Chemische Formel
Chemische Formeln beschreiben den Aufbau und die Zusammensetzung von chemischen Verbindungen. Verwendet werden chemische Formeln, um chemische Reaktionen oder um das Zahlenverhältnis innerhalb eines chemischen Elements abzubilden. In chemischen Reaktionen treten Formeln als Teil einer Reaktionsgleichung auf. Bei der Darstellung von Molekülen sind Elementsymbole ein Teil der Formel genauso wie die Verhältniszahl (z.B. O2 oder N3).
Für die Chemie sind Formeln sehr wichtig, da man sich dadurch auf eine gemeinsame Schreibweise einigt. Das Verstehen und Aufstellen von chemischen Formeln gehört demnach zu den Grundlagen der Chemie.
Inhalt
Warum braucht man chemische Formeln
Chemische Formeln unterliegen einem internationalen Standard. So kann es zwar sein, dass ein Chemiker in Deutschland das Wort „Wasser“ kennt, aber in Indien ein Chemiker mit dem deutschen Begriff nichts anfangen kann. Damit Chemiker auf der ganzen Welt miteinander kommunizieren können, braucht es eine international festgelegte Schreibweise. Die Formel für Wasser (H2O) kennen Chemiker auf der ganzen Welt.
Was beschreibt man mit chemischen Formeln
Chemische Formeln beschreiben die Zusammensetzungen von Substanzen und Stoffen. Je nach Formel wird auch die räumliche Anordnung der Atome bzw. Atomgruppen in einem Molekül durch eine Formel abgebildet.
Wie unterscheidet man chemische Formeln
Man unterscheidet chemische Formeln nach ihrem Informationsgehalt nach:
- Stöchiometrische Formeln
- Molekülformeln
- Konstitutionsformeln
- Elektronenformeln
- Konfigurationsformeln
- Konformationsformeln
Stöchiometrische Formel
Stöchiometrische Formeln werden auch als Substanz- oder Verhältnisformel bezeichnet. Sie geben an, welche Atome in einer chemischen Verbindung vorliegen und in welchem Verhältnis diese zueinander stehen. Aluminiumoxid hat die Formel Al2O3. Demnach besteht das Oxid aus Aluminium (Al) und Sauerstoff. Das Verhältnis der beiden Elemente beträgt 2 zu 3.
Molekülformel
Die Molekülformel wird auch Bruttoformel oder Summenformel genannt. Anders als die Verhältnisformel (vorheriger Abschnitt) gibt die Summenformel an, wie viele Atome jeder Art am Aufbau eines Moleküls tatsächlich vorhanden sind.
Wasser hat die Summenformel H2O. Hier sind Summen- und Verhältnisformel gleich. Wasser besteht demnach aus Wasserstoff (H) und Sauerstoff (O), welche im Verhältnis 2:1 auftreten.
Aber bei Ethin, einem Vertreter der Alkine, ist dies schon anders. Die Verhältnisformel wäre CH, da Kohlenstoff (C) und Wasserstoff (H) in einem Verhältnis von 1 zu 1 auftreten. Die Summenformel lautet hingegen: C2H2. Immer noch das gleiche Verhältnis (1 : 1 bzw. 2 : 2). Aber man kann anhand der Summenformel erkennen, dass jedes Ethinmolekül aus zwei Kohlenstoffatomen und zwei Wasserstoffatomen besteht.
Konstitutionsformel
Konstitutionsformeln geben zusätzlich Auskunft darüber, wie viele Atombindungen in einem Molekül vorhanden sind. Außerdem geben sie die Reihenfolge der Atombindungen an. Deshalb wird die Konstitutionsformel auch als Strukturformel bezeichnet.
Die Konstitutionsformel für Wasser lautet: H-O-H. Man sieht, dass zwischen dem ersten Wasserstoffatom und dem Sauerstoffatom eine chemische Bindung vorliegt, genauso wie beim zweiten Wasserstoffatom.
Etwas komplizierter wird es, wenn mehr Atome in einem Molekül enthalten sind. So etwa bei Ethanol, einem einfachen Alkohol. Die Summenformel für Ethanol lautet: C2H6O. Die Konstitutionsformel sieht wie folgt aus.
Elektronenformel
Elektronenformel sind komplexere Konstitutionsformeln. Denn es werden nicht nur die Atombindungen und die Reihenfolge dargestellt, sondern auch die beteiligten Außenelektronen.
Konfigurationsformeln
Mittels Konfigurationsformeln lässt sich die räumliche Anordnung von Atomen darstellen. Verwendet werden Konfigurationsformeln, um Konfigurationsisomere darzustellen, wie z.B. bei cis-trans Isomeren.
Dabei liegt von einem Molekül sowohl eine cis- als auch eine trans-Form vor. Ein typisches Beispiel ist 1,2-Dichlorethen mit der Molekülformel C2H2Cl2
Konformationsformeln
Die Konformation entsteht durch Rotation um Einfachbindungen. Mittels Konformationsformeln kann die unterschiedliche Anordnung von Atomen innerhalb eines Moleküls dargestellt werden, welche sich durch das Drehen um diese Einfachbindung ergibt. Dadurch wird die genaue Anordnung der Atome im Raum möglich.
Was bedeuten Plus und Minus in chemischen Formeln
Das Pluszeichen und das Minuszeichen gibt jeweils die elektrische Ladung an. Am Beispiel von Natrium (Na) kann dies gezeigt werden.
Natrium hat die Ordnungszahl 11 im Periodensystem der Elemente. Demnach existieren 11 Protonen im Atomkern und 11 Elektronen in der Atomhülle. Die Elektronenschalen in der Hülle des Natriums sind wie folgt besetzt:
- K-Schale: 2 Elektronen
- L-Schale: 8 Elektronen
- M-Schale: 1 Elektron
Um stabil zu sein, gibt Natrium sein Außenelektron ab. Demnach besteht ein Protonenüberschuss mit positiv geladenen Protonen. Neben dem Natrium wird deshalb ein Pluszeichen gesetzt: Na+. Dadurch wird die Ladung (also das 1 Proton mehr) angezeigt. Das positiv-geladene Natriumatom wird jetzt als Ion bezeichnet. Und ein positiv geladenes Ion wird als Kation bezeichnet.
Noch ein Beispiel…
Sauerstoff wird mit 2- versehen. Wieso? Das gleiche Prinzip. Sauerstoff (O) hat die Ordnungszahl 8. Demnach existieren 8 positiv geladene Protonen im Atomkern und 8 negativ geladene Elektronen in der Atomhülle. Die Elektronenschalen des Sauerstoffs sind wie folgt besetzt:
- K-Schale: 2 Elektronen
- L-Schale: 6 Elektronen
Um die L-Schale voll und somit stabil zu machen, braucht das Sauerstoffatom zwei zusätzliche Elektronen. Denn erst mit 8 Elektronen ist die L-Schale wirklich voll. Diese 2 zusätzlichen Elektronen nimmt das Sauerstoffatom auf, weshalb ein Überschuss an negativer Ladung besteht. Demnach wird neben dem Elementsymbol für Sauerstoff (O) eine 2 und ein Minuszeichen platziert. Das bedeutet, dass im Sauerstoffatom 2 Elektronen mehr vorhanden sind als Protonen.
O2- bedeutet demnach, dass es sich um ein Sauerstoff-Ion handelt. Aufgrund der negativen Ladung bezeichnet man es auch als Anion.