化学式を読む

エタノールとジメチルエーテルはどちらも化学式がC₂H₆Oですが、一方は飲み物に入っていて、もう一方は燃料に使われる気体です。

化学式は元素記号で書いた短い文です。H₂O、CO₂、NaClは、どれもわずかな文字に多くの情報を詰めこんでいます。どの元素が含まれているか、どんな比か、そしてしばしば原子がどうつながっているかです。化学式をすらすら読めると、反応式のつり合わせから必要な物質の量の計算まで、化学のほかのすべての分野が楽になります。

元素記号と下つき数字

それぞれの元素記号はその元素の原子一つを表します。右下に小さく書いた数字、下つき数字は、すぐ前の原子がいくつあるかを表します。下つき数字がなければ一つです。つまりH₂Oは水素原子二つと酸素原子一つ、CO₂は炭素一つと酸素二つ、CH₄は炭素一つと水素四つです。大文字に注意しましょう。Coはコバルトですが、COは一酸化炭素、つまり炭素一つと酸素一つです。

かっこは、ひとまとまりになっている原子をまとめます。水酸化カルシウムはCa(OH)₂です。かっこのあとの下つき数字は中のすべてにかかるので、カルシウム一つ、酸素二つ、水素二つです。化学式の前に大きく書いた数字、係数は、単位全体を数えます。2H₂Oは水分子二つで、合わせて水素原子四つと酸素原子二つを含みます。

分子式、組成式、構造式

共有結合の分子では、化学式は一つの分子の中の各原子の実際の数を表します。グルコースはC₆H₁₂O₆で、炭素六つ、水素十二、酸素六つです。NaClやMgCl₂のようなイオンからなる物質では、別々の分子がないので、格子の中のイオンの比だけを表します。分子式は原子のつながり方を示さず、それがとても重要になることがあります。エタノールとジメチルエーテルはどちらもC₂H₆Oです。エタノールでは酸素が端にあって水素がついていて、C-C-O-Hです。ジメチルエーテルでは酸素が炭素のあいだにあり、C-O-Cです。

そのため化学者は、エタノールをCH₃CH₂OHやC₂H₅OHのような示性式で書いて原子の並び順を示したり、結合ごとに線を引いた構造式を描いたりもします。エタノールは約78 °Cで沸騰する液体で、水とよく混ざります。その理由の一つはO-H基が水素結合をつくれることです。ジメチルエーテルにはO-H基がなく、室温で気体です。

名前も化学式に従います。二つの元素からなる簡単な共有結合の化合物では、ギリシャ語の接頭語で原子を数えます。monoは1、diは2、triは3、tetraは4です。COは一酸化炭素（carbon monoxide）、CO₂は二酸化炭素（carbon dioxide）、N₂O₄は四酸化二窒素（dinitrogen tetroxide）です。韓国語の名前も同じように、漢字語の数詞で原子を数えます。イオンからなる物質は、電荷によって比がすでに決まっているので接頭語をつけず、金属を先に、非金属を語尾 -ideにして名づけます。塩化ナトリウム（sodium chloride）や酸化マグネシウム（magnesium oxide）がその例です。水、アンモニア、メタンは昔からの名前のままです。

化学式から質量へ

化学式の中の原子量を足し合わせると、モル質量、つまりその物質1 molの質量（g）が得られます。2024年のIUPACの値を使うと、水は2 × 1.008 + 15.999 = 18.015 g/molです。二酸化炭素は12.011 + 2 × 15.999 = 44.009 g/molです。塩化ナトリウムは22.990 + 35.45 = 58.44 g/molです。グルコースは6 × 12.011 + 12 × 1.008 + 6 × 15.999 = 180.156 g/molです。この合計を使えば、分子の数で書いたレシピをグラムで書いたレシピに変えられます。