Wzory chemiczne na maturze z chemii - czy musimy uczyć się ich na pamięć?

Uczenie się wzorów chemicznych na pamięć jest niestety wciąż powszechną praktyką w edukacji chemicznej. Jednak jest to bardzo niepraktyczne podejście.

Znajomość dużej liczby wzorów chemicznych może ułatwić i przyspieszyć Tobie pracę, ale też niepotrzebnie obciąża pamięć oraz zwiększa ryzyko pomyłki. Zwłaszcza podczas stresujących momentów jak sprawdzian czy egzamin maturalny, o pomylenie wzoru nietrudno. Oczywiście, są pewne wzory chemiczne, które do matury znać musisz, bo bez tej wiedzy nie będziesz w stanie odpowiedzieć na niektóre pytania, czy rozwiązać niektórych zadań, ale nie jest to wcale pokaźna lista.

Zdecydowanie dużo korzystniej jest nauczyć się jak wzory rozpoznawać, tworzyć, rysować, rozpisywać itd.

Ale zacznijmy od początku.

1. Jakie wzory chemiczne stosujemy najczęściej w chemii na poziomie szkoły średniej?

a) Wzory empiryczne: Wzory empiryczne to najprostsza forma zapisu chemicznego, przedstawiająca stosunek liczby atomów różnych pierwiastków w cząsteczce w najmniejszych liczbach całkowitych. Jest to wzór wyznaczany teoretycznie i nie odzwierciedlają dokładnej struktury cząsteczki. Przykładem niech będzie glukoza, której wzór empiryczny to CH₂O.

b) Wzory sumaryczne i wzory rzeczywiste: Wzory te przedstawiają dokładną liczbę atomów każdego pierwiastka w cząsteczce. Dają one pełniejszy obraz składu cząsteczki niż wzory empiryczne, ale nadal nie zawierają informacji o tym, w jaki sposób atomy są ze sobą połączone. Ponownie, niech za przykład posłuży glukoza, której wzór rzeczywisty glukozy to  C₆H₁₂O₆.

 c) Wzory strukturalne: Wzory strukturalne podają skład ilościowy i jakościowy, ale dodatkowo przedstawiają układ atomów i wiązań chemicznych w cząsteczce. Istnieje spora liczba sposobów, w jaki możemy przedstawić połączenia pomiędzy poszczególnymi atomami, dlatego omówione zostaną poniżej.

2. Jak przedstawić strukturę cząsteczki?

Przedstawienie struktury cząsteczki, czyli ukazanie jakie atomy,  w jaki sposób i jakim typem wiązania się ze sobą łączą wcale nie jest takie proste.

Zwłaszcza w przypadku chemii organicznej, gdzie często mamy do czynienia z bardzo dużymi strukturami, a położenie atomów w przestrzeni trójwymiarowej ma ogromne znaczenie. 

Aby to ułatwić istnieje kilka typów i sposobów zapisu:

a) wzór kreskowy

Wzory kreskowe opierają się na wykorzystaniu linii (kreski) do reprezentowania wiązań chemicznych między atomami oraz symboli pierwiastków do oznaczania atomów. 

np.: etan

 

np.: kwas węglowy

W przypadku bardziej rozbudowanych struktur, zwykle w chemii organicznej, dla zachowania czytelności wzoru i zaoszczędzeniu czasu, nie zapisuje się symboli dwóch pierwiastków: węgla oraz wodoru. Są to tzw. wzory szkieletowe.

Węgiel, wraz z odpowiednią liczbą atomów wodoru, we wzorze szkieletowym znajduje się zawsze na wierzchołku (końcu) każdej z linii. Wyodrębnia się natomiast inne atomy np. tlen, chlor, brom itd., czy grupy funkcyjne np. grupa hydroksylowa -OH, karbonylowa =O itd.

np.: heksan-3-on

 

np.: 1-bromo-2-metylopropan

W przypadku wiązań wielokrotnych stosuje się podwójne bądź potrójne linie, a w przypadku związków cyklicznych, rysuje odpowiednią strukturę.

np.: pent-1-en

np.: chlorobenzen

Więcej informacji i przykładów na temat rysowania wzorów strukturalnych znajdziesz na naszym kursie z chemii Więcej niż Matura, między innymi w lekcji teoretycznej numer 43 o wzorach strukturalnych kwasów i zasad.

b) wzór Lewisa (elektronowy)

Wzory elektronowe przypominają wzory kreskowe, gdyż przedstawiają w jaki sposób atomy się ze sobą łączą, jednakże obrazują również położenie elektronów walencyjnych (czyli tych, znajdujących się najdalej od jądra) wokół każdego pierwiastka.

Elektrony, zarówno wiążące (tworzące wiązania chemiczne) jak i niewiążące (nie tworzące wiązania) zapisuje się w postaci kropek, a w przypadku pary elektronowej pozostawia się dwie kropki koło siebie, lub rysuje się taką parę w postaci jednej linii (kreski).

We wzorze Lewisa rysuje się wolną parę elektronową, czyli taką, która nie bierze udziału w tworzeniu wiązania chemicznego, dla każdego atomu który ją posiada. Zaznaczenie obecności wolnej pary elektronowej ma istotne znaczenie w ustaleniu oddziaływań międzycząsteczkowych, czy kształtu cząsteczki.

np.: amoniak

 

np.: chlorowodór

 

np.: woda

Więcej informacji i przykładów na temat rysowania wzorów elektronowych znajdziesz na naszym kursie z chemii Więcej niż Matura, między innymi w lekcji teoretycznej numer 7 o rodzajach wiązań chemicznych.

c) wzór półstrukturalny (grupowy)

Wzór półstrukturalny, to swojego rodzaju kompromis pomiędzy wzorem sumarycznym, a wzorem kreskowym. Z jednej strony pokazuje wszystkie atomy, jakie znajdują się w cząsteczce, ale zachowuje też sposób przedstawienia tego jak i które atomy /grupy funkcyjne się ze sobą łączą.

We wzorze grupowym “zwija się” atomy wodoru połączone z danym atomem węgla w jedną grupę, przez co unika się ich żmudnego pisania, a skupia się na ukazaniu łańcucha węglowego i grup funkcyjnych, czy innych niż węgiel / wodór atomów.

np.: kwas butanowy

 

np.: 3-metylopentan-2-ol

Więcej informacji i przykładów na temat rysowania wzorów grupowych znajdziesz na naszym kursie z chemii Więcej niż Matura, między innymi w lekcji teoretycznej numer 53 o rysowaniu wzorów związków organicznych.

d) wzór perspektywiczny

Wzory perspektywiczne (wzory przestrzenne), są graficznym sposobem przedstawiania trójwymiarowej struktury cząsteczek i związków chemicznych. W przeciwieństwie do płaskich wzorów kreskowych, wzory perspektywiczne uwzględniają geometrię przestrzenną atomów i wiązań chemicznych.

Do rysowania tego typu wzorów stosuje się linie (kreski) i symbole pierwiastków, podobnie jak we wzorze kreskowym, ale dodatkowo, aby przedstawić, jak poszczególne atomy są rozmieszczone w przestrzeni dodaje się dwa rodzaje oznaczeń: linie przerywane (kreskowane) i pogrubione, tzw. kliny.

Linia przerywana ukazuje wiązanie skierowane pod płaszczyznę, za kartkę, od obserwatora. Linia pogrubiona ukazuje wiązanie skierowane nad płaszczyznę, przed kartkę, w stronę obserwatora.

np.: 2-bromo-2-chlorobutan

 

np.: kwas 2-hydroksypropanowy (mlekowy)

Więcej informacji i przykładów na temat rysowania wzorów perspektywicznych znajdziesz na naszym kursie z chemii Więcej niż Matura, w lekcji teoretycznej numer 59 o izomerii związków organicznych.

e) wzór Hawortha

Wzory Hawortha to uproszczone zapisy struktury pierścieniowych cząsteczek, takich jak węglowodany. Te graficzne reprezentacje ukazują ich konfigurację oraz układ grup hydroksylowych w formie pierścieniowej.

np.: ɑ-D-glukopiranoza

Więcej informacji i przykładów na temat rysowania wzorów perspektywicznych znajdziesz na naszym kursie z chemii Więcej niż Matura, między innymi w lekcji teoretycznej numer 59 o izomerii związków organicznych.

f) wzór rzutowy Fishera (projekcja Fishera)

Projekcja Fishera to sposób przedstawiania trójwymiarowych cząsteczek organicznych w płaskim dwuwymiarowym zapisie. Stosowana jest głównie do reprezentacji cząsteczek chiralnych (izomerów optycznych) i polega na przedstawieniu cząsteczki z perspektywy jednego z atomów węgla chiralnego. Ta metoda jest przydatna w analizie konfiguracji stereochemicznej cząsteczek i w ilustrowaniu reakcji chiralnych w chemii organicznej.

np.: (2S)-2,3-dihydroksypropanal

Więcej informacji i przykładów na temat rysowania wzorów perspektywicznych znajdziesz na naszym kursie z chemii Więcej niż Matura, między innymi w lekcji teoretycznej numer 59 o izomerii związków organicznych.

g) modele cząsteczek

Do wizualizowania rozmieszczenia przestrzennego atomów stosuje się również modelowanie 3D. Współcześnie istnieje spora liczba aplikacji komputerowych, która pozwala generować tego typu modele.

Oczywiście zawsze możesz też pobawić się w domu, przygotowując modele z plasteliny, wełny, balonów itp.

np.: cholesterol

Pamiętaj proszę, że istnieje jeszcze kilka innych metod przedstawiania struktur związków, a powyższa lista to tylko te najpopularniejsze, omawiane w szkole średniej.

3. Dlaczego nie warto uczyć się wzorów chemicznych na pamięć?

a) Rozumienie zamiast zapamiętywania: Ważniejsze niż samo zapamiętywanie wzorów jest zrozumienie, jak powstają tego typu związki. Jakiego rodzaju wiązania występują pomiędzy atomami, jakie grupy funkcyjne zawierają, jak tworzą się takie struktury czy jakie oddziaływania występują między cząstkami.

Ostatnimi czasy na egzaminie maturalnym stosowany jest trend, gdzie w zadaniu przedstawia się dość skomplikowany wzór związku organicznego, którego z dużym prawdopodobieństwem nie znasz, ale jesteś w stanie zidentyfikować jakie grupy funkcyjne zawiera, a co za tym idzie przewidzieć jakim reakcjom chemicznym będzie on ulegał i jakie produkty powstaną. Dodatkowo ustalisz możliwe interakcje międzycząsteczkowe, co pozwoli na oszacowanie niektórych właściwości fizycznych.

b) Znajomość mechanizmu reakcji: jedną z ważniejszych rzeczy w zrozumieniu jak powstaje dany produkt jest znajomość mechanizmu reakcji chemicznej. 

Czyli tego, jak przebiega cały proces, które atomy są bezpośrednio zaangażowane, w jakim środowisku reakcja ma szanse zajść itd. Na podstawie tych informacji jesteś w stanie ustalić jak powinna wyglądać cząsteczka związku chemicznego, a znając podstawowe zasady rysowania wzorów, móc ją przedstawić w formie wzoru sumarycznego, czy strukturalnego.

Skupienie się na zrozumieniu chemicznych mechanizmów i zależności stwarza możliwość rozwijania umiejętności kreatywnego myślenia i rozwiązywania problemów, co jest cenniejsze niż prosta reprodukcja wzorów.

c) Mnogość wzorów: W świecie chemii istnieją miliony (dosłownie!) różnych związków i cząsteczek. Zapamiętanie ich wszystkich nie jest fizycznie możliwe. A wbijanie sobie do głowy nawet części z nich może być uciążliwe i frustrujące, zwłaszcza jeśli nie są one regularnie używane. Oczywiście jest pewna grupa związków, z którymi będziesz się często spotykać, zarówno podczas zajęć w szkole, jak i na egzaminie, ale ucząc się na bieżąco, czy rozwiązując zadania same zapadną Tobie w pamięć.

d) Skomplikowanie wzorów i nazw: tego, że nazewnictwo związków chemicznych potrafi być skomplikowane, nie trzeba raczej pisać, prawda? Ale znając podstawowe zasady nazywania związków, zauważysz, że to wszystko jest naprawdę bardzo spójne i logiczne, oraz podąża wg. określonych zasad. Dlatego zamiast wkuwania wzorów, gdzie o pomyłkę nietrudno, lepiej poznać i zrozumieć mechanizmy ich tworzenia.

e) Czas i wysiłek: Uczenie się wzorów chemicznych na pamięć wymaga znacznego nakładu czasu i wysiłku. Ten czas można lepiej wykorzystać na rozwijanie umiejętności analitycznych, eksperymentalnych i zrozumienia konceptów chemicznych.

f) Zmiany w nazewnictwie: chemia, podobnie jak większość dziedzin nauki, jest “żywa” i dynamiczna, a nowe odkrycia i teorie ciągle ewoluują. To, co dzisiaj jest uważane za prawdziwe, może być modyfikowane w świetle przyszłych badań. Skoncentrowanie się na zrozumieniu koncepcji i ogólnych reguł pozwala lepiej dostosować się do tych zmian.

g) Dostęp do Internetu i źródeł informacji: Obecnie mamy dostęp do niemal nieograniczonej ilości informacji za pomocą Internetu. Wzory chemiczne podczas codziennej możesz bardzo łatwo znaleźć w źródłach cyfrowych, czy podręcznikach.

Jeśli jednak nadal upierasz się na tym, że potrzebujesz listy najczęściej spotykanych związków w szkole, czy na maturze, poniżej znajduje się taka subiektywna lista. Ale żeby nie było za łatwo, i by zmotywować Ciebie do dalszej nauki i poszukiwań w przypadku związków nieorganicznych masz przedstawione wyłącznie wzory sumaryczne, a w przypadku związków organicznych wyłącznie nazwy.

Chemia nieorganiczna:

• tlenki – np. MgO, CaO, Al₂O₃, SiO₂, CO₂, SO₂, SO₃, P₄O₁₀, NO₂ / N₂O₄, MnO₂, CrO, Cr₂O₃, CrO₃, FeO, Fe₂O₃, CuO, 
• wodorotlenki: NaOH, KOH, Al(OH)₃, Ca(OH)₂. Fe(OH)₃, Cu(OH)₂, Cr(OH)₃, 
• kwasy: H₂S¹⁾, HCl¹⁾, HBr¹⁾, HI¹⁾, HNO₃, H₃PO₄¹⁾, H₂SO₄¹⁾, 
• sole: NaCl, NH₄Cl, NaHCO₃, Na₂CO₃, CaCO₃, FeCl₃, NaNO₃, AgNO₃, CuSO₄, CaSO₄, K₂Cr₂O₇, MnSO₄, KCrO₄, KMnO₄, NaHCO₃,
• inne: NH₃, Br_2(aq), H₂O₂
  

Związki chemiczne często spotykane w zadaniach dotyczących reakcji utleniania i redukcji:

• K₂Cr₂O₇, KCrO₄, KMnO₄, H₂O₂, H₂SO₄, S^2-, SO₃^2-, NO^2–, S₂O₈^2-

Chemia organiczna

• alkany: metan, etan, propan, butan
• alkeny: eten, propen 
• alkiny: etyn
• związki aromatyczne: benzen, toluen, ksylen, naftalen, 
• alkohole: metanol, etanol, fenol¹⁾, propano-1,2,3-triol, etano-1,2-diol, propano-1,2-diol,
• aldehydy: formaldehyd, acetaldehyd, benzaldehyd
• ketony: aceton, 
• polimery: PE, PP, PVC, PET, PMMA
• kwasy: mrówkowy¹⁾, octowy¹⁾, benzoesowy¹⁾, szczawiowy, palmitynowy, stearynowy, oleinowy,
• sole: octan sodu
• aminy: metanoamina¹⁾, etanoamina¹⁾, anilina¹⁾
• amidy: formamid, acetamid, mocznik, benzamid
• związki wielofunkcyjne: kwas mlekowy¹⁾, kwas salicylowy, kwas 3-hydroksybenzoesowy
• węglowodany: glukoza, fruktoza, sacharoza, skrobia, celuloza
• aminokwasy: glicyna¹⁾, alanina¹⁾, 

¹⁾ Nazwa i wzór są w tablicach maturalnych

Reasumując wzory chemiczne to tylko narzędzie do opisywania zjawisk chemicznych. Bez głębszego zrozumienia kontekstu i mechanizmów reakcji, zapamiętane wzory mogą być niewystarczające w praktycznych czy nawet teoretycznych zastosowaniach.

Zamiast marnować czas na mechaniczne zapamiętywanie wzorów chemicznych, warto skupić się na zrozumieniu podstawowych konceptów chemicznych oraz na rozwijaniu umiejętności analitycznych i kreatywnego myślenia.

⇒ FACEBOOK
⇒ INSTAGRAM
⇒ TIKTOK
⇒ YOUTUBE