Sciences · Chimie
Formule chimique
Une formule chimique indique quels atomes composent une espèce chimique et en quelle proportion, à l’aide des symboles des éléments et d’indices. H₂O signifie : deux atomes d’hydrogène pour un atome d’oxygène.
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La formule chimique est l’écriture abrégée d’une substance. Elle repose sur les symboles des éléments du tableau périodique, proposés sous leur forme actuelle par le chimiste suédois Jöns Jacob Berzelius au début du XIXᵉ siècle : une ou deux lettres, la première en majuscule (C, Ca, Cl). Selon le besoin, on emploie des formules plus ou moins détaillées, qui vont du simple décompte des atomes au dessin de la molécule.
Lire une formule
- Chaque symbole désigne un élément : H hydrogène, C carbone, N azote, O oxygène, Na sodium, Fe fer.
- L'indice en bas à droite donne le nombre d’atomes de l’élément qui le précède ; l’indice 1 ne s’écrit pas.
- Les parenthèses regroupent un ensemble répété : Ca(OH)₂ contient un calcium, deux oxygènes et deux hydrogènes.
- Un coefficient placé devant la formule, dans une équation, indique un nombre d’entités : 3 H₂O désigne trois molécules d’eau.
- Une charge en exposant signale un ion : Na⁺, SO₄²⁻.
| Formule | Composition | Nom courant |
|---|---|---|
| O₂ | 2 O | dioxygène |
| CO₂ | 1 C, 2 O | dioxyde de carbone |
| CH₄ | 1 C, 4 H | méthane |
| C₆H₁₂O₆ | 6 C, 12 H, 6 O | glucose |
| H₂SO₄ | 2 H, 1 S, 4 O | acide sulfurique |
| Ca(OH)₂ | 1 Ca, 2 O, 2 H | hydroxyde de calcium (chaux éteinte) |
Les différentes formules d’une molécule
Prenons l’éthanol, l’alcool des boissons.
| Type | Écriture pour l’éthanol | Ce qu’elle montre |
|---|---|---|
| Brute | C₂H₆O | nombre de chaque atome |
| Semi-développée | CH₃–CH₂–OH | enchaînement des atomes de carbone et groupes, sans les liaisons C–H |
| Développée | toutes les liaisons dessinées, chaque H relié à son atome | toutes les liaisons |
| Topologique | ligne brisée terminée par OH | squelette carboné en zigzag, les C et H étant sous-entendus |
| De Lewis | développée + doublets non liants | électrons de valence |
La formule topologique est la plus utilisée en chimie organique : chaque extrémité ou angle d’une ligne brisée représente un atome de carbone portant autant d’hydrogènes qu’il en faut pour faire quatre liaisons ; seuls les autres atomes (O, N, Cl…) et les H qui leur sont liés sont écrits.
Pourquoi la formule brute ne suffit pas
Une même formule brute peut correspondre à plusieurs molécules différentes, les isomères. C₂H₆O désigne aussi bien l’éthanol (CH₃–CH₂–OH), liquide qui bout à 78 °C, que le méthoxyméthane (CH₃–O–CH₃), un gaz. Seule une formule développée ou semi-développée les distingue.
Formule empirique et formule moléculaire
La formule empirique (ou formule minimale) donne le rapport le plus simple entre les atomes. Pour le glucose C₆H₁₂O₆, elle vaut CH₂O. La formule moléculaire est un multiple entier de la formule empirique. L’analyse élémentaire d’un composé inconnu fournit d’abord sa formule empirique ; la masse molaire permet ensuite de trouver la formule moléculaire.
Les composés ioniques
Un cristal ionique comme le sel n’est pas constitué de molécules : sa formule, dite formule statistique, indique seulement la proportion des ions qui assure la neutralité électrique.
- NaCl : un Na⁺ pour un Cl⁻ ;
- CaCl₂ : un Ca²⁺ pour deux Cl⁻ ;
- Al₂O₃ : deux Al³⁺ (6 charges +) pour trois O²⁻ (6 charges −).
Méthode rapide : on « croise » les charges, la charge de l’un devenant l’indice de l’autre, puis on simplifie si possible (Mg²⁺ et O²⁻ donnent MgO et non Mg₂O₂).
De la formule au nom
La correspondance entre formule et nom suit les règles de la nomenclature chimique de l’UICPA. En chimie minérale, on nomme d’abord l’anion puis le cation (chlorure de sodium pour NaCl), en précisant au besoin le nombre d’atomes par des préfixes (monoxyde, dioxyde, trioxyde). Dans une formule, on écrit en revanche le cation en premier.
Questions fréquentes
Quelle est la différence entre formule brute et formule développée ?
La formule brute compte les atomes (C₃H₈ pour le propane). La formule développée dessine toutes les liaisons entre eux, ce qui montre la structure de la molécule.
Que signifie le petit chiffre dans H₂O ?
C’est un indice : il indique qu’il y a deux atomes d’hydrogène dans la molécule. L’oxygène, sans indice, est présent une seule fois.
Pourquoi écrit-on CO₂ et non C₁O₂ ?
Par convention, l’indice 1 est omis. On écrit donc CO pour le monoxyde de carbone et CO₂ pour le dioxyde.
Comment calculer la masse molaire à partir d’une formule ?
On additionne les masses molaires atomiques de tous les atomes de la formule, en tenant compte des indices. Méthode détaillée dans la fiche masse molaire.