10. Chemische Symbole und Formeln
Symbole für chemische Elemente
Bereits die Alchemisten verwendeten zur Bezeichnung chemischer Stoffe und Vorgänge Symbole und erschufen so eine einfache Bildersprache (Bild 4 ganz unten). Allerdings wollten sie jeden Arbeitsgang in ihren Labors und jeden Stoff mit einem Bild darstellen, ein Versuch, der letztlich scheitern mußte.
Der schwedische Chemiker J. J. Berzelius (1779 - 1848) führte mit dem Fortschritt der wissenschaftlichen Chemie im 18. und 19. Jahrhundert die in der heutigen Chemie gebräuchlichen Symbole ein. Er stellte 1818 die erste ausführliche »Atomgewichtstabelle« auf. Seine Forschungen hatten großen Einfluß auf die Entwicklung der gesamten Chemie.
Er schlug vor, zur Bezeichnung der Elemente die Anfangsbuchstaben ihres Namens zu benutzen. Dieser Vorschlag war derart erfolgreich, dass die Symbole heute überall auf der Welt verwendet werden.
| Sauerstoff | oxygenium | $ \mathrm { O } $ |
| Silicium | silicium | $ \mathrm { Si } $ |
| Aluminium | aluminium | $ \mathrm { Al } $ |
| Eisen | ferrum | $ \mathrm { Fe } $ |
| Zink | zincum | $ \mathrm { Zn } $ |
| Kupfer | cuprum | $ \mathrm { Cu } $ |
| Calcium | calcium | $ \mathrm { Ca } $ |
| Kohlenstoff | carbo | $ \mathrm { C } $ |
| Schwefel | sulfur | $ \mathrm { S } $ |
| Stickstoff | nitrogenium | $ \mathrm { N } $ |
| Iod | iodum | $ \mathrm { I } $ |
| Gold | aurum | $ \mathrm { Au } $ |
| Allgemein Ein chemisches Symbol kann bedeuten: |
| 1. Eine bestimmte Stoffart |
| 2. Ein Atom eines Elementes |
| 3. Die Masse eines Atoms eines Elementes |
| 4. 1 Mol eines Elementes, also $6,023\cdot 10^{23}$ Atome |
| 5. Die Masse von 1 mol Atomen eines Elementes in g |
| Beispiel Das Symbol Cu kann bedeuten: |
| 1. Die Stoffart Kupfer |
| 2. Ein Atom Kupfer |
| 3. 63,54 u Kupfer |
| 4. 1 mol Kupfer, also $6,023\cdot 10^{23}$ Atome Kupfer |
| 5. 63,54 g Kupfer, also die Masse von 1 mol Kupferatomen |
Die Wertigkeit
Wenn man die Formel einer Verbindung aufstellen will, darf man nicht einfach die Symbole nebeneinander stellen, da viele Atome die Eigenschaft besitzen, zwei oder mehrere Atome an sich zu binden.
Diese Fähigkeit nennt man Wertigkeit der Atome, sie gibt die Zahl an, wieviele Atome Wasserstoff ein Atom binden oder ersetzen kann.
Es verbinden sich:
- 2 Wasserstoffatome mit 1 Sauerstoffatom; der Sauerstoff ist also zweiwertig
- 3 Wasserstoffatome mit 1 Stickstoffatom, der Stickstoff ist also dreiwertig
- 4 Wasserstoffatome mit 1 Kohlenstoffatom, der Kohlenstoff ist also vierwertig.
| Element | Wertigkeit |
| Schwefel Quecksilber Zink Aluminium Iod Natrium Kalium Phosphor Silber Chlor |
II, IV, VI II II II I, V, VII I I II, V I I, V VII |
Viele Elemente haben mehrere Wertigkeiten, wie Tabelle wiedergibt.
Die chemische Formel
Wenn chemische Elemente miteinander reagieren, dann verbinden sich die Atome dieser Elemente miteinander (Kap. 7). Will man dies darstellen, werden die Symbole der Elemente, die miteinander reagieren, nebeneinander geschrieben. So bilden sie eine chemische Formel. Wenn die miteinander reagierenden Elemente, die gleiche Wertigkeit haben, dann ist das Aufstellen einer chemischen Formel einfach. Man schreibt die entsprechenden Symbole einfach nebeneinander, wie beispielsweise $ \mathrm { ZnS } $ (Zinksulfid) oder $ \mathrm { NaI } $ (Natriumiodid).
Wenn sich Atome verschiedener Wertigkeiten verbinden, wird die Sache schon etwas schwieriger. Wertigkeiten dürfen nicht frei bleiben, daher verbindet sich im Fall der verschiedenen Wertikeiten keineswegs ein Atom des einen Elements mit einem Atom des anderen. Zwar verbindet sich 1 Atom $ \mathrm { Ca } $ (zweiwertig) mit 1 Atom $ \mathrm { O } $ (zweiwertig), aber zwei Atome $ \mathrm { H } $ (einwertig) mit einem Atom $ \mathrm { O } $; also $ \mathrm { CaO } $, aber $ \mathrm { H_{2}O } $. Im Sauerstoff sind zwei Atome in einem Molekül miteinander verbunden, also schreibt man $ \mathrm { O_{2} } $. Beim Aufstellen einer Formel muß man die Wertigkeiten der Elemente kennen, die sich miteinander verbinden. In der Formel wird nämlich das Zahlenverhältnis der sich miteinander verbindenden Atome angegeben. Dies läßt sich durch eine einfache Rechnung oder sehr anschaulich auch grafisch bestimmen.
| 1. Feststellen der Wertigkeiten | Al: III O: II |
| 2. Errechnen des kgV der Wertigkeiten | 6 |
| 3. Teilen des kgV durch die Wertigkeiten | 6 : III = 2 6 : II =3 |
| 4. Aufstellen der Formel | $ \mathrm { Al_{2}O_{3} } $ |
| Die tiefgestellten Zahlen beziehen sich nur auf die davorstehenden Symbol. Keine Zahl bedeutet 1 | Die Formel $ \mathrm { Al_{2}O_{3} } $ sagt also aus, dass in der Verbindung Aluminiumoxid Aluminiumatome und Sauerstoffatome sich im Zahlenverhältnis 2 : 3 miteinander verbinden: 2 Atome Al verbinden sich mit 3 Atomen O |
Grafisch
Man kann die Wertigkeit eines Atoms auch grafisch wiedergeben. Für die Wertigkeit I zeichnet man ein Kästchen, für die Wertigkeit II zwei Kästchen usw.
Decken sich die Kästchen der beiden miteinander verbundenen Elemente, so kann die Formel aufgestellt werden
Bereits die frühen Alchemisten verwendeten eine Art Bildersprache, um Stoffe oder ihre Arbeitsmethoden zu beschreiben.
Die abgebildeten »Chymischen Zeichen« stammen aus einem Buch aus dem Jahre 1623 und wurden als eine Art Geheimzeichen betrachtet.
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