화학식

화학식은 약속된 기호(원소 기호 등)를 이용하여 물질을 이루는 분자, 이온 등을 표현하는 식이다. 화학식에는 표현 방법에 따라 실험식, 시성식, 분자식, 구조식 등이 있다.

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우리 주변에서 가장 흔하게 볼 수 있는 물 분자는 두 개의 수소 원자와 한 개의 산소 원자가 분자를 구성하고 있다.

따라서 물 분자를 화학식으로 나타내면 H₂O가 되는데 이와 같이 구성한 화학식을 분자식이라 한다.

이온의 경우에도 화학식으로 표현할 수 있는데 황산이 물에 녹아 형성되는 황산 이온은 @@NAMATH_INLINE@@\mathrm{ {SO_4}^{2-}}@@NAMATH_INLINE@@라 쓸 수 있다. 여기서 위첨자 2- 는 2가의 음이온임을 의미한다.

화학식은 나타내고자 하는 정보에 따라 몇 가지 다른 종류가 있다. 대표적으로 다음의 4가지 표현 방법을 들 수 있다.

분자식은 분자로 존재하는 물질의 구성 원소와 분자 내의 원자 개수을 표현한 식이다. 메테인 분자는 탄소 원자 1개, 수소 원자 4개로 구성되어 있으므로 CH₄, 에테인은 탄소 원자 2개, 수소 원자 6개로 구성되어 있으므로 C₂H₆ 로 쓸 수 있다. 가장 대표적인 알코올인 에탄올 분자는 탄소 원자 2개, 산소 원자 1개, 수소 원자 6개로 구성되어 있으므로 C₂H₆O 라 쓸 수 있다. 18족 원소들은 단원자 분자 상태로 존재하므로 헬륨은 He, 네온은 Ne로 표현하고 2원자 분자인 산소, 질소, 염소는 각각 O₂, N₂, Cl₂로 표현한다.

실험식은 실험을 통해 구한 화학식이다. 어떤 물질을 실험적으로 분석하면 그 구성 원소와 상대적인 비율을 알 수 있는데, 각각의 구성 원소와 원자의 상대비를 가장 간단한 정수비로 표현한 식이 실험식이다. 메테인의 분자식은 CH₄이므로 실험식과 분자식이 같지만 에테인의 경우 분자식이 C₂H₆이므로 실험식은 CH₃가 된다. 이와 같이 분자로 존재하는 화합물은 분자식은 실험식의 정수배가 된다.

염화 소듐과 같은 이온 화합물, 다이아몬드나 흑연과 같은 공유 결합성 고체 화합물은 분자식으로 표현할 수 없으므로 실험식을 이용하여 표현한다. 염화 소듐은 NaCl 로, 다이아몬드와 흑연은 탄소 원자로만 이루어져 있으므로 C로 표현해야 한다. 따라서 다이아몬드와 흑연은 같은 실험식을 갖는다. 탄소의 또 다른 동소체인 풀러렌은 탄소 60개가 구형을 이루는 분자 상태로 존재하므로 분자식은 C₆₀으로 표현하여야 하나 실험식은 역시 C로 표현한다.

시성식은 분자식의 확장된 형태, 혹은 구조식을 단순화한 형태로 볼 수 있는데 작용기를 표현하여 쓴 식이다. 에탄올을 예를 들면 분자식은 C₂H₆O가 되는데 시성식으로 표현하려면 에탄올을 이루는 두 작용기인 에틸기(-C₂H₅)와 하이드록시기(-OH)를 각각 표현하여 C₂H₅OH로 쓴다. 아세트산은 메틸기와 카복실기(-COOH)로 나누어 CH₃COOH로 쓸 수 있다. 시성식은 구조식으로 표현하는 것보다 단순하면서도 화합물의 성질을 결정하는 주요 작용기를 표현할 수 있으므로 유기 화합물을 표현할 때 주로 사용된다.

구조식은 화합물의 구조를 단순한 형태로 표현한 식을 말한다. 루이스 구조식과 혼용되어 쓰이기도 하는데, 루이스 구조식은 원자가 전자를 함께 표현하여 분자의 구조를 나타낸 것이고 일반적인 구조식은 비공유 전자쌍과 같은 원자가 전자는 생략하고 결합 전자쌍만 표현하여 분자의 구조를 나타낸다. 탄소는 원소 기호를 표시하기도 하지만 생략하여 선들이 만난 교점으로 표현하기도 하고 수소를 제외한 다른 원소들은 원소 기호를 표시한다. 수소는 원소 기호를 표현하는 경우도 있으나 구조가 복잡한 유기화합물에서는 생략하기도 한다.

몇 가지 대표적인 화합물의 구조식은 다음과 같다.

메테인, 에테인, 아세트산, 벤젠, 톨루엔의 구조식

벤젠과 톨루엔의 구조식에서 공명구조를 갖는 벤젠고리를 다르게 표현한 것을 확인할 수 있는데 벤젠 고리의 경우 두 표현 방법은 혼용해서 사용한다.