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Jöns Jacob Berzelius
Bild 1. Jöns Jacob Berzelius

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.

 
Chemisches Symbol: Stoffart, 1 bestimmtes Atom, die Atommasse (u) von einem Element, 1 mol des Elements, die Masse (g) von 1 mol des Elements

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.

Tabelle 1. Symbole von einigen chemischen Elementen mit ihren lateinischen oder griechischen Bezeichnungen.
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 } $
Tabelle 2. Ein chemisches Symbol kann verschiedene Bedeutungen haben
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

 
Wertigkeit ist eine Zahl, die angibt, wieviele Atome Wasserstoff ein Atom binden oder ersetzen kann
Wertigkeiten einiger Elemente.
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
 
Worin beruht der Vorteil der von Berzelius eingeführten chemischen Zeichensprache? Warum ist es unmöglich, chemische Verbindungen mit bestimmten Zeichen zu symbolisieren? Warum besteht das Symbol mancher Elemente aus zwei Buchstaben? Beispiele?
 
Aufstellen einer Formel: Wertigkeiten feststellen - kgV der Wertigkeiten bilden - Atomzahlen bestimmen
Bild 2. Formel und Zusammensetzung des Wasserstoff-, Sauerstoff- und Wassermoleküls.

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:

Viele Elemente haben mehrere Wertigkeiten, wie Tabelle links wiedergibt.

Die chemische Formel

 
In einer Formel muß die Summe der Wertigkeiten der miteinander verbundenen Elemente übereinstimmen
 
In den Sulfiden ist der Schwefel zweiwertig. Wie lauten die Formeln für Quecksilbersulfid, Natriumsulfid, Aluminiumsulfid und Silbersulfid? Die Wertigkeiten findet man in der kleinen Tabelle oben rechts..

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.

Tabelle 3. Wie man eine chemische Formel am Beispiel einer Verbindung aus Aluminium (Al) und Sauerstoff (O) aufstellt
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.

Bild 3. Decken sich die Kästchen der beiden miteinander verbundenen Elemente, so kann die Formel aufgestellt werden
Geheimzeichen Alchemisten
Bild 4. 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.
 
Schwefel kann in Verbindung mit zweiwertigem Sauerstoff sowohl vierwertig als auch sechswertig sein. Wie lauten die Formeln für die beiden möglichen Verbindungen zwischen Schwefel und Sauerstoff?
 
Bestimme die Wertigkeiten der in den folgenden Verbindungen vorkommenden Elemente:
  • $ \mathrm { NO } $
  • $\mathrm { NO_2 }$
  • $ \mathrm { N_{2}O_{5} } $
  • $ \mathrm { CrO_{3} } $
  • $ \mathrm { PCl_{5} } $
  • $ \mathrm { H_{2}S } $
  • $ \mathrm { AlN } $
  • $ \mathrm { NaCl } $
  • $ \mathrm { HF } $
  • $ \mathrm { K_{2}O } $
 
Was drücken die folgenden Formeln aus?
  • $ \mathrm { 2H } $
  • $ \mathrm { H_{2} } $
  • $ \mathrm { 2N } $
  • $ \mathrm { N_{2} } $
  • $ \mathrm { O_{2} } $
  • $ \mathrm { O_{3} } $