutverki. Rannsóknarstofur háskóla eru yfirleitt fullar af doktorsnemum, framhaldsnemum og jafnvel grunnnemum sem taka þátt í vinnunni. Og þannig styðja efnafræðingar og efnaverkfræðingar sem nota þekkingu sína til að leysa vandamál einnig við næstu kynslóð skapara og lausnamiðaðra einstaklinga.

Mikilvægt er að hafa í huga að sömu frumeindir geta raðast saman á mismunandi vegu: Efnasambönd með sömu sameindaformúlu geta haft mismunandi tengingar milli frumeinda og þar af leiðandi mismunandi byggingu. Gæti til dæmis verið til annað efnasamband með sömu formúlu og ediksýra, C₂H₄O₂? Og ef svo er, hver væri þá bygging sameinda þess?

Ef þú spáðir því að annað efnasamband með formúluna C₂H₄O₂ gæti verið til, þá sýndir þú góða efnafræðilega innsýn og hafðir rétt fyrir þér. Tvær C-frumeindir, fjórar H-frumeindir og tvær O-frumeindir geta einnig raðast saman og myndað metýlformat, sem er notað í framleiðslu, sem skordýraeitur og í hraðþornandi áferðarefni. Sameindir metýlformats hafa eina súrefnisfrumeindina á milli kolefnisfrumeindanna tveggja, sem er frábrugðið fyrirkomulaginu í ediksýrusameindum. Ediksýra og metýlformat eru dæmi um hverfur (e. isomers) – efnasambönd með sömu efnaformúlu en mismunandi sameindabyggingu (Mynd 2.23). Athugaðu að þessi litli munur á röðun frumeindanna hefur mikil áhrif á efnaeiginleika þeirra. Þú myndir örugglega ekki vilja nota lausn af metýlformati í staðinn fyrir lausn af ediksýru (ediki) þegar þú býrð til salatsósu.

Figure A shows a structural diagram of acetic acid, C subscript 2 H subscript 4 O subscript 2. Acetic acid contains two carbon atoms connected by a single bond. The left carbon atom forms single bonds with three hydrogen atoms. The carbon on the right forms a double bond with an oxygen atom. The right carbon atom also forms a single bond to an oxygen atom which forms a single bond with a hydrogen atom. Figure B shows a structural diagram of methyl formate, C subscript 2 H subscript 4 O subscript 2. This molecule contains a carbon atom which forms single bonds with three hydrogen atoms, and a single bond with an oxygen atom. The oxygen atom forms a single bond with another carbon atom which forms a double bond with another oxygen atom and a single bond with a hydrogen atom. — Mynd 2.23 Sameindir (a) ediksýru og (b) metýlformats eru byggingarhverfur; þær hafa sömu formúlu (C₂H₄O₂) en mismunandi byggingu (og þar af leiðandi mismunandi efnaeiginleika).

Margar tegundir hverfa eru til (Mynd 2.24). Ediksýra og metýlformat eru byggingarhverfur (e. structural isomers), efnasambönd þar sem sameindirnar eru ólíkar hvað varðar tengingar frumeindanna. Einnig eru til ýmsar gerðir af rúmhverfum (e. spatial isomers), þar sem hlutfallsleg afstaða frumeindanna í rúmi getur verið mismunandi. Til dæmis samanstendur efnasambandið karvón (sem finnst í kúmeni, garðmyntu og mandarínuberki) af tveimur hverfum sem eru spegilmyndir hvor af annarri. S-(+)-karvón lyktar eins og kúmen og R-(−)-karvón lyktar eins og garðmynta.

Mynd 2.24 Sameindir karvóns eru rúmhverfur; þær eru aðeins ólíkar hvað varðar hlutfallslega afstöðu frumeindanna í rúmi. (heimild neðst til vinstri: breyting á verki eftir „Miansari66“/Wikimedia Commons; heimild neðst til hægri: breyting á verki eftir Forest & Kim Starr)

Námsmarkmið