Chemie

Eine Molekülformel ist eine Darstellung eines Moleküls, die chemische Symbole verwendet, um die Arten von Atomen anzuzeigen, gefolgt von tiefgestellten Indizes, um die Anzahl der Atome jeder Art im Molekül anzuzeigen. (Ein tiefgestelltes Zeichen wird nur verwendet, wenn mehr als ein Atom eines bestimmten Typs vorhanden ist.) Molekülformeln werden auch als Abkürzungen für die Namen von Verbindungen verwendet.

Die Strukturformel für eine Verbindung gibt die gleichen Informationen wie die Molekülformel (die Arten und Anzahl der Atome im Molekül), zeigt aber auch, wie die Atome im Molekül verbunden sind. Die Strukturformel für Methan enthält Symbole für ein C-Atom und vier H-Atome und gibt damit die Anzahl der Atome im Molekül an (Abbildung 1). Die Linien stellen Bindungen dar, die die Atome zusammenhalten. (Eine chemische Bindung ist eine Anziehungskraft zwischen Atomen oder Ionen, die sie in einem Molekül oder einem Kristall zusammenhält.) Wir werden später über chemische Bindungen sprechen und sehen, wie man die Anordnung der Atome in einem Molekül vorhersagen kann. Für den Moment genügt es zu wissen, dass die Linien ein Hinweis darauf sind, wie die Atome in einem Molekül miteinander verbunden sind. Ein Kugel-Stab-Modell zeigt die geometrische Anordnung der Atome mit nicht maßstabsgetreuen Atomgrößen, und ein raumfüllendes Modell zeigt die relativen Größen der Atome.

Obwohl viele Elemente aus diskreten, einzelnen Atomen bestehen, existieren einige als Moleküle, die aus zwei oder mehr Atomen des Elements bestehen, die chemisch miteinander verbunden sind. Zum Beispiel bestehen die meisten Proben der Elemente Wasserstoff, Sauerstoff und Stickstoff aus Molekülen, die jeweils zwei Atome enthalten (sogenannte zweiatomige Moleküle) und daher die Molekularformeln H2, O2 bzw. N2 haben. Andere Elemente, die häufig als zweiatomige Moleküle vorkommen, sind Fluor (F2), Chlor (Cl2), Brom (Br2) und Iod (I2). Die häufigste Form des Elements Schwefel besteht aus Molekülen, die aus acht Schwefelatomen bestehen; seine Summenformel lautet S8 (Abbildung 2).

Es ist wichtig zu beachten, dass ein tiefgestellter Index nach einem Symbol und eine Zahl vor einem Symbol nicht dasselbe bedeuten; zum Beispiel stehen H2 und 2H für deutlich unterschiedliche Arten. H2 ist eine Molekülformel; sie steht für ein zweiatomiges Wasserstoffmolekül, das aus zwei Atomen des Elements besteht, die chemisch aneinander gebunden sind. Der Ausdruck 2H hingegen steht für zwei separate Wasserstoffatome, die nicht zu einer Einheit verbunden sind. Der Ausdruck 2H2 steht für zwei Moleküle zweiatomigen Wasserstoffs (Abbildung 3).

Verbindungen werden gebildet, wenn sich zwei oder mehr Elemente chemisch verbinden und dabei Bindungen entstehen. Zum Beispiel können Wasserstoff und Sauerstoff zu Wasser und Natrium und Chlor zu Kochsalz reagieren. Wir beschreiben die Zusammensetzung dieser Verbindungen manchmal mit einer empirischen Formel, die die Arten der vorhandenen Atome und das einfachste ganzzahlige Verhältnis der Anzahl der Atome (oder Ionen) in der Verbindung angibt. Zum Beispiel hat Titandioxid (das als Pigment in weißer Farbe und in der dicken, weißen, blockierenden Art von Sonnenschutzmitteln verwendet wird) die empirische Formel TiO2. Diese identifiziert die Elemente Titan (Ti) und Sauerstoff (O) als Bestandteile von Titandioxid und zeigt an, dass doppelt so viele Atome des Elements Sauerstoff wie Atome des Elements Titan vorhanden sind (Abbildung 4).

Wie bereits erwähnt, können wir eine Verbindung mit einer Summenformel beschreiben, in der die tiefgestellten Buchstaben die tatsächliche Anzahl der Atome jedes Elements in einem Molekül der Verbindung angeben. In vielen Fällen wird die Summenformel einer Substanz aus der experimentellen Bestimmung sowohl der empirischen Formel als auch der Molekülmasse (der Summe der Atommassen aller Atome, aus denen das Molekül besteht) abgeleitet. So kann z. B. experimentell bestimmt werden, dass Benzol zwei Elemente enthält, nämlich Kohlenstoff (C) und Wasserstoff (H), und dass für jedes Kohlenstoffatom im Benzol ein Wasserstoffatom vorhanden ist. Die Summenformel lautet also CH. Eine experimentelle Bestimmung der Molekülmasse zeigt, dass ein Molekül Benzol sechs Kohlenstoffatome und sechs Wasserstoffatome enthält, so dass die Summenformel für Benzol C6H6 lautet (Abbildung 5).

Wenn wir die Formel einer Verbindung kennen, können wir leicht die Summenformel bestimmen. (Dies ist eher eine akademische Übung; in der Praxis wird in der Regel die umgekehrte Reihenfolge eingehalten). Zum Beispiel lautet die Summenformel für Essigsäure, die Komponente, die dem Essig seinen scharfen Geschmack verleiht, C2H4O2. Diese Formel besagt, dass ein Molekül Essigsäure (Abbildung 6) zwei Kohlenstoffatome, vier Wasserstoffatome und zwei Sauerstoffatome enthält. Das Verhältnis der Atome ist 2:4:2. Dividiert man durch den kleinsten gemeinsamen Nenner (2), erhält man das einfachste, ganzzahlige Verhältnis der Atome, nämlich 1:2:1, so dass die Summenformel CH2O lautet. Beachten Sie, dass eine Summenformel immer ein ganzzahliges Vielfaches einer Summenformel ist.

Es ist wichtig, sich bewusst zu machen, dass es möglich ist, dass die gleichen Atome auf unterschiedliche Weise angeordnet sind: Verbindungen mit der gleichen Summenformel können unterschiedliche Atom-zu-Atom-Bindungen und damit unterschiedliche Strukturen haben. Könnte es zum Beispiel eine andere Verbindung mit der gleichen Formel wie Essigsäure, C2H4O2, geben? Und wenn ja, wie wäre die Struktur ihrer Moleküle?

Wenn Sie vorhersagen, dass eine weitere Verbindung mit der Formel C2H4O2 existieren könnte, dann haben Sie gutes chemisches Verständnis bewiesen und liegen richtig. Zwei C-Atome, vier H-Atome und zwei O-Atome können auch zu einem Methylformiat angeordnet werden, das in der Industrie, als Insektizid und für schnelltrocknende Lacke verwendet wird. Methylformiatmoleküle haben eines der Sauerstoffatome zwischen den beiden Kohlenstoffatomen, was sich von der Anordnung in Essigsäuremolekülen unterscheidet. Essigsäure und Methylformiat sind Beispiele für Isomere – Verbindungen mit der gleichen chemischen Formel, aber unterschiedlichen Molekülstrukturen (Abbildung 8). Beachten Sie, dass dieser kleine Unterschied in der Anordnung der Atome eine große Auswirkung auf ihre jeweiligen chemischen Eigenschaften hat. Sie würden sicherlich nicht eine Lösung von Methylformiat als Ersatz für eine Lösung von Essigsäure (Essig) verwenden wollen, wenn Sie Salatdressing herstellen.

Es gibt viele Arten von Isomeren (Abbildung 9). Essigsäure und Methylformiat sind Strukturisomere, also Verbindungen, bei denen sich die Moleküle darin unterscheiden, wie die Atome miteinander verbunden sind. Es gibt auch verschiedene Arten von räumlichen Isomeren, bei denen die relativen Orientierungen der Atome im Raum unterschiedlich sein können. Zum Beispiel besteht die Verbindung Carvon (zu finden in Kümmel, Minze und Mandarinenschalen) aus zwei Isomeren, die spiegelbildlich zueinander sind. S-(+)-Carvon riecht nach Kümmel, und R-(-)-Carvon riecht nach Minze.

Eine Summenformel verwendet chemische Symbole und tiefgestellte Indizes, um die genaue Anzahl der verschiedenen Atome in einem Molekül oder einer Verbindung anzugeben. Eine empirische Formel gibt das einfachste, ganzzahlige Verhältnis der Atome in einer Verbindung an. Eine Strukturformel gibt die Bindungsanordnung der Atome im Molekül an. Kugel-Stab-Modelle und raumfüllende Modelle zeigen die geometrische Anordnung der Atome in einem Molekül. Isomere sind Verbindungen mit der gleichen Summenformel, aber unterschiedlicher Anordnung der Atome.