Fiche explicative de la leçon: Formules chimiques Chimie

Dans cette fiche explicative, nous allons apprendre à écrire et interpréter les notations utilisées dans les formules chimiques.

Les molécules et autres composés chimiques sont constitués de de divers atomes et ions. Les chimistes ont développé des moyens de parler de ces composés pour les distinguer les uns des autres et indiquer leur composition. Considérons une molécule d’eau.

Les molécules d’eau se composent de deux atomes d’hydrogène et d’un atome d’oxygène. On peut représenter la composition d’une molécule d’eau en écrivant les symboles chimiques des atomes d’hydrogène et d’oxygène et en utilisant des chiffres en indice pour indiquer le nombre de chaque type d’atome : 

C’est la formule chimique de l’eau. Les atomes d’hydrogène et d’oxygène sont représentés par les symboles chimiques et et le nombre de chaque type d’atome est indiqué en indice. Les indices supérieurs à 1 sont écrits de manière explicite, mais l’indice 1 est implicite et on ne l’écrit pas. C’est pourquoi la formule chimique de l’eau s’écrit plutôt que .

Considérons un échantillon qui contient trois molécules d’eau.

Nous savons que chaque molécule d’eau a la formule chimique . On peut placer un 3 devant cette formule chimique pour indiquer qu’il y a trois molécules d’eau : . Le chiffre 3 est un coefficient. Les coefficients indiquent le nombre d’unités discrètes (molécules ou unités de formule). Il est important de faire la distinction entre les indices et les coefficients. Les indices indiquent toujours le nombre d’atomes ou d’ions dans une seule unité d’un composé, tandis que les coefficients indiquent le nombre d’unités discrètes.

Exemple 1: Calculer le nombre total d’atomes d’un élément dans une formule complexe

Combien y a-t-il d’atomes d’oxygène dans la formule  ? 

Réponse

En regardant la formule, on peut voir qu’il y a deux types différents de chiffres : les coefficients et les indices. Les coefficients sont des chiffres qui apparaissent devant une formule chimique. Les coefficients indiquent le nombre d’unités discrètes. Par conséquent, la valeur 10 dans la formule chimique indique qu’il y a dix molécules individuelles de .

Les indices sont des chiffres qui apparaissent après un symbole chimique dans une formule chimique. Les indices indiquent le nombre d’atomes ou d’ions dans une seule unité. S’il n’y a aucun indice visible à droite du symbole chimique, on suppose qu’il s’agit de l’indice implicite de 1. Par conséquent, une molécule de contient un atome de soufre et deux atomes d’oxygène.

Avec ces informations en tête, nous pourrions répondre à cette question de deux façons. Si l’on reconnaît qu’une molécule de contient deux atomes d’oxygène, alors dix molécules doivent contenir dix fois plus d’atomes d’oxygène, comme indiqué dans l’équation suivante : 

Une autre façon de calculer le nombre total d’atomes présents dans une formule, c’est en distribuant le coefficient aux indices.

Donc, la formule contient 10 fois 1 atome de soufre et 10 fois 2 atomes d’oxygène. Il y a 20 atomes d’oxygène dans la formule .

En plus des formules chimiques, les chimistes peuvent désigner des molécules et autres composés par leur nom. Pour nommer les composés, il y a diverses règles et conventions à respecter pour qu’un nom chimique se réfère uniquement à un composé spécifique. Nous allons nous concentrer sur les composés moléculaires binaires et les composés ioniques simples.

Un composé moléculaire binaire est constitué d’atomes de deux éléments différents qui sont liés de manière covalente. Les éléments en question sont généralement des non-métaux mais peuvent aussi être des métalloïdes.

La formule chimique d’un composé moléculaire binaire est généralement écrite avec le symbole chimique de l’élément le moins électronégatif en premier, suivi du symbole chimique de l’élément le plus électronégatif.

Il y a des exceptions à cette règle générale. Les non-métaux suivants sont classés dans l’ordre utilisé pour leur écriture dans le cadre d’une formule chimique binaire moléculaire : 

Les composés moléculaires binaires qui ne sont pas uniquement composés de carbone et d’hydrogène peuvent être nommés en suivant quelques règles simples.

En suivant les règles de nomenclature des composés moléculaires binaires, nous pouvons nommer le « tétraoxyde de diazote ».

Certains composés moléculaires binaires ne sont généralement pas nommés selon la nomenclature mais plutôt par leurs noms communs. Des exemples sont donnés dans le tableau ci-dessous.

Exemple 3: Convertir en formule chimique un nom chimique complexe ayant des préfixes

Quelle est la formule chimique de l’heptoxyde de dichlore ? 

Réponse

Une formule chimique est une expression de symboles chimiques et d’indices numériques qui représente la composition d’une unité d’un composé. Avant de pouvoir écrire une formule chimique, nous devons d’abord identifier le type de composé, car les règles de nomenclature et des formules varient en fonction du type de composé.

Les préfixes grecs « hept- » et « di- » indiquent qu’il s’agit du nom d’un composé moléculaire. Pour écrire la formule chimique d’un composé moléculaire, on peut commencer par séparer le nom en préfixes, racines et suffixes.

Les racines peuvent être utilisées pour identifier les éléments dans le composé. Le premier élément a pour racine « ox ». À l'aide du tableau périodique, nous pouvons identifier l'élément qui partage cette racine comme étant l'oxygène, dont le symbole chimique est . Le deuxième élément est le chlore, de symbole chimique . Pour la formule chimique, on peut écrire ces symboles chimiques dans l’ordre inverse de leur apparition dans le nom du composé : 

Les préfixes indiquent le nombre d’atomes de chaque élément. Le préfixe grec « hept- » signifie 7 et le préfixe « di- » signifie 2. On peut donc ajouter le nombre d’atomes en indice de chaque élément correspondant. Donc, on peut placer un indice 2 après et un indice 7 après  : 

La formule chimique de l’heptoxyde de dichlore est donc .

Les composés ioniques sont constitués de cations de charge positive et d’anions de charge négative qui sont liés entre eux par des interactions électrostatiques. Les cations sont généralement des ions métalliques et les anions sont généralement des ions non métalliques. La figure suivante montre les charges de quelques ions communs.

Les éléments du bloc d du tableau périodique peuvent fréquemment former des ions à charges multiples. Par exemple, un atome de fer peut former un ion ou.

Les composés ioniques existent sous forme d’un réseau tridimensionnel de nombreux cations et anions, plutôt que sous forme d’unités moléculaires discrètes. Il est impossible d’indiquer le nombre total de cations et d’anions dans un composé ionique à partir d’une formule chimique. En revanche, la formule chimique représente le rapport le plus simple entre le nombre de cations et d’anions, avec le cation écrit en premier. Par exemple, le sel de table se compose de nombreux ions sodium () et ions chlorure (), mais le rapport entre les ions sodium et les ions chlorure dans le composé est . Donc, la formule chimique du sel de table est .

De même, un composé ionique constitué d’ions magnésium, , et d’ions bromure a la formule chimique .

Les composés ioniques peuvent contenir des ions polyatomiques. Les ions polyatomiques sont des cations ou des anions qui sont composés d’au moins deux types d’atomes différents. Par exemple, le phosphate est un ion polyatomique de charge et qui se compose d’un atome de phosphore et de quatre atomes d’oxygène.

Que les composés ioniques contiennent des ions monoatomiques ou polyatomiques, leurs formules chimiques sont écrites de la même manière. Considérons un composé d’ions phosphate et d’ions zinc, .

Trois ions zinc et deux ions phosphate sont nécessaires pour que la combinaison soit électriquement neutre. Donc, la formule chimique de ce composé sera

Remarquez que l’ion polyatomique est placé entre parenthèses avec un indice 2 à l’extérieur des parenthèses. Cet indice indique qu’il y a deux ions phosphate.

Le tableau ci-dessous donne quelques ions polyatomiques courants.

Il est plus facile de déterminer la formule chimique des composés ioniques par une série d’étapes simples que par des dessins complexes.

Considérons un composé qui se constitue des ions et . On commence par écrire le cation suivi de l’anion : 

On enlève ensuite les signes et et on réécrit les chiffres en indice de l’ion opposé : 

Notez que l’ion polyatomique a été placé entre parenthèses avec l’indice 4 à l’extérieur des parenthèses.

La formule chimique peut être simplifiée en divisant les indices 2 et 4 par leur plus grand diviseur commun : 

Exemple 4: Déterminer la formule d’un composé ionique où les deux ions ont une charge supérieure à un

Les ions fer (III) ont une charge de et les ions oxyde ont une charge de . Quelle est la formule de l’oxyde de fer (III) ? 

Réponse

Pour déterminer la formule chimique d’un composé ionique, nous pouvons commencer par écrire le symbole chimique et la charge du cation (de charge positive), puis le symbole chimique et la charge de l’anion (de charge négative). Le symbole chimique du fer est . L’ion oxyde est l’anion de l’oxygène et il a le symbole chimique . On écrit donc

Ensuite, on enlève les signes et et on réécrit les chiffres en indices des espèces opposées : 

Nous vérifions que les indices ne partagent pas un facteur commun et ne peuvent pas être simplifiés. La formule de l’oxyde de fer (III) est donc .

En plus de leur formule chimique, les composés ioniques peuvent également être identifiés par leur nom chimique.

Considérons par exemple . On commence par nommer l’anion. L’anion est l’espèce qui apparaît en deuxième dans la formule chimique. Il s’agit de l’ion sulfate, , un ion polyatomique. Donc, on commence par le sulfate : 

Le cation, l’espèce qui apparaît en premier dans la formule chimique, est , un ion monoatomique : 

Le cuivre est un élément qui peut former des ions de charges différentes. Nous devrons indiquer quel ion cuivre est dans le composé en écrivant la valeur de la charge de l’ion en chiffres romains entre parenthèses après le mot « cuivre ». Nous pouvons calculer la charge de l’ion cuivre à l’aide de l’équation suivante : 

Il faut faire attention quand on compte des ions polyatomiques car la formule chimique d’un ion polyatomique contient souvent des chiffres en indices. Si la formule chimique contient plus d’une unité d’un certain type d’ion polyatomique, l’ion sera écrit entre parenthèses avec le nombre d’unités en indice à l’extérieur des parenthèses.

Dans la formule chimique , il y a un cation cuivre et un ion sulfate de charge . En substituant les valeurs dans l’équation : 

La charge du cation cuivre est de deux, ce qui signifie que chaque cation cuivre a une charge . On écrit la valeur de la charge du cation en chiffres romains entre parenthèses après le nom du cation : 

Les organigrammes suivants peuvent nous aider à écrire le nom et la formule chimique de composés ioniques et covalents simples. Ces organigrammes ne peuvent pas être utilisés pour des composés ioniques et covalents plus complexes, ni pour nommer des hydrates, des acides ou des composés organiques.