Chemische Formel

Verschiedene Formeldarstellungen des Benzol-Moleküls.

Chemische Formeln beschreiben in Formelsprache die Stoffteilchen, die in ihrer Gesamtheit eine Stoffportion eines Stoffes ergeben. Dieser Stoff kann im einfachen Fall ein Reinstoff, also sowohl ein Element als auch eine Verbindung sein.

Die Elementsymbole sind die Basis der chemischen Formelsprache: z.B. H für Wasserstoff, O für Sauerstoff, Mg für Magnesium, N für Stickstoff und C für Kohlenstoff.

Liegen zwei oder mehrere Atome desselben Elements in einem Molekül vor, dann wird das wiederum durch eine chemische Formel gekennzeichnet: z.B. H₂ für Wasserstoff, N₂ für Stickstoff, O₂ für Sauerstoff und O₃ für Ozon

Befinden sich in einer Verbindung zwei oder mehrere Atome verschiedener Elemente, dann wird auch das wiederum durch eine chemische Formel dargestellt: z.B. H₂O für Wasser, H₂O₂ für Wasserstoffperoxid, N₂O für Distickstoffmonooxid, CO₂ für Kohlenstoffdioxid und Fe₂O₃ für Eisen(III)oxid.

Chemische Formeln werden zum Aufstellen von Reaktionsgleichungen benötigt: Bespielsweise wird jeder an einer Reaktion teilnehmendem Reinstoff dazu in seine chemische Formel "übersetzt" und abschließend stöchimetrisch passend mit Vorzahlen versehen.

Bekannte Formelschreibweisen

Es werden verschiedene Schreibweisen von chemischen Formeln unterschieden. Die bekanntesten sind unter anderem:

Verhältnisformel: Sie setzt sich aus Elementsymbolen und kleinen, tiefgestellten Zahlen (Indizes) zusammen und gibt lediglich das Verhältnis wieder, in dem die einzelnen chemischen Elemente in einer chemischen Verbindung enthalten sind. Dabei werden ganzzahlige Verhältniszahlen verwendet.
Beispiel: Die Verhältnisformel für Benzol ist C₁H₁, die Verhältnisformel von Aluminiumsulfat ist Al₂O₁₂S₃.
Summenformel: Die Summenformel gibt jeweils die Anzahl der Atome der chemischen Elemente an, die in einer Verbindung enthalten sind. Bei Molekülen wird damit auch die tatsächliche Häufigkeit der Atome verschiedener Elemente im Molekül angegeben. Die Summenformeln von Salzen entsprechen in der Regel ihren Verhältnisformeln, werden jedoch meist in Form von Formeleinheiten angegeben, die der Stöchiometrie der Verbindung genügen.
Beispiel: Die Summenformel für Benzol ist C₆H₆, die Summenformel (Formeleinheit) von Aluminiumsulfat ist Al₂(SO₄)₃.
Strukturformel: Die Strukturformel gibt, neben der Anzahl der verschiedenen Atome in einem Molekül, auch deren Anordnung zueinander wieder, das heißt, sie gibt auch Auskunft über die Art der Atome und die Art ihrer chemischen Bindungen, gegebenenfalls auch über Bindungswinkel und Bindungslängen. Die Buchstaben stehen für einzelne Atome. Ein Strich entspricht einem Elektronenpaar, das in einer Elektronenwolke/Orbital vorliegt und entweder die Bindung zwischen Atomen ausmacht oder ein so genanntes freies Elektronenpaar ist. Zwei parallele Striche bedeuten entsprechend eine doppelte Bindung.
Es gibt verschiedene Varianten der Strukturformel, zum Beispiel die Elektronenformel, die Valenzstrichformel, die Keilstrichformel und die Skelettformel.
Kristallchemische Strukturformel: Sie ist eine spezielle Formelschreibweise, die in der Mineralogie für komplexere chemische Verbindungen verwendet wird. Die kristallchemische Strukturformel basiert auf der Summenformel, sortiert die Bestandteile jedoch nach Kationen und Anionen sowie der strukturellen Position der Anionen.
Beispiel: Die Summenformel für Fluorapatit ist Ca₅(PO₄)₃F, die kristallchemische Strukturformel dagegen Ca₅[F|(PO₄)₃], da das Anion Fluor nicht mit dem Phosphatkomplex verbunden ist, sondern nur mit dem Kation Calcium. Fluor ist entsprechend vom restlichen Anionenverband abgetrennt und in die Nähe des Kations gerückt.
Oxidformel: In der Mineralogie wird die chemische Zusammensetzung eines Minerals zudem oft als sogenannte Oxidformel angegeben, das heißt, die Summenformel wird in ihre Oxidkomponenten zerlegt. Beispielsweise kann die Zusammensetzung von Kalifeldspat (Orthoklas oder Mikroklin) mit der Summenformel KAlSi₃O₈ auch als Oxidformel in der Form K₂O·3Al₂O₃·6SiO₂ angegeben werden. Die Oxidformel erleichtert zum einen die Umrechnung von Gesteinsanalysen und zum anderen die Deutung von Mineralbildungsprozessen.<ref name="spektrum.de" />

Die Verwendung der Bezeichnungen der einzelnen Formeltypen ist nicht immer einheitlich geregelt und viele Bezeichnungen werden synonym verwendet. Strukturformeln werden hauptsächlich zur Beschreibung von Molekülen genutzt. Allerdings wird eine Strukturformel auch für die Beschreibung von Ionen in Kristallen verwendet, da die Ionen in den Ionenkristallen auch „strukturiert“ sind. Eine für salzartige Substanzen verwendete Formel sollte als Formeleinheit bezeichnet werden, nicht als Strukturformel oder Summenformel. Die tatsächliche Struktur einer salzartigen Verbindung wird erst durch dessen Kristallstruktur geklärt.

Vergleich verschiedener Formelschreibweisen für Moleküle in unterschiedlichen Abstraktionsgraden
	Strukturformeln				andere Darstellungsweisen
	Elektronen- formel	Valenzstrich- formel	Keilstrich- formel	Skelett- formel	Konstitutions- formel	Summen- formel	Verhältnis- formel
Methan	Datei:Methan Elektronenformel.svg	Datei:Methan Lewis.svg	Datei:Methan Struktur.svg	existiert nicht	CH₄	CH₄	CH₄
Propan	Datei:Propan Elektronenformel.svg	Datei:Propan Lewis.svg	Datei:Propan Struktur.svg	Datei:Propan Skelettformel.svg	CH₃–CH₂–CH₃ oder CH₃ CH₂ CH₃	C₃H₈	C₃H₈
Essigsäure	Datei:Essigsäure Elektronenformel.svg	Datei:Essigsäure Valenzstrichformel.svg	Datei:Essigsäure Struktur.svg	Datei:Essigsäure Skelettformel.svg	CH₃–COOH oder CH₃ COOH	C₂H₄O₂	CH₂O
Wasser	Datei:Wasser Elektronenformel.svg	Datei:WasserValenz.svg	Datei:WasserKonstitution.svg	existiert nicht	H–O–H oder H O H	H₂O	H₂O

Weitere Darstellungsmöglichkeiten

Fischer-Projektionsformel: für chirale Moleküle wie Aminosäuren oder Zucker
Haworth-Projektion, für 5- bis 6-ringige Moleküle wie Zucker
Newman-Projektionsformel: zur Darstellung der Konformation
Strukturcodes: International Chemical Identifier, Simplified Molecular Input Line Entry Specification, Wiswesser Line Notation

Weblinks

Einzelnachweise

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