Chemische Formel

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

Die Elementsymbole sind die Basis der chemischen Formelsprache. Beispielsweise steht H für ein Wasserstoffatom, O für ein Sauerstoffatom, Mg für ein Magnesiumatom, N für ein Stickstoffatom und C für ein Kohlenstoffatom.

Für alle Metalle und die Edelgase ist das Elementsymbol des Periodensystems der Elemente gleichbedeutend mit seiner chemischen Formel, weil die Stoffteilchen der Metalle und Edelgase immer nur aus einem Atom bestehen: Fe für Eisen bzw. He für Helium.

Sind jedoch die Stoffteilchen eines Elementes aus zwei oder mehr Atomen der gleichen Atomsorte aufgebaut, wird das durch eine andere chemische Formel gekennzeichnet. Häufig ist dies bei Nichtmetallen der Fall. So steht unter anderem H₂ für ein Wasserstoffmolekül, bestehend aus zwei Wasserstoffatomen in einer Stoffportion Wasserstoff, S₈ für ein Schwefelmolekül bestehend aus acht Schwefelatomen in einer Stoffportion gelben Schwefels, O₂ für ein Sauerstoffmolekül bestehend aus zwei Sauerstoffatomen in einer Stoffportion Sauerstoff und O₃ für ein Ozonmolekül bestehend aus drei Sauerstoffatomen in einer Stoffportion Ozon. Der Zahlenwert des Index, also die Indexzahl, benennt dabei die Anzahl der Atome dieser Atomsorte im Stoffteilchen. Bei den in diesem Abschnitt genannten Beispielen handelt es sich ausnahmslos um Moleküle und solche chemischen Formeln heißen daher genauer Molekülformeln.

Befinden sich in den Stoffteilchen einer Verbindung zwei oder mehrere Atome verschiedener Nichtmetallelemente, kann eine chemische Formel wie folgt aufgebaut sein: H₂O für ein Wassermolekül bestehend aus zwei Wasserstoffatomen und einem Sauerstoffatom in einer Stoffportion Wasser, H₂O₂ für ein Wasserstoffperoxidmolekül bestehend aus zwei Wasserstoffatomen und zwei Sauerstoffatom in einer Stoffportion Wasserstoffperoxid sowie CO₂ für ein Kohlenstoffdioxidmolekül bestehend aus einem Kohlenstoffatom und zwei Sauerstoffatomen in einer Stoffportion Kohlenstoffdioxid.

Befinden sich in den Stoffteilchen einer Verbindung scheinbar zwei oder mehrere Atome eines Metalls und eines Nichtmetalls, dann kann seine chemische Formel wie folgt aufgebaut sein: Fe₂O₃ steht dann allerdings für eine Eisen(III)oxidionengruppe bestehend aus zwei Eisenkationen und drei Sauerstoffanionen einer Stoffportion Eisen(III)oxid. Bei der Entstehung dieser Verbindung findet eine Redoxreaktion statt bei der durch Elektronenübertragung aus den Atomen Ionen werden.

Chemische Formeln werden auch zum Aufstellen von Reaktionsgleichungen benötigt, wobei jeder an einer Reaktion teilnehmende Reinstoff in seine chemische Formel „übersetzt“ und abschließend stöchiometrisch passend mit Vorzahlen versehen wird.

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 den Stoffteilchen 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.^[1]

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				existiert nicht	CH4	CH4	CH4
Propan					CH3–CH2–CH3 oder CH3 CH2 CH3	C3H8	C3H8
Essigsäure					CH3–COOH oder CH3 COOH	C2H4O2	CH2O
Wasser				existiert nicht	H–O–H oder H O H	H2O	H2O

• 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

• Die chemische Zeichensprache
• https://www.lernort-mint.de/chemie/allgemeine-chemie/bezeichnung-von-stoffen/chemische-formeln-schreibweise-und-wiedergabe/

1. ↑ Oxidformel. In: Lexikon der Geowissenschaften – Spektrum.de. Abgerufen am 22. Februar 2023.