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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。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は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ために利用される場合とがある。

◆ 種類

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(右図)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ために、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。

◆ 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ために元素記号の右下付き添え字をつけて表現する。

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。

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。

化学式の部分構造を示すために丸括弧( )や角括弧[外部リンク]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ために、n、mなどの英小文字が使用される場合もある。

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。

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?(ドット。日本語の約物である中黒「・」とは異なる記号)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ために、n、mなどの英小文字が使用される場合とが存在する。

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、残りの要素の比を分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の場合は省略される場合が多い。

◇ 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。

◆ 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まとめられるために、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。

◇ 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ため、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ため、係数や添え字は必ずしも整数にはならない。

◆ 構造式

物質の構造を示すため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。

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