7.1 Chemische Symbolschreibweisen
Die chemische Symbolschreibweise ist ihrem Wesen nach eine sehr knappe Dar-stellungsweise von Stoffen und Reaktionsabläufen. Sie verleitet deshalb sowohl Lehrerinnen und Lehrer als auch Schülerinnen und Schüler dazu, die mündliche und schriftliche Beschreibung „mit eigenen Worten“ zu verkürzen, gegebenenfalls sogar ganz auf sie zu verzichten. Dem kann und muss im Unterricht dadurch ent-gegengewirkt werden, dass hinreichend Raum gegeben wird für sorgfältige und ausführliche Darstellungen und Beschreibungen von chemischen Sachverhalten in angemessener Fachsprache.
Bei rationellen Namen sind die Regeln der „International Union of Pure and Applied Chemistry“ (IUPAC) anzuwenden. Diese Regeln geben Anweisungen zur Benen-nung der einzelnen Verbindungen. Neben einer Vereinheitlichung erhält man mit dieser Nomenklatur eine Kennzeichnung der Stoffklasse, zu der die Verbindung gehört, und darüber hinaus Hinweise auf den konstitutionellen Aufbau der Moleküle einer Verbindung.
Neben den rationellen Namen können häufig benutzte Trivialnamen gleichberech-tigt verwandt werden: z. B. Essigsäure, Kochsalz, Kalkwasser. Alte Bezeich-nungen, die nach überholten Regeln aufgestellt wurden, sollten dagegen vermie-den wervermie-den. Sinnvoll sind Hinweise darauf, dass z. B. in Apotheken und Drogerien noch bestimmte veraltete Bezeichnungen benutzt werden, die evtl. zu Verwechs-lungen führen können.
Wie über die Nomenklatur besteht auch eine Übereinkunft hinsichtlich der che-mischen Symbole. Bei molekularen Verbindungen macht die Summenformel ei-ne eindeutige Aussage über die Anzahl der Atome der verschiedeei-nen Elemente in einem Molekül. So ist z. B. CO2 das Symbol für das Kohlenstoffdioxidmolekül. Bei nicht molekularen Verbindungen gibt die Summenformel lediglich Auskunft über die Atomzahlenverhältnisse in der Verbindung. Entsprechend ist NaCl das Symbol für eine Formeleinheit von Natriumchlorid.
Chemische Symbole geben ausschließlich Auskunft über die Zusammensetzung von Molekülen und Formeleinheiten verschiedener Stoffe. Häufig werden che-mische Symbole dagegen auch als Abkürzungen für Stoffnamen benutzt: z. B. Cu Kupfer, H2 Wasserstoff, O3 Ozon, CO2 Kohlenstoffdioxid, NaCl Natriumchlorid. Dies sollte weitgehend vermieden werden, da die Gefahr besteht, dass die Ebenen des Diskontinuums und des Kontinuums nicht auseinander gehalten werden.
Die Symbolschreibweise kann sehr unterschiedlich sein und einen jeweils anderen Informationsgehalt und Komplexitätsgrad haben. So kann für Natriumchlorid z. B.
Folgendes gelten:
NaCl, NaCl(s), Na+Cl-, Na+ Cl
-Welche Symbolschreibweise im Unterricht eingesetzt wird, hängt u. a. vom zu be-handelndem Sachverhalt und dem Ausbildungsstand der jeweiligen Schülerinnen und Schüler ab. Bei Stoffen, die in verschiedenen Aggregatzuständen bzw. Modifi-kationen vorkommen, ist eine Angabe des Aggregatzustandes notwendig, wenn di-es in einem gegebenen Zusammenhang von Bedeutung ist. Für fdi-est ist das Sym-bol (s), für flüssig (l) und für gasförmig (g) gebräuchlich. Hydratisierte Teilchen wer-den durch (aq) gekennzeichnet. Für die Modifikationen werwer-den bestimmte Namen verwandt.
Strukturformeln geben die Verknüpfung der Atome in einem Molekül einer Verbin-dung wieder. Sie machen Aussagen über die BinVerbin-dungsverhältnisse zwischen den Atomen und über die Anordnung der Atome zueinander (Konstitution). Durch be-sondere Formeln wird die Konfiguration und Konformation wiedergeben. Infolge der Zweidimensionalität der Zeichnung sind verschiedene Abbildungsweisen mög-lich. Im Unterricht sollte jeweils die zweckmäßigste ausgewählt werden, wobei da-rauf zu achten ist, dass die Schülerinnen und Schüler die Abbildungsweise durch-schauen.
Br H
H H H
Br H H
H Br H H H H H
H H H
H
Br H H
H
H H
Br H Br
Während Summen- und Strukturformeln zur Kennzeichnung der Stoffe und der die Stoffe aufbauenden Atome bzw. Moleküle dienen, werden chemische Reaktionen durch Reaktionsschemata und Reaktionsgleichungen beschrieben (vgl. Richtlinien und Lehrpläne Chemie, Gymnasium Sekundarstufe I, Kapitel 3.8).
Reaktionsschemata beschreiben chemische Reaktionen, bei denen die stöchiometrischen Verhältnisse entweder gar nicht oder nur teilweise berücksichtigt werden.
z. B.:
Methan + Brom → Brommethan + Bromwasserstoff
Oxidation
CH3-CH2OH → CH3-CHO
Reaktionsgleichungen beschreiben chemische Reaktionen vollständig, und zwar einschließlich ihrer stöchiometrischen, d. h. quantitativen, Verhältnisse.
124 z. B.:
CH4 + Br2 → CH3Br + HBr
2 CH3-CH2OH + O2 → 2 CH3-CHO + 2 H2O
7.2 SI-Einheiten
Durch das SI-System werden Größen und Einheiten international normiert. Diese Normierung ist in der Bundesrepublik Deutschland verbindlich. Die messbaren Ei-genschaften von Stoffen, Vorgängen und Zuständen bezeichnet man als Größen.
Eine Größe lässt sich als Produkt aus Zahlenwert und Einheit darstellen:
Größe = Zahlenwert ⋅ Einheit
Das SI-System enthält sieben Basisgrößen, von denen sich alle anderen Größen ableiten lassen. Die folgende Tabelle gibt eine Übersicht über die Basisgrößen und Basiseinheiten.
Basisgrößen Größenzeichen Basiseinheiten Einheitenzeichen
Länge l Meter m
Masse m Kilogramm kg
Zeit t Sekunde s
elektrische
Strom-stärke I Ampere A
thermodynamische
Temperatur T Kelvin K
Stoffmenge n Mol mol
Lichtstärke Iv Candela cd
Alle anderen Größen sind so genannte abgeleitete Größen. Dies sind Produkte und/oder Quotienten der Basisgrößen. Die Einheiten der abgeleiteten Größen sind entsprechend Produkte und/oder Quotienten der Basiseinheiten. Es können an die-ser Stelle nicht alle für die Chemie wichtigen Größen aufgeführt werden. Wegen der großen Bedeutung für die Chemie soll hier nur auf die Stoffmenge und die von ihr abgeleiteten Größen eingegangen werden.
Die Basisgröße Stoffmenge macht eine Aussage über die Quantität einer Stoffpor-tion. Die Basiseinheit der Stoffmenge ist das Mol. Dies ist die Stoffmenge eines
Systems, das aus ebenso vielen Teilchen besteht, wie Atome in 12 g des Kohlen-stoffisotops 12C enthalten sind.
Größen, die als Bezugsgröße die Stoffmenge haben, also die stoffmengenbezoge-nen Größen, werden auch als molare Größen bezeichnet. Dazu gehören:
Die molare Teilchenzahl NA (Avogadrokonstante) ni
Ni NA =
Einheit: mol-1
Die molare Masse M ni
mi Mi =
Einheit: g/mol
(Der bisherige Begriff „Molmasse“ sollte nicht mehr verwendet werden.)
Das molare Volumen Vm ni
Vi i Vm, =
Einheit: L/mol
(Der Index m wird häufig zur Kennzeichnung von molaren Größen benutzt.)
Die Stoffmengenkonzentration ci
( )
LsVi ni ci =
Einheit: mol/L
( )
LsV = Volumen der Lösung
Da die wichtigen Größen in der Chemie als SI-Einheiten eindeutig festgelegt sind, ergibt sich die Möglichkeit, konsequent mit Größengleichungen zu rechnen. Die früher üblichen Begriffe Normalität, Molarität, molare und normale Lösungen sollten nicht mehr verwendet werden.
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