化学式

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化学式（かがくしき、chemical formula）とは、化学物質を元素の構成で表現する表記法である。分子からなる物質を表す化学式を分子式（ぶんししき、molecular formula）、イオン物質を表す化学式をイオン式（いおんしき、ionic formula）と呼ぶことがある。時として化学式と呼ぶべき場面においても、分子式と言い回される場合も多いので注意が必要である。

化学式が利用される場面としては、物質の属性情報としてそれに関連付けて利用される場合と、化学反応式の一部として物質を表す為に利用される場合とがある。

[編集] 種類

五酸化二リン　構造式
（十酸化四リン）

化学式は大きく分けて物質の元素組成を示す組成式と、分子構造を表示する構造式とに分類される。前者はもっぱら化学量論に基づく化学方程式の中などで使われて量的関係を示すことが多く、後者は分子構造を図示したり、反応機構を説明する化学反応式などで反応に特有な構造やそれに関連した性質を示す場合に利用することが多い。

組成式と構造式とは必ずしも合致しない。たとえばリン酸の無水物である五酸化二リンは、組成式的にはP₂O₅であるが、構造式からは分子の最小単位がP₄O₁₀であることがわかる。

特に有機化合物は異性体が多い為に、構造式や示性式（後述）で物質を識別する機会が多く、無機化合物では組成式で十分物質の識別が可能であることが多い。

[編集] 化学式の構成

組成式も構造式も物質を構成する元素の種別は元素記号を使って表現される。また同一原子の個数を示す為に元素記号の右下付き添え字をつけて表現する。

例

P₂O₅ = 五酸化二リン（組成式）

CH_{3_CH₂OH} = エタノール（構造式）

またポリマーなどで反復の個数をワイルドカード的に示す場合に、n、mなどの英小文字が右下付き添え字として利用される場合もある。

例

CH₃CO[OCH₂CH₂]_nOCOCH₃ - ポリアセタール

ラジカルあるいはイオンを表現する必要がある場合は、右上付き添え字で示す。ラジカルの場合は'・'を添え字とし、さらにイオンである場合は電荷に応じて'+'または'-'の符号を添え字とする。2価以上のイオンの場合は、正負を表す符合の前（左側）に価数を示す数字を添え字とする。

例

O₂^・- = スーパーオキシドアニオン

化学式の部分構造を示す為に丸括弧( )や角括弧[ ]が使用される場合もある。閉じ括弧に右下付き添え字が存在する場合は括弧で括られた部分構造がその添え字の数字の回数だけ反復することを意味する。ワイルドカード的に示す為に、n、mなどの英小文字が使用される場合もある。

例

CH₃CO[O(CH₂)₂]_nOCOCH₃ = ポリアセタール

括弧で括られた部分構造がラジカルあるいはイオンである場合は上記と同様な規則で閉じ括弧の右上付き添え字として付与する。

例

[Fe^II(CN)₆]^4- = ヘキサシアノ鉄(II)酸イオン

物質が一定比率の複数の要素で構成される場合は、各要素の化学式を・で連結して1つの分子式として表す。特にイオン式の場合で、陽・陰イオンの構成比が1：1の場合は・が省略される場合もある。各構成要素の比率を示す場合は、それぞれの化学式の左側に係数をつける。係数は数値で示す場合と、ワイルドカード的に示す為に、n、mなどの英小文字が使用される場合とが存在する。

例

CuSO_{4_{・5H₂O = 硫酸銅(II) 5水和物}}

Na⁺Cl^{- ^{= 塩化ナトリウム}}

^{CoCl₂・nH₂O = 塩化コバルト n水和物}

^{係数は比を既約してそれぞれに整数をつけるスタイルと、主要素の量を1とし、残りの要素の比を有理数で示すスタイルとがある。いずれのスタイルであっても、係数が1.0の場合は省略される場合が多い。}

^例

^{3CdSO₄・8H₂O = 硫酸カドミウム‐水(3/8)}

^{CaSO₄・0.5H₂O = 半水セッコウ}

^{[編集] 同位体の扱い}

^{通常、元素は天然組成比の同位体混合物を意味している。特定の同位体が含まれていることを明示する場合は、元素記号の表記方法に準じて元素記号の左上付き添え字に原子量を表記する。また、重水素（デューテリウム）、三重水素（トリチウム）の場合はDとTとがそれぞれ使用される場合がほとんどである。}

^例

^{H₂¹⁸O = 18O-水}

CDCl₃ = クロロホルム-d

[編集] 組成式

物質の元素組成を示す化学式を組成式(そせいしき、compositional formula、nominal composition)と呼ぶ。一般式(いっぱんしき、general formula)とよばれる場合もある。組成式は各元素毎にその比が纏められる為に、水素原子の省略や括弧を使った反復表現は使用されない。ただ, 任意の金属元素を示すMやハロゲン元素を示すXなど、ワイルドカード的な利用例が見られる程度である。

例

P₂O₅ = 五酸化二リン（組成式）

CuX₂ = ハロゲン化銅(II)

[編集] 実験式

実験的に求められた組成式を実験式（じっけんしき、Empirical formula）と呼ぶ。組成式の場合、科学的知見に基づいた物質の構成から理論的に導かれる組成である為、部分分子式の係数や元素記号の添え字として使用する原子数は整数とするのが普通である。一方、実験式の場合は定量的な測定結果に基づいて決定される為、係数や添え字は必ずしも整数にはならない。

例

CaSO₄・1.1H₂O

[編集] 化学式量

化学式（おもに組成式）に基づいて原子量と原子数の積の総和を求めた値を化学式量（かがくしきりょう、chemical formura weight）と呼び、場合によっては単に式量（しきりょう、formula weight）と呼ぶこともある。'化学式量は化学量論的に反応物あるいは生成物の量的関係を把握する際に使用する計算の為のパラメーターであり、物質の個数（物質量）と質量とを関係付ける比例係数である。言い換えると、モル当量に化学式量を乗じて初めて消費あるいは生成する物質の質量と合致することになる。一方、分子量は原子質量単位を1とする相対質量であり、実験的に測定できる物理量である。そして、化学式が単一分子から構成される物質であるの場合にかぎって化学式量と分子量とは一致する。

逆に、分子量は分子のように明確に区分される構成粒子が存在しないと定義できないが、化学式量の場合は化学量論に基づいたパラメーターである為、イオン性物質や金属のような明確に区分される構成粒子が無くても構成比さえ決定できれば算術的に定義することが可能である。

例えば、五酸化二リンは構造式的にはP₄O₁₀で表現されるべきであるが、組成式としてはP₂O₅となる。そして化学量論的には当量を基準とした量的関係が成立する為に、P₂O₅を化学式量としてもP₄O₁₀を化学式量としても反応に関係する物質の重量比は変わらない為、量的関係を算出する上での問題は発生しない。

P₂O₅ +3H₂O → 2H₃PO₄

P₄O₁₀ +6H₂O → 4H₃PO₄

[編集] 構造式

物質の構造を示す為の化学式を構造式とよぶ。通常は平面上に構造のトポロジー的な関係だけを維持して表現されるので、構造式は実際の構造を写実的に写したものではない点に注意が必要である。通常、構造式は二次元に展開された図表として表現されるが、特に結合を表す線分を使わずに、分岐部分を基として括弧で括って一連ながりの文字列で表した構造式は示性式と呼ばれる。

構造式を示すには次に示す2つの方法がある。

個々の原子の間を化学結合を表す、一重線（単結合）、二重線（二重結合）あるいは三重線（三重結合）で連結して分子構造を表す方法。
特性基や基を連結して分子構造を表す方法。

これらの一方ないしは両方を使って構造式は表される。言い換えると示性式は後者の方法のみを使用し、基を組み立てて作成される。

例

H₂NCH(CH_{3_{)C(O)OH = アラニン(示性式)}}

_(構造式)

_{組成式とは異なり、構造式では特徴のある構造を強調する目的で種々の省略形が用いられる。特に示性式では下に示すような基を表す略号が汎用される。}

部分構造	略号
CH₃	Me
CH₃CH₂	Et
CH₃CH₂CH₂	Pr
CH₃(CH₃)CH	^{i^Pr}
CH₃CH₂CH₂ CH₂	Bu
(CH₃)₃C	^tBu
C(=O)H	CHO
C(=O)OH	COOH, CO₂H
C(=O)OCH₂CH₃	COOEt, CO₂Et
C(=O)NH₂	CONH₂

示性式以外の構造式は骨格となる炭化水素部分の水素原子や炭素原子は省略形で作図される場合が多い。たとえば末端以外の炭素原子に置換している水素原子その殆どは結合も含めて作図されないことが多い。また、骨格の炭素原子は元素記号の表示が省略されで作図されないことが多く、言い換えると線分の頂点が炭素原子をあらわす場合が多い。しかし作図上紛らわしい場合は省略せずに表記すべきであり、省略されなかった水素原子は指示水素とも呼び表される。あるいは上述の基を表す略号のCやHは省略してはならない。

例

v.s.

= 1-Butene（構造式）

　= イリノテカン（構造式）

[編集] 特殊な構造式

[編集] 電子式

原子同士の結合に関与する電子（価電子)対を：で表現したもの。ルイスが考案した。

例：

:N:::N:

[編集] 立体表示と投影法

もともと構造式は透視図法のような立体を平面に射影した図表ではなく、トポロジー的な情報、すなわち個々の原子と連結した原子との相対的な位置関係以外は図表に表現され得ない。したがって、種々の立体表示方法と投影法が考案されている。つぎに立体表示方法と投影法の例を示す。

ニューマン投影法
CIP則によるRS表記法

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