Summenformel

Grundidee

Eine Summenformel, auch Bruttoformel genannt, gibt in der Chemie an, welche Arten von Atomen und wie viele Atome in einer chemischen Verbindung vorkommen. Sie ist wichtig, weil sie die Zusammensetzung eines Stoffes kurz darstellt und damit besonders für Reaktionsgleichungen und stöchiometrische Berechnungen genutzt wird.

Besteht eine Verbindung aus einzelnen, diskreten Molekülen, ist die Summenformel eine Molekülformel: Sie nennt dann die tatsächliche Zusammensetzung eines Moleküls. Bei Salzen wird dagegen eine Formeleinheit angegeben, die zur stöchiometrischen Zusammensetzung passt. Eine Summenformel ist oft nicht dasselbe wie eine Verhältnisformel. Die Verhältnisformel gibt nur das kleinstmögliche Zahlenverhältnis der beteiligten Atome an.

Schreibweise

Eine Summenformel besteht aus den Elementsymbolen der enthaltenen chemischen Elemente und kleinen, tiefgestellten arabischen Ziffern für die Anzahl der jeweiligen Atome. Die Zahl steht immer rechts tiefgestellt neben dem Elementsymbol. Die Ziffer „1“ wird nicht ausgeschrieben: Statt „H₂O₁“ schreibt man deshalb „H₂O“.

Bei Molekülen gibt die Summenformel die Zusammensetzung des Moleküls an. Dischwefeldichlorid hat die Summenformel S₂Cl₂, Ethan die Summenformel C₂H₆. Die jeweiligen Verhältnisformeln sind SCl und CH₃.

Reihenfolge der Elemente

Für die Reihenfolge der Elemente in Summenformeln gibt es verschiedene Regeln. In Tabellenwerken und Datenbanken wird besonders bei organischen Verbindungen oft das Hill-System verwendet. Dabei werden zuerst alle Kohlenstoffatome, dann die Wasserstoffatome angegeben; alle anderen Atomsymbole folgen streng alphabetisch. Das erleichtert das Auffinden von Verbindungen, wenn der Name unbekannt ist.

Bei anorganischen Verbindungen wird häufig eine Reihenfolge gewählt, die zur stöchiometrischen Zusammensetzung und zur Benennung passt. Das Element mit höherer Elektronegativität steht normalerweise rechts von einem Element niedrigerer Elektronegativität. Daher schreibt man Natriumchlorid als NaCl und nicht als ClNa.

Bei komplexen Salzen wird zuerst das Kation mit Zentralatom und Liganden angegeben, danach das Anion mit Zentralatom und Liganden, zum Beispiel (NH₄)₂SO₄ für Ammoniumsulfat. Anorganische Säuren werden entsprechend verwandten Salzen geschrieben; die Wasserstoffatome stehen anstelle der Kationen vorne, zum Beispiel H₃PO₄ für Phosphorsäure. Solche Formeln stellen Formeleinheiten für stöchiometrische Berechnungen dar, nicht die Struktur der Verbindungen.

Abgrenzung zur Verhältnisformel

Die Summenformel nennt bei Molekülen die tatsächliche Atomzahl, während die Verhältnisformel nur das kleinste Zahlenverhältnis angibt. Bei einfachen Verbindungen sind Molekülformel beziehungsweise Summenformel und Verhältnisformel oft gleich.

Bei Hexan C₆H₁₄ ist das Stoffmengenverhältnis n(C) : n(H) = 6 : 14 = 3 : 7. Die Verhältnisformel wäre daher C₃H₇. Diese Formel repräsentiert aber nicht das Molekül, weil sie nicht die realen Atomzahlen angibt und deshalb teilweise nicht eindeutig ist.

Der Begriff Summenformel wird allgemein weit gefasst. Auch Formeln wie C₂H₅OH oder Ce(SO₄)₂, die eher die Konstitution von Verbindungen beschreiben, werden als Summenformeln bezeichnet.

Typische Beispiele

Bei Natriumchlorid NaCl ist das Stoffmengenverhältnis von Natrium zu Chlor n(Na) : n(Cl) = 1 : 1. Als Größengleichung gilt: n(Na) = n(Cl). Die Summenformel von Natriumchlorid sagt jedoch nichts über die Struktur der Verbindung aus.

Bei Aluminiumoxid Al₂O₃ ist das Stoffmengenverhältnis n(Al) : n(O) = 2 : 3. Als Größengleichung: 3 × n(Al) = 2 × n(O).

H₂O beschreibt ein Wasser-Molekül aus zwei Wasserstoff-Atomen (H) und einem Sauerstoff-Atom (O), also mit dem Atomzahlenverhältnis 2 : 1. H₂SO₄ beschreibt ein Schwefelsäure-Molekül aus zwei Wasserstoff-Atomen, einem Schwefel-Atom (S) und vier Sauerstoff-Atomen, also mit dem Atomzahlenverhältnis 2 : 1 : 4.

Verwendung in Reaktionsgleichungen

Summenformeln werden zur Formulierung chemischer Reaktionsgleichungen verwendet. In der anorganischen Chemie werden die Ausgangsstoffe und Endstoffe einer Reaktion, also Edukte und Produkte, im Reaktionsschema in der Regel als Summenformeln angegeben. Dadurch bilden Summenformeln die Grundlage für stöchiometrische Berechnungen.

In der organischen Chemie werden Summenformeln nur selten verwendet. Der Grund ist, dass sie kaum Informationen enthalten, die für den Ablauf organisch-chemischer Reaktionen wichtig sind.