Symbolschreibweise

Grundprinzip der Symbolschreibweise

In der Chemie werden Elemente im Periodensystem der Elemente (PSE) durch Elementsymbole abgekürzt. Beispiele sind Na für Natrium, C für Kohlenstoff und O für Sauerstoff. Die Symbole stammen entweder aus alten lateinischen oder griechischen Bezeichnungen oder bei neueren Elementen aus den englischen Namen. Teilweise beziehen sie sich auch auf Entdeckungsorte oder berühmte Chemiker und Physiker.

Die Groß- und Kleinschreibung ist genau zu beachten: Besteht ein Elementsymbol aus zwei Buchstaben, ist der erste Buchstabe groß und der zweite klein. Co bezeichnet Cobalt, während CO für Kohlenstoffmonoxid steht. CoO bezeichnet Cobalt(II)-oxid. Elementsymbole mit mehr als zwei Buchstaben gibt es bei endgültig benannten Elementen nicht.

Eine chemische Formel gibt an, welche Elemente in einer Verbindung enthalten sind und wie viele Atome beziehungsweise Teilchen davon vorkommen. Die Anzahl wird durch eine tiefgestellte Zahl hinter dem Elementsymbol angegeben. Diese Zahl heißt Index oder Indexzahl. Der Index 1 wird fast immer weggelassen.

Formeln, Benennungen und Teilchenzahlen

Beispiele für wichtige Formeln sind:

• H₂O: Wasser besteht aus 2 Wasserstoffatomen und 1 Sauerstoffatom.
• CO: Kohlenstoffmonoxid besteht aus 1 Kohlenstoffatom und 1 Sauerstoffatom.
• CO₂: Kohlenstoffdioxid besteht aus 1 Kohlenstoffatom und 2 Sauerstoffatomen.
• NH₃: Ammoniak besteht aus 1 Stickstoffatom und 3 Wasserstoffatomen.
• H₂O₂: Wasserstoffperoxid besteht aus 2 Wasserstoffatomen und 2 Sauerstoffatomen.
• NaCl: Natriumchlorid ist ein Ionengitter, in dem auf 1 Natrium-Kation 1 Chlorid-Anion kommt.

Die Symbolschreibweise wird gelesen, indem man Buchstaben und Zahlen nacheinander ausspricht, zum Beispiel H₂O als „H-2-O“, CO₂ als „C-O-2“ und Fe₂O₃ als „Fe-2-O-3“.

Neben Trivialnamen gibt es eine systematische Benennung, die Nomenklatur. Sie verwendet die Namen der beteiligten Elemente und Zahlwörter für die Anzahl der Atome: Mono-, Di-, Tri-, Tetra-, Penta-, Hexa-, Hepta-, Okta-, Nona- und Deka-. As₂O₅ heißt beispielsweise Diarsenpent(a)oxid, Fe₂O₃ Dieisentrioxid, AlCl₃ Aluminiumtrichlorid und H₂O Dihydrogenmonoxid.

Das zuletzt genannte Element erhält häufig die Endung „-id“, besonders bei Verbindungen aus zwei Elementen. Beispiele sind -oxid für Sauerstoff, -sulfid für Schwefel, -carbid für Kohlenstoff, -hydrid für Wasserstoff sowie -fluorid, -chlorid, -iodid und -nitrid für Fluor, Chlor, Iod beziehungsweise Stickstoff. Verbindungen mit drei oder mehr Elementen haben meist Trivialnamen.

Reihenfolge und Bedeutung der Formeln

Die Reihenfolge der Elementsymbole richtet sich grundsätzlich nach ihrer Stellung im Periodensystem: Das weiter links stehende Elementsymbol wird zuerst genannt. Stehen Elemente im Periodensystem untereinander, wird das untere zuerst genannt. Ausnahmen gibt es bei Wasserstoff, wenn er sich mit Stickstoff oder Kohlenstoff verbindet. Deshalb steht Wasserstoff in NH₃ (Ammoniak) und CH₄ (Methan) hinten.

Je nach Stoffart kann dieselbe Art der Schreibweise unterschiedliche Bedeutungen haben. Bei molekularen Stoffen wie Wasser beschreibt H₂O die Zusammensetzung eines Moleküls. Die Formel eines Moleküls mit Elementsymbolen heißt auch Summenformel.

Bei vielen Verbindungen, den Salzen, beschreibt die Formel dagegen nicht ein einzelnes Molekül. NaCl gibt das Zahlenverhältnis der Natrium-Kationen und Chlorid-Anionen im Natriumchlorid an: Auf jedes Natrium-Kation kommt ein Chlorid-Anion. Deshalb heißt eine solche Formel Verhältnisformel. Zur Abgrenzung von Molekülen können geschweifte Klammern verwendet werden, etwa {NaCl}. Auch FeS₂ beziehungsweise {FeS₂} ist eine Verhältnisformel: Auf 1 Eisen-Atom kommen 2 Schwefel-Atome.

Mehrere Teilchen werden durch einen Koeffizienten vor der Formel angegeben. 4 H₂O bedeutet 4 Wassermoleküle. Diese enthalten insgesamt 8 Wasserstoffatome (4 · 2) und 4 Sauerstoffatome (4 · 1). Der Koeffizient bezieht sich also auf die gesamte Verbindung und wird beim Lesen ebenfalls mitgesprochen: „Vier-H-2-O“.

Reaktionsgleichungen und Ausgleichsrechnung

Reaktionsgleichungen beschreiben chemische Vorgänge in Symbolschreibweise. Sie zeigen nicht nur qualitativ, welche Stoffe miteinander reagieren und welche entstehen, sondern auch quantitativ, in welchem Teilchenverhältnis sie beteiligt sind. Nach dem Gesetz von der Erhaltung der Masse muss die Masse der Ausgangsstoffe (Edukte) der Masse der Endprodukte entsprechen. Daher muss die Anzahl der Atome jedes Elements auf beiden Seiten gleich sein.

Bei der Verbrennung von Ethanol mit Sauerstoff zu Kohlenstoffdioxid und Wasser lautet die Wortgleichung:

Ethanol + Sauerstoff → Kohlenstoffdioxid + Wasser

Zunächst kann sie so geschrieben werden:

C₂H₅OH + O₂ → CO₂ + H₂O

Diese Gleichung ist noch nicht ausgeglichen. Nach dem Ausgleichen lautet sie:

C₂H₅OH + 3 O₂ → 2 CO₂ + 3 H₂O

Die tiefgestellten Zahlen in den Formeln sind Indexzahlen. Sie gehören zum Element davor und dürfen nicht verändert werden, weil eine andere Indexzahl einen anderen Stoff bezeichnet. Die Zahlen vor den Formeln heißen Koeffizienten oder stöchiometrische Faktoren. Sie geben die Anzahl der Moleküle des jeweiligen Stoffes an und dürfen für die Ausgleichsrechnung verändert werden.

Komplexe Ausgleichsrechnungen können mit Gleichungssystemen gelöst werden. Für die Gleichung C₆H₆O + H₂O₂ → H₂O + CO₂ werden zunächst Variablen vergeben:

x₁ C₆H₆O + x₂ H₂O₂ = x₃ H₂O + x₄ CO₂

Für jedes Element wird eine Bilanzgleichung aufgestellt:

• 6x₁ = x₄
• x₁ + 2x₂ = x₃ + 2x₄
• 6x₁ + 2x₂ = 2x₃

Vier Unbekannte und drei Gleichungen reichen allein nicht für eine eindeutige Lösung. Zwei Nebenbedingungen schaffen Eindeutigkeit: Alle gesuchten Koeffizienten müssen natürliche ganze Zahlen sein, und gesucht ist der kleinste Satz solcher Koeffizienten. Eine Variable kann daher vorläufig festgelegt werden, meist x₁ = 1. Daraus ergeben sich x₄ = 6, x₃ = 17 und x₂ = 14. Die ausgeglichene Gleichung lautet:

C₆H₆O + 14 H₂O₂ = 17 H₂O + 6 CO₂.

Zweiatomige Elemente und Zahlenschreibweise

Viele Gase bestehen im elementaren Zustand nicht aus einzelnen Atomen, sondern aus Molekülen mit zwei Atomen. Nach der im Artikel angegebenen Regel liegen alle bei Normbedingungen gasförmigen Elemente außer den Edelgasen als zweiatomige Moleküle vor. Auch die Halogene, also die Elemente der 7. Hauptgruppe Fluor, Chlor, Brom und Iod, sind zweiatomig. Beispiele sind O₂, N₂, Cl₂ und F₂.

Besonders wichtig ist der Unterschied zwischen einem Koeffizienten vor der Formel und einem Index in der Formel:

• 2 Cl bedeutet 2 einzelne Chloratome.
• Cl₂ bedeutet 1 Teilchen aus 2 Chloratomen.
• CO₂ bedeutet 1 Molekül aus 1 Kohlenstoffatom und 2 Sauerstoffatomen.
• 2 CO bedeutet 2 Teilchen, die jeweils aus 1 Kohlenstoffatom und 1 Sauerstoffatom bestehen.
• 3 CO₂ bedeutet 3 Teilchen mit insgesamt 3 Kohlenstoffatomen und 6 Sauerstoffatomen.

Die Verwendung chemischer Symbole hat eine längere Vorgeschichte: Bereits die Alchemie in Antike und Mittelalter arbeitete mit Zeichen. Die heute verwendeten Symbole für chemische Elemente wurden 1813/1814 von dem schwedischen Chemiker Jöns Jakob Berzelius (1779–1848) eingeführt.