Chemische Formeln lesen

Ethanol und Dimethylether haben beide die Formel C₂H₆O, doch das eine steckt in Getränken, das andere ist ein Gas, das als Brennstoff dient.

Eine chemische Formel ist ein kurzer Satz aus Elementsymbolen. H₂O, CO₂ und NaCl packen jeweils viel Information in wenige Zeichen: welche Elemente vorkommen, in welchem Verhältnis, und oft auch, wie die Atome verbunden sind. Wer Formeln flüssig lesen kann, dem fällt jeder andere Teil der Chemie leichter, vom Ausgleichen von Reaktionsgleichungen bis zur Frage, wie viel man von einem Stoff braucht.

Symbole und tiefgestellte Zahlen

Jedes Symbol steht für ein Atom dieses Elements. Eine kleine Zahl unten rechts, der Index, gibt an, wie viele Atome des direkt davor stehenden Elements es sind. Kein Index bedeutet eins. H₂O sind also zwei Wasserstoffatome und ein Sauerstoffatom; CO₂ ist ein Kohlenstoff und zwei Sauerstoff; CH₄ ist ein Kohlenstoff und vier Wasserstoff. Achte auf die Großbuchstaben: Co ist Cobalt, aber CO ist Kohlenstoffmonoxid, ein Kohlenstoff und ein Sauerstoff.

Klammern fassen Atome zusammen, die als Gruppe auftreten. Calciumhydroxid ist Ca(OH)₂: Der Index nach der Klammer multipliziert alles darin, also gibt es ein Calcium, zwei Sauerstoff und zwei Wasserstoff. Eine große Zahl vor einer Formel, der Koeffizient, zählt ganze Einheiten. 2H₂O bedeutet zwei Wassermoleküle, die zusammen vier Wasserstoffatome und zwei Sauerstoffatome enthalten.

Molekülformel, Verhältnisformel und Strukturformel

Bei einem Molekül mit Atombindungen gibt die Formel die tatsächliche Zahl jeder Atomsorte in einem Molekül an: Glucose ist C₆H₁₂O₆, sechs Kohlenstoff, zwölf Wasserstoff und sechs Sauerstoff. Bei einer Ionenverbindung wie NaCl oder MgCl₂ gibt sie nur das Verhältnis der Ionen im Gitter an, weil es keine einzelnen Moleküle gibt. Eine Molekülformel zeigt nicht, wie die Atome verbunden sind, und das kann sehr viel ausmachen. Ethanol und Dimethylether sind beide C₂H₆O. Im Ethanol sitzt der Sauerstoff am Ende und trägt ein Wasserstoffatom, C-C-O-H; im Dimethylether sitzt er zwischen den Kohlenstoffatomen, C-O-C.

Deshalb schreiben Chemiker auch Halbstrukturformeln wie CH₃CH₂OH oder C₂H₅OH für Ethanol, die die Reihenfolge der Atome andeuten, und zeichnen Strukturformeln mit einem Strich für jede Bindung. Ethanol ist eine Flüssigkeit, die bei etwa 78 °C siedet und sich mit Wasser mischt, unter anderem weil seine O-H-Gruppe Wasserstoffbrücken bilden kann. Dimethylether hat keine O-H-Gruppe und ist bei Raumtemperatur ein Gas.

Auch die Namen folgen der Formel. Bei einfachen Molekülverbindungen aus zwei Elementen zählen griechische Vorsilben die Atome: mono für 1, di für 2, tri für 3, tetra für 4. CO ist Kohlenstoffmonoxid und CO₂ Kohlenstoffdioxid, N₂O₄ ist Distickstofftetroxid. Koreanische Namen zählen die Atome genauso, mit sinokoreanischen Zahlwörtern. Ionenverbindungen werden mit dem Metall zuerst benannt und dem Nichtmetall mit der Endung -id, wie Natriumchlorid und Magnesiumoxid, ohne Vorsilben, weil die Ladungen das Verhältnis schon festlegen. Wasser, Ammoniak und Methan behalten ihre traditionellen Namen.

Von der Formel zur Masse

Addiert man die Atommassen in einer Formel, erhält man die molare Masse, die Masse eines Mols des Stoffes in Gramm. Mit den IUPAC-Werten von 2024 ergibt sich für Wasser 2 × 1.008 + 15.999 = 18.015 g/mol. Kohlenstoffdioxid hat 12.011 + 2 × 15.999 = 44.009 g/mol. Natriumchlorid hat 22.990 + 35.45 = 58.44 g/mol. Glucose hat 6 × 12.011 + 12 × 1.008 + 6 × 15.999 = 180.156 g/mol. Mit dieser Summe wird aus einem Rezept in Molekülen ein Rezept in Gramm.