4.2 Summenformel

Ein Thema, was häufig etwas mehr Schwierigkeiten macht ist das richtige Erstellen von Summenformeln. Erschwert wird das ganze durch die „Faulheit der Chemiker“:

Bei chemischen Reaktionsgleichungen und Formeln wird selten eine allein stehende 1 geschrieben. Meistens wird sie weggelassen (denkt sie euch aber dazu).

Die Summenformel zeigt an aus welchen und wie viel Atomen ein Molekül besteht. Dabei schreibt man die Elementsymbole hin. Im Index hinter dem Elementsymbol schreibt dann noch die Anzahl der Atome eines Elements in arabischen Ziffern.

Vorgehensweise zum Erstellen einer Summenformel

1. Alle Elementsymbole hinschreiben aus denen ein Molekül besteht.
2. Die Anzahl der Atome eines Elements zählen.
3. Die Anzahl im Index hinter das Elementsymbol schreiben. (Falls es eine 1 ist, die 1 weglassen).

 

Beispiel: Wasser

 

1. Schritt:  H O    (hinschreiben)
2. Schritt: Wasser besteht aus 2 Hs und 1 O
3. Schritt:  H₂O₁   => faule, also richtige Schreibweise:  H₂O 

In kurz:

 

Jetzt kommen wir zu ein paar Übungen. Zunächst wiederholen wir die HNO-Regel.

Zeichnet die Summenformel wie auch die Strukturformel als Übung für folgende Elemente:

Element Wasserstoff

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H₂

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Element Stickstoff

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N₂ 

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Element Chlor

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Cl₂

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 Bevor wir zu etwas komplexeren Molekülen kommen möchte ich noch eine andere Ziffer einführen. Manchmal hat man ja nicht nur ein Molekül, sondern 2, 3, 4, … (bzw um eine realistische Zahl zu haben 1 mol, 2 mol, 3 mol, ...). Diese Ziffer schreiben wir vor der Summenformel.

Bsp.:  Ich habe in einem Behälter folgende Anzahl an Wassermoleküle:

    bzw.    

Ergebnis:

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3 H₂O

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Wichtig ist es, den Unterschied zu verstehen, wann eine Zahl in den Index kommt und wann davor.

Hier einmal zwei Beispiele:

In einem Gefäß sind 3 Wasserstoff-Moleküle:

 

Schreibe die dazu passende Summenformel:

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3 H₂ 

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In einem Gefäß sind 6 Wasserstoff-Atome, ohne dass sie als Molekül gebunden sind:

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6 H₁  => denkt an die faule Schreibweise: 6 H (da man keine 1 schreibt).

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Ihr seht, dass in beiden Behältern jeweis 6 H-Atome drin sind; allerdings ist es nicht das gleiche. Und das muss man auch an den Summenformeln erkennen. 

Weitere Beispiele:

Schreibe die Summenformel für folgende Verbindungen:

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C₁H₄ => CH₄  (= Methan, ein Molekül welches aus 1 C-Atom und 4 H-Atomen besteht.

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Lösung: Cl₂

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Lösung: P₄ 

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Und zum Abschluss noch zwei Moleküle Ammoniak:

    bzw.         

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Lösung: 2 N₁H₃  bzw. richtig: 2 NH₃ 

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Beim nächsten Thema führen wir das gelernte (Strukturformeln und Summenformeln) bei den Reaktionsgleichungen zusammen. 

• Lewis-Formel
• Strukturformel
• Elektronenpaarbindung
• Summenformel

4.1.1 Die Elektronenpaar-Bindung und die HNO-Regel

Die HNO-Regel hat leider ein paar Konsequenzen, die die Sache verkomplizieren. Wir werden immer wieder die gleichen chemischen Reaktionen anschauen, aber sie unterschiedliche Aufschreiben; wundert Euch also nicht, dass Euch manches bekantn vorkommt bzw. dass wir die Reaktionsgleichungen etwas unterschiedlich. Aber ihr wisst auch, dass man durch Wiederholung am besten lernt. 

In diesem Kapitel geht es darum, zu verstehen, warum es eine einfache und eine etwas kompliziertere Reaktionsgleichung gibt, weil wir die HNO-Regel anwenden müssen. 

Beispiel 4a: Bildung eines Chlorwasserstoff-Moleküls, HCl-Molekül - ohne HNO-Regel.

Jetzt solltet ihr ein Molekül aus zwei unterschiedlichen Elementen herstellen (Element Wasserstoff und Element Chlor). Wir haben also ein Wasserstoff-Atom, welches mit einem Chlor-Atom reagieren soll. Das Ergebnis ist Chlorwasserstoff. 

Im Chlorwasserstoff-Molekül liegt eine Einfachbindung vor; somit ist Chlor und Wasserstoff im Chlorwasserstoff-Molekül einbindig. 

Im Chlorwasserstoff-Molekül erlangt das Chlor-Atom durch das gemeinsame (bindende) Elektronen-paar 8 Valenzelektronen (Edelgaskonfiguration, Oktett; Argon-Atom) und das Wasserstoff-Atom durch das binden-de Elektronenpaar 2 Außenelektronen (ebenfalls Edelgaskonfiguration; Helium-Atom) (siehe gestrichelte Kreise oben). 

Bei den Ausgangsstoffen wird die Edelgas-Regel aber nicht erfüllt. 

Beispiel 4b: Bildung eines Chlorwasserstoff-Moleküls, HCl-Molekül - mit HNO-Regel.

Frage: Für welche Ausgangsstoffe müssen wir die HNO-Regel anwenden? 

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Für beide. H-Atom kommt in "HNO" vor und Cl-Atom ist ein "Hal"ogen. 

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 Aufgabe: Formuliere die Bildung des Moleküls von Chlorwasser mit Berücksichtigung der HNO-Regel

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Wichtig bei Reaktionsgleichungen ist natürlich, dass man immer gleich viel von jeder Atomsorte hat. Dabei darf man die Anzahl frei wählen.  

Zur Veranschaulichung auch nochmal eine Abbildung mit den Kugelwolken. Die Summenformel zum Schluss werden im nächsten Kapitel genauer erklärt. 

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Beispiel 5a: Bildung eines Wassers-Moleküls, H₂O-Molekül - ohne HNO-Regel.

Wasser besteht aus Wasserstoff und Sauerstoff. 

Aufgabe: Schreibt zunächst für die Bildung von Wasser aus seinen Elementen Wasserstoff und Sauerstoff die Reaktionsgleichung ohne Berücksichtigung der HNO-Regel: 

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Beispiel 5b: Bildung eines Wassers-Moleküls, H₂O-Molekül - mit HNO-Regel.

Aufgabe: Schreibt jetzt die Reaktionsgleichung mit der HNO-Regel. Hinweis: Die Lösung habe ich nochmals zusätzlich mit Kugelwolkenmodell gemacht. 

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Beispiel 6a: Bildung eines Ammoniak-Moleküls, NH₃-Molekül - ohne HNO-Regel.

Aufgabe: Zum Schluss der solltet ihr einmal Ammoniak aus seinen beiden Elementen Wasserstoff und Stickstoff herstellen - ohne HNO-Regel. Kleiner Tipp: Euch ist bestimmt schon aufgefallen, dass wann immer ein Einzelelektron (= Punkt in der Lewis-Formel) vorliegt, sich dieses bei den Atombindungen einen Partner sucht und versucht sich zu verbinden. Kontrolliert zum Schluss nochmals, ob die Edelgas-Regel erfüllt ist. 

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Beispiel 6b: Bildung eines Ammoniak-Moleküls, NH₃-Molekül - mit HNO-Regel.

Aufgabe: Formuliert die Reaktionsgleichung für die Bildung von Ammoniak in Lewis-Formeln mit Berücksichtigung der HNO-Regel: 

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Jedes mal zum Ausgleichen die ganzen Strukturformeln hinzuschreiben ist sehr zeitaufwendig (und eigentlich auch unnötig). Man schreibt viel einfacher die Ziffer davor. 

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Zusammenfassung: Eine Atombindung entsteht durch „Überlappung“ zweier (oder mehrerer) einfach besetzter Atomorbitale. Dies ist ein exothermer Vorgang. Die Element-Atome erreichen im Molekül durch gemeinsamen Elektronenbesitz Edelgaskonfiguration.

 

• Edelgas-Regel
• Atombindung
• HNO-Regel

4.1 Die HNO-Regel (HNO7-Regel)

Info: Was blau geschrieben ist, dient zur Erklärung und muss nicht unbedingt in das Heft geschrieben werden.

atomar: das bedeutet, dass ein Element als einzelnes Atom vorliegt. Das gilt zum Beispiel für die Edelgase (VIII Hauptgruppe).

Übung: Zeichne die Edelgase der 1. bis zur 6. Hauptgruppe in Lewisformel: 

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Aber was ist mit den anderen Nichtmetall-Elementen? Auch die wollen natürlich die Edelgas-Regel einhalten. Dafür gehen diese auch Atombindungen (Elektronpaarbindungen) ein. Je nach Element kann das sehr einfach sein oder eher etwas komplexer.

Für die Schule ist es recht einfach (aber auch ein wenig willkürlich): Ihr müsst nur folgende Elemente euch merken: Wasserstoff (H), Stickstoff (N), Sauerstoff (O) und die Halogene (F, Cl, Br, I, At)

Aber bei so vielen Elementen ist das gar nicht so einfach. Deshalb gibt es die „HNO-Regel“; das ist keine offiziell Regel sondern eher eine Eselsbrücke. HNO als Begriff im Alltag bedeutet ja eigentlich „Hals-Nasen-Ohren-Heilkunde“. Nun hat Hals-Nasen-Ohrenheilkunde nichts mit unserer Regel zu tun. Aber die Buchstaben passen sehr gut. Deshalb jetzt die Regel:

Die HNO-Regel (Hals-Nasen-Ohren-Heilkunde) besagt, dass H (Wasserstoff) N (Stickstoff) O (Sauerstoff) Halogene (7. Hauptgruppe: Fluor, Chlor, Brom, Iod, Astat) als zweiatomiges Moleküle vorkommen.

Übung: Zeichne alle Elemente, für die die HNO-Regel gilt in Lewis-Formel.

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Soweit also die HNO-Regel. Bitte beachtet diese in Zukunft und zeichnet, wann immer Wasserstoff, Stickstoff, Sauerstoff oder Halogene elementar vorkommen diese als Molekül und nicht atomar.

Info: 

Was ist mit den anderen Nichtmetall-Atomen, wenn sie elementar vorliegen? Sind das dann einzelne Atome?

Nein, aber viel komplexer. Manche Elemente kommen in verschiedene Modifikationen vor. Kohlenstoff kommt z.B. als Graphit und Diamant vor (desweiteren Fullerene oder amorpher Kohlenstoff). Das sind große Moleküle.

Schwefel liegt als S₈, in einer sogenannten „Kronenstruktur“ vor:

 

Auch Phosphor gibt es in unterschiedliche Modifikationen. So kommt zum Beispiel der weiße Phosphor als P₄ vor. Daneben gibt es z.B. noch amorpher oder polymeren schwarzen Phosphor.

Hier das Beispiel für weißen Phosphor P₄:

Wie genau jetzt Schwefel, Phosphor, Kohlenstoff, etc. elementar aussieht, braucht ihr euch nicht merken. Wichtig (für die Schule) sind nur die Elemente der HNO-Regel.

Die anderen Elemente, die nicht zur HNO-Regel gezählt werden, darf man atomar schreiben.