Chemische Formel

Grundidee

Eine chemische Formel beschreibt in der chemischen Formelsprache Stoffteilchen, die zusammen eine Stoffportion eines chemischen Stoffes bilden. Dieser Stoff kann ein Reinstoff sein, also entweder ein chemisches Element oder eine chemische Verbindung.

Die Grundlage der Formelsprache sind Elementsymbole aus dem Periodensystem. H steht zum Beispiel für ein Wasserstoffatom, O für ein Sauerstoffatom, Mg für ein Magnesiumatom, N für ein Stickstoffatom und C für ein Kohlenstoffatom. Kleine tiefgestellte Zahlen, die Indizes, geben an, wie viele Atome einer Atomsorte in einem Stoffteilchen vorkommen.

Elemente

Bei Metallen und Edelgasen ist das Elementsymbol zugleich die chemische Formel, weil ihre Stoffteilchen jeweils aus nur einem Atom bestehen. Beispiele sind Fe für Eisen und He für Helium.

Bei einigen Elementen bestehen die Stoffteilchen aus zwei oder mehr Atomen derselben Atomsorte. Das ist häufig bei Nichtmetallen der Fall. H_{2} steht für ein Wasserstoffmolekül aus zwei Wasserstoffatomen, S_{8} für ein Schwefelmolekül aus acht Schwefelatomen, O_{2} für ein Sauerstoffmolekül aus zwei Sauerstoffatomen und O_{3} für ein Ozonmolekül aus drei Sauerstoffatomen. Solche Formeln heißen genauer Molekülformeln, weil die genannten Stoffteilchen Moleküle sind.

Verbindungen

Verbindungen enthalten Stoffteilchen mit Atomen verschiedener Elemente. Wenn mehrere Nichtmetalle beteiligt sind, kann die Formel die Anzahl der Atome im Molekül angeben: H_{2}O steht für ein Wassermolekül aus zwei Wasserstoffatomen und einem Sauerstoffatom, H_{2}O_{2} für ein Wasserstoffperoxidmolekül aus zwei Wasserstoffatomen und zwei Sauerstoffatomen, CO_{2} für ein Kohlenstoffdioxidmolekül aus einem Kohlenstoffatom und zwei Sauerstoffatomen.

Bei Verbindungen aus einem Metall und einem Nichtmetall stehen die Formeln oft für Ionengruppen beziehungsweise Formeleinheiten. Fe_{2}O_{3} beschreibt eine Eisen(III)oxidionengruppe aus zwei Eisenkationen und drei Sauerstoffanionen in einer Stoffportion Eisen(III)oxid. Bei der Bildung solcher Verbindungen findet eine Redoxreaktion statt: Durch Elektronenübertragung werden aus Atomen Ionen.

Reaktionsgleichungen

Chemische Formeln werden benötigt, um Reaktionsgleichungen aufzustellen. Dabei wird jeder Reinstoff, der an einer chemischen Reaktion beteiligt ist, in seine chemische Formel übersetzt. Anschließend werden die Formeln stöchiometrisch passend mit Vorzahlen versehen, sodass die Mengenverhältnisse der Reaktion stimmen.

Wichtige Formelschreibweisen

Die Verhältnisformel besteht aus Elementsymbolen und Indizes und gibt nur das ganzzahlige Verhältnis der Elemente in einer Verbindung an. Für Benzol lautet sie C_{1}H_{1}, für Aluminiumsulfat Al_{2}O_{12}S_{3}.

Die Summenformel gibt an, wie viele Atome der jeweiligen Elemente in den Stoffteilchen einer Verbindung enthalten sind. Bei Molekülen zeigt sie die tatsächliche Anzahl der Atome im Molekül. Für Benzol ist die Summenformel C_{6}H_{6}; bei Aluminiumsulfat wird als Formeleinheit Al_{2}(SO_{4})_{3} angegeben.

Die Strukturformel zeigt zusätzlich zur Anzahl der Atome auch ihre Anordnung, die Art der Atome und chemischen Bindungen, gegebenenfalls auch Bindungswinkel und Bindungslängen. Ein Strich steht für ein Elektronenpaar; zwei parallele Striche bedeuten eine Doppelbindung. Varianten sind Elektronenformel, Valenzstrichformel, Keilstrichformel und Skelettformel.

Die kristallchemische Strukturformel wird besonders in der Mineralogie für komplexere Verbindungen verwendet. Sie basiert auf der Summenformel, ordnet die Bestandteile aber nach Kationen, Anionen und der strukturellen Position der Anionen. Bei Fluorapatit lautet die Summenformel Ca_{5}(PO_{4}){3}F, die kristallchemische Strukturformel Ca{5}[F|(PO_{4})_{3}], weil Fluor nicht mit dem Phosphatkomplex verbunden ist, sondern nur mit Calcium.

Die Oxidformel gibt in der Mineralogie die Zusammensetzung eines Minerals als Oxidkomponenten an. Kalifeldspat mit der Summenformel KAlSi_{3}O_{8} kann als K_{2}O·3Al_{2}O_{3}·6SiO_{2} dargestellt werden. Das erleichtert die Umrechnung von Gesteinsanalysen und die Deutung von Mineralbildungsprozessen.

Die Bezeichnungen der Formeltypen sind nicht immer einheitlich geregelt; viele Begriffe werden synonym verwendet. Für salzartige Substanzen sollte man von einer Formeleinheit sprechen, nicht von Strukturformel oder Summenformel. Die tatsächliche Struktur einer salzartigen Verbindung wird erst durch ihre Kristallstruktur geklärt.

Weitere Darstellungen

Neben den bekannten Formelschreibweisen gibt es weitere Darstellungen für besondere Zwecke. Die Fischer-Projektionsformel wird für chirale Moleküle wie Aminosäuren oder Zucker genutzt. Die Haworth-Projektion eignet sich für 5- bis 6-ringige Moleküle wie Zucker. Die Newman-Projektionsformel dient zur Darstellung der Konformation.

Außerdem können Strukturcodes verwendet werden, etwa International Chemical Identifier, Simplified Molecular Input Line Entry Specification und Wiswesser Line Notation.