La formule brute est l'écriture la plus compacte décrivant un composé chimique ou un corps simple. Les formules brutes, par exemple pour l'éthanol, sont utilisées dans les équations chimiques pour décrire les réactions chimiques. Des notations intermédiaires entre les formules brutes et semi-développées permettent plus de lisibilité tout en restant compactes, comme pour l'éthanol l'écriture . Bien d'autres informations que la stœchiométrie des éléments peuvent être présentes dans une formule brute (nombre d'oxydation, marquage isotopique ou informations structurales partielles notamment) et sont gérées par des règles édictées par l'Union internationale de chimie pure et appliquée (IUPACAcronyme de l'anglais International Union of Pure and Applied Chemistry.).
Cet article limite la notion de formule brute à toutes les représentations de formules chimiques écrites en ligne et ne faisant pas apparaître de liaison chimique. La présence de liaisons chimiques dans une formule est traitée dans les articles Formule développée plane, Formule semi-développée et Représentation des molécules.
Histoire vignette|350px|Exemple d'utilisation de symboles alchimiques L'écriture des formules brutes, pour remplacer les écritures alchimiques en vigueur depuis le Moyen Âge, résulte d'une succession de plusieurs stades.
Élément chimique Le premier stade de l'écriture moderne des formules brutes est la découverte des éléments chimiques par Antoine Lavoisier. Ce chimiste français, en montrant que tous les corps étaient composés d'éléments, ou principes, traçait la voie d'une nouvelle façon de penser la matièreLavoisier I , , cité par B. Bensaude-Vincent et I.Stengers (1995), Histoire de la chimie, Éd. La découverte, Paris, ..
Nomenclature Le second stade fut la mise en place d'une nouvelle nomenclature de la chimie. Les premiers chimistes à comprendre l'importance de cette nouvelle façon de penser les corps chimiques furent Joseph Black en 1784, Claude Louis Berthollet en 1785, Louis-Bernard Guyton-Morveau et Antoine-François Fourcroy en 1786 et 1787J.R. Partington (1989), A Short History of Chemistry, Ed. Dover, New-York, .. Avec ces trois derniers, Lavoisier élabora une nouvelle nomenclature chimique en 1787, la Méthode de nomenclature chimiqueL.B. Guyton de Morveau, J.H. Hassenfratz, A.F. Fourcroy, A.L Lavoisier, P.A. Adet, C.L Bertholet (1787), Méthode de nomenclature chimique, https://books.google.fr/books?id=0MMPAAAAQAAJ&hl=fr&source=gbs_navlinks_s. Les anciens noms étaient remplacés par une appellation utilisant les éléments chimiques (par exemple vert-de-gris devenait carbonate de cuivre, ibid p.141) ou mettait en jeu des radicaux (nitrate, sulfate, citrate) eux-mêmes basés sur des éléments chimiques (par exemple, vitriol d'argile devenait sulfate d'alumine, ibid p.142).
Symboles chimiques Le troisième stade est le passage de la nomenclature aux symboles chimiques tels que nous les connaissons, H, C, O, etc. Il est dû au premier chimiste analyste Jöns Jacob Berzelius en 1813. Les formules brutes, ou formules empiriques ne diffèrent de celles en usage que par le fait que les nombres que nous écrivons en indice étaient écrits par ce chimiste suédois en exposant (CO2 au lieu de ).
Nomenclature officielle L'écriture des formules chimiques est désormais gérée par l'IUPAC dans sa publication Nomenclature of Inorganic Chemistry (surnommée Red Book). Y sont distinguées les formules empiriques, les formules moléculaires, les formules structurales et les formules d'addition (voir ci-dessous). Il y est également précisé l'ordre d'écriture des éléments chimiques.
Les différents types de formules sont utiles pour compléter la représentation des espèces chimiques au-delà de la seule composition globale. Le corps simple soufre par exemple, de formule empirique S, est constitué de molécules regroupant 8 atomes, ce que précise la formule moléculaire . Les formules structurales, comme pour le phosphate de calcium, indiquent comment sont organisés les atomes au sein de l'espèce chimique, au contraire de la formule brute ( dans cet exemple).
Formules empiriques Définition La formule empirique d'un corps est formée de la juxtaposition des symboles atomiques avec les indices appropriés (entiers) qui permettent l'écriture la plus simple de la formule donnant la composition chimique. L'ordre d'apparition des symboles est l'ordre alphabétique, sauf dans le cas des composés contenant du carbone, pour lesquels C et H sont cités en premier et en second, respectivement.
Exemples La formule empirique du peroxyde d'hydrogène est HO alors que sa formule moléculaire est . La formule empirique du benzène est CH alors que sa formule moléculaire est . Le dioxygène et l'ozone ont la même formule empirique, O, alors que leurs formules moléculaires sont respectivement et . (composé sans carbone), (composé du carbone).
Cas des solides ioniques vignette|Cristaux de quartz constitués d'ions silicium et d'ions oxyde. La formule structurale de ce corps est Les solides ioniques ne contiennent pas de molécules distinctes mais des ions en interaction électrostatique avec de nombreux voisins. Leurs formules brutes sont alors bien décrites par des formules empiriques. Pour tous ces composés, la formule brute reflète simplement les proportions des atomes dans le composé. Le cation est placé en premier suivi de l'anion. Exemple : Na et Cl donne NaCl.
Exemples : le chlorure de sodium : NaCl le dioxyde de silicium : le chlorure de fer(III) :
Formules moléculaires Pour les composés moléculaires, qui sont des substances constituées de molécules séparées les unes des autres, les formules moléculaires, par opposition aux formules empiriques définies ci-dessus, donnent la composition réelle de la molécule. C'est le cas de la plupart des composés rencontrés en chimie organique et de nombreux composés inorganiques. Cette formule est également utilisable pour les polymères, mais en précisant avec un indice n que le nombre d'unités est variable d'une molécule à l'autre.
La formule moléculaire donne le nombre des atomes qui composent une molécule. Elle n'informe pas sur la disposition des atomes qui la constituent. Ainsi une formule brute peut correspondre à plusieurs molécules différentes dans le cas des isomères.
Les atomes constituant la molécule sont indiqués à l'aide de leurs symboles chimiques. Leur nombre est précisé en indice de chaque symbole. L'ordre recommandé est l'ordre alphabétique des symboles à une exception : le carbone et l'hydrogène des produits organiques sont toujours cités en premier et dans cet ordre, puis suivis des autres atomes par ordre alphabétiqueLeight, Favre, Metanomski, Principes de Nomenclature de la Chimie - Introduction aux recommandations de l'IUPAC, , De Boeck Université .
Exemples Composés organiques vignette|Formules semi-développées de l'isobutane et du butane, tous deux de formule brute
Le propane comporte trois atomes de carbone (noté C) et huit atomes d'hydrogène (noté H), il possède la formule brute suivante : .
Le méthane : 1 atome de carbone C 4 atomes d'hydrogène H
L'éthanol : (la formule brute correcte étant ) 2 atomes de carbone C 6 atomes d'hydrogène H 1 atome d'oxygène O
Les exemples suivants montrent la différence entre formule moléculaire et formule empirique. L'éthylène : 2 atomes de carbone C 4 atomes d'hydrogène H La formule empirique de l'éthylène est .
Le butane ou son isomère l'isobutane : 4 atomes de carbone C 10 atomes d'hydrogène H La formule empirique du butane est .
Composés inorganiques vignette|Cristaux naturels de calomel, de formule empirique HgCl, mais de formule moléculaire . Le calomel naturel est parfois teinté à cause d'impuretés ; le calomel de laboratoire est blanc. vignette|Cristaux de sulfate de cuivre hydraté dont la formule structurale est
L'eau : 2 atomes d'hydrogène H 1 atome d'oxygène O
Le dioxygène : 2 atomes d'oxygène O La formule empirique du dioxygène est .
Le chlorure de mercure(I) ou calomel : 2 atomes Hg 2 atomes Cl La formule empirique du calomel est HgCl.
Le dioxyde d'azote se dimérise en tétroxyde de diazote dont les formules moléculaires sont respectivement et . La formule empirique du tétroxyde de diazote a la même écriture (et donc peut être confondue) avec la formule moléculaire du dioxyde d'azote.
Les composés de coordination comme le sulfate de cuivre, ou les complexes organométalliques comme le ferrocène sont constitués d'entités discrètes et peuvent donc être décrits avec une formule moléculaire. Ils sont cependant mieux décrits par une formule structurale.
Formules structurales
La formule structurale donne des informations partielles ou complètes sur la façon dont les atomes d'une molécule sont connectés et arrangés dans l'espace. Dans les cas simples, une formule en ligne qui est juste une séquence de symboles atomiques (donc une formule brute) donne une information structurale permettant au lecteur de décoder des informations structurales.
Par exemple le peroxyde d'hydrogène de formule moléculaire peut être écrit avec la formule structurale HOOH, ce qui indique l'enchaînement des atomes : H-O-O-H.
Dès que la structure du composé est plus complexe, il devient nécessaire d'introduire des parenthèses pour éviter toute ambiguïté. L'IUPAC recommande sept règles d'écriture, par exemple :
les motifs qui se répètent dans des chaînes doivent être entourés de crochets ; la formule de l'octane de formule moléculaire possède la formule structurale ; les groupes latéraux d'une chaîne et les groupes (comme les ligands) attachés à un atome central sont écrits entre parenthèses (sauf les atomes uniques comme H ou Cl) ; le méthylbutane s'écrit , l'ion tétramminediaquacuivre(II) s'écrit 2+ ; quand il faut insérer des groupes au sein de parenthèses, il convient d'utiliser des accolades comme suit : ( ), {( )}, ({( )}), {({( )})}, etc. ; quand un atome ou un groupe d'atomes est précédé d'un préfixe, comme le préfixe µ indiquant un atome pontant, l'atome et le préfixe sont entre parenthèses ; par exemple dans le complexe de chlorodicarbonylerhodium(I) : .
Ordre d'apparition des éléments chimiques Plusieurs règles doivent être appliquées suivant les classes de formules. Par exemple, l'ordre d'écriture des éléments chimiques ne respecte pas les mêmes règles pour les composés binaires ou les composés à atome central.
Généralités Deux principes gèrent l'ordre d'apparition des éléments dans une formule brute : l'ordre alphabétique. (En cas de même première lettre, l'ordre est comme dans l'exemple B, Ba, Be.) l'ordre d'électronégativité. Pour ce dernier, il s'agit d'une électronégativité au sens du tableau ci-dessous, et non au sens de Mulliken, Pauling
+ Ordre de préséance des éléments chimiques dans une formule en ligne suivant le critère d'électronégativité. Éléments à citer en premier Rn Xe Kr Ar Ne He Élément à citer ensuite Fr Cs Rb K Na Li etc. Ra Ba Sr Ca Mg Be
Lr → Ac Lu → La Y Sc
Rf Hf Zr Ti
Db Ta Nb V
Sg W Mo Cr
Bh Re Tc Mn
Hs Os Ru Fe
Mt Ir Rh Co
Ds Pt Pd Ni
Rg Au Ag Cu
Hg Cd Zn
Tl In Ga Al B
Pb Sn Ge Si C Noter la position de H Bi Sb As P N H
Po Te Se S O
At I Br Cl F
Composés binaires Pour un composé binaire, l'ordre est celui de l'électronégativité au sens du tableau ci-dessus. Ainsi il faut écrire : NaCl (et non ClNa) , mais NH3, à cause de la place de H dans le tableau ci-dessus OF2 4− OCl− (et non ClO− comme c'est souvent rencontré)
Composés de coordination vignette|Formule topologique de l'éthylène diamine, un ligand de formule brute et noté en abrégé « en ». Les composés de coordination ou les composés à atome central s'écrivent en commençant par l'atome central suivi des ligands par ordre alphabétique du symbole ou de l'abréviation du ligand. Par exemple : PBrCl2
+ ou +