實驗式（Emperical Formula）

實驗式（Emperical Formula）
國立臺灣大學化學系李俊毅/國立臺灣大學化學系林雅凡博士責任編輯

物質世界有千千萬萬種化合物，我們必須用一套有系統的方法來說明物質的組成。正如同每一個學科、行業都有自己的行話，化學世界裡也不例外，那就是化學式（chemical formula）。化學式如何表示物質的性質呢，化學家又是如何訂出化學式呢?

現代化學的概念立基在道爾吞的原子說，道爾吞認為所有的物質都是由原子組成，而原子不同的排列組合會形成不同的化合物。道爾吞在他所撰寫的書裡採用不同的圓球來代表不同的元素（見圖一，參考文獻2）。這樣的表示法蠻有創意的，不過若是要繪出複雜分子恐怕就很傷神了，所以現在化學家採用的化學式表示方法，是由瑞典化學家柏齊流斯創立，並經過不斷修改才有了今日的面貌。化學式因使用目的不同而有所區別，不過有幾個通則：（1）用元素符號來敘述（2）若某元素原子不只一個，在右下角標示數目（3）若含有電荷則在右上角標示正（負)電荷的數量。
(圖一)

實驗式又稱作”簡式”，是用不同元素原子數目的最簡單整數比來表示化學組成。實驗式顧名思義是告訴我們實驗中所量測得到的物質組成比例，但是準確地說，是元素分析（element analysis） 實驗。最常見的元素分析方式是燃燒分析（combustion analysis），將化合物以過量的氧氣完全燃燒，然後搜集各種產物的重量，反推各元素的組成。若是含有氫，燃燒會產生水，可用過氯酸鎂吸收；若是含有碳，燃燒則會產生二氧化碳，由氫氧化鈉吸收。得到水、二氧化碳的產生重量後可以計算各元素的重量百分組成，再除以原子量即可決定元素的比例。燃燒分析的原理很簡單，但是這個方法相當實用，除了碳和氫以外，目前的燃燒分析尚可做硫與氮的定量。時而至今，元素分析依然是鑑定新化合物相當重要的證據，化學家先由預期結構計算元素組成，再與實驗值比較，判斷預測是否正確。（見圖二，參考文獻3）

(圖二)

由實驗式可以知道化合物的元素組成，已足以描述離子化合物，例如食鹽NaCl、石灰CaO、硫酸鎂MgSO₄。不過對於分子化合物，我們無法從實驗式裡得到分子大小、結構、原子排列等這些更進一步的資訊。分子式（molecular formula）呈現出分子化合物所含原子的種類和「實際」的原子數目，之所以強調「實際」是因為這就是分子式與實驗式分野的所在。從元素分析中，我們只能求得元素的最簡比例，而無法得知完整分子組成。例如醋酸和甲醛的實驗式都是CH₂O，要區分這兩者就需要分子量的數據。

參考文獻：
1. 物質科學化學篇(上冊)，泰宇出版
2. Arthur Greenberg, A Chemistry History Tour, Wiley, 2000
3. Rung-Yi Lai, Chun-I Lee, Shiuh-Tzung Liu, Tetrahedron, 2008, 64, 1213-1217