Symbolschreibweise im Chemieunterricht

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Die Symbolschreibeweise hat am Anfang für die Schüler etwas Mystisches. Meist hängt im Chemieraum ein Periodensystem und so sehen die Schüler bereits die ersten Atomsysmbole und sie fragen sich, was sie bedeuten.

Das erste Interesse heißt es auszunutzen. Kleine Anededoten, Tipps und Nebeninformationen können das manchmal etwas mühselige Lernen der Symbole und Regeln etwas auflockern. Beispiele aber auch Gegenbeispiele und klare Regeln können es den Schülern einfach machen, in das Thema hinein zu finden und es sicher zu beherrschen.

Hier die wichtigsten Regeln, möglichst ausführlich erklärt. Dazu einige Tipps in roter Schrift.

Inhaltsverzeichnis

Elementsymbole

Elementsymbole, auch Atomsymbole genannt, werden als Kurzschreibweise für einzelne Atome verwendet. Diese Elementsymbole sind international (von der IUPAC = International Union of Pure and Applied Chemistry (IUPAC), zu deutsch „Internationale Union für reine und angewandte Chemie“ festgelegt) und werden auch in den Ländern verwendet, die andere als die lateinischen Buchstaben verwenden (griechisch, kyrillisch, arabisch, ...).

Die Symbole leiten sich von den lateinischen oder griechischen Namen, bei den neueren auch von den englischen Namen, der Elemente ab. Besteht das Symbol eines Elementes aus zwei Buchstaben, so wird der erste Buchstabe groß und der zweite klein geschrieben.

Das Elementsymbol steht hierbei nicht nur für das entsprechende Atom, sondern auch für das jeweilige Element.

Beispiele:

  • H = Wasserstoff (von Hydrogenium) oder 1 Wasserstoffatom
  • O = Sauerstoff (von Oxygenium) ...
  • C = Kohlenstoff (von Carboneum) ...
  • Ag = Silber (von Argentum) ...
  • Hg = Quecksilber (von Hydrargyrum) ...

Achtung: Co und CO sind Symbole bzw. Formeln von verschiedenen Stoffen

  • Co ist das Symbol für das Element Cobalt bzw. 1 Atom Cobalt.
  • CO ist die Formel für eine Verbindung in Symbolschreibweise, die aus 1 Atom Kohlenstoff und 1 Atom Sauerstoff besteht.

Nach der ersten Theorie könnte man noch eine Fragerunde einfügen. Die Schüler dürfen am PSE Symbole raussuchen. Der Lehrer informiert, für was das Symbol steht und woher der Name des Elementes kommt. Interessant dürfte auch sein, seit wann dieses Element bekannt ist und Besonderheiten zur Häufigkeit (z.B. Sauerstoff am häufigsten ...). Siehe auch Etymologische Liste der chemischen ElementeWikipedia-logo.png und ElementhäufigkeitWikipedia-logo.png

Verbindungen in Symbolschreibweise

Diese Atomsymbole werden auch benutzt um Verbindungen von Atomen auszudrücken. Dazu werden die Symbole aller in der Verbindung enthaltenen Elemente und deren Anzahl angegeben.

Die Anzahl der einzelnen Atome wird durch einen Index (kleine, tiefergestellte Zahl hinter dem Symbol) angegeben. Die Zahl "1" als Index wird fast immer weggelassen.

Beispiele für die Symbolschreibweise wichtiger Verbindungen:

Wasser = H2O ... besteht aus 2 Wasserstoffatomen und 1 Sauerstoffatom
Kohlenstoffmonoxid = CO ... besteht aus 1 Kohlenstoffatom und 1 Sauerstoffatom
Kohlenstoffdioxid = CO2 ... besteht aus 1 Kohlenstoffatom und 2 Sauerstoffatom
Ammoniak = NH3 ... besteht aus 1 Stickstoffatom und 3 Wasserstoffatomen
Wasserstoffperoxid = H2O2 ... besteht aus 2 Wasserstoffatomen und 2 Sauerstoffatomen
Kochsalz / Natriumchlorid = NaCl ... besteht aus 1 Natriumatom und 1 Chloratom

Man liest die Symbolschreibweise vor, indem man die einzelnen Buchstaben und die Zahlen nacheinander ausspricht:

  • H2O = "H-2-0" (Hah-Zwei-Oh)
  • CO2 = "C-O-2" (Ceh-Oh-Zwei)
  • Fe2O3 = "Fe-2-O-3" (Ef-Eh-Zwei-Oh-Drei)

Nach einigen Beispielen sollten Übungen eingefügt werden. Etwa auf einer Folie am OHP. Die Formeln sollten auch vorgelesen werden.

Die Reihenfolge der Atomsymbole in den Formeln der Verbindungen richtet sich nach der Stellung im Periodensystem: Das Atomsymbol, das weiter links steht, ist das Erstgenannte, sobald Atomsymbole untereinander stehen, wird das untere zuerst genannt.

Ausnahmen gibt es beim Wasserstoff, wenn er sich mit Stickstoff oder Kohlenstoff verbindet.

Beispiele bei denen Wasserstoff hinten steht:

  • NH3 = Ammoniak
  • CH4 = Methan

Die letzte Information sollte man zwar mitteilen, auch da die Schüler sowieso meist nachfragen, aber darauf bestehen muss man nicht unbedingt.

Benennung von Verbindungen

Neben den sogenannten Trivialnamen, die viele bekannte Verbindungen haben (etwa bei den Beispielen oben), gibt es auch eine systematische Benennung (Nomenklatur) von Verbindungen, die sich aus der Symbolschreibweise ergibt.

Die systematische Benennung von Verbindungen ergibt sich aus den Namen der beteiligten Elementen, unter Verwendung von Zahlwörtern. Sie heißen der Reihe nach: Mono-, Di-, Tri-, Tetra-, Penta-, Hexa-, Hepta-, Okta-, Nona-, Deka-, und so weiter. So heißt As2O5 beispielsweise in Worten Diarsenpent(a)oxid.

Das Element, das hinten steht, wird oft mit der Endung -id angegeben; teilweise unter Verwendung des lat./griech. Namens.

Beispiele für Endungen:

  • -oxid = Verbindung mit Sauerstoff (von lat. Oxygenium)
  • -sulfid = Verbindung mit Schwefel (von lat. Sulfur)
  • -carbid = Verbindung mit Kohlenstoff (von lat. Carboneum)
  • -hydrid = Verbindung mit Wasserstoff (von lat. Hydrogenium)
  • -fluorid = Verbindung mit Fluor
  • -chlorid = Verbindung mit Chlor
  • -iodid = Verbindung mit Iod

Verbindungen mit drei oder mehr Elementen haben meist Trivialnamen.

Beispiele für systematische Benennungen:

Fe2O3 Dieisentrioxid
CO (Mono)Kohlenstoffmon(o)oxid
AlCl3 Aluminiumtrichlorid
H2O Dihydrogenmonoxid (Chemischer Name für Wasser)

Hier wieder einige Übungen einfügen. Interessant wären auch noch ein paar bekannte Verbindungen, zu denen man dann die Trivialnamen angeben kann. Die Zahlwörter und "Endungen" sollte man auch hin und wieder mündlich abfragen.

Mehrere Teilchen

Hat man mehrere Teilchen einer Verbindung, so kann man dies auch mit der Symbolschreibweise schreiben, indem man vor die Formel eine Zahl (den sogenannten Koeffizienten) schreibt.

Zum Beispiel bedeutet

  • 4 H2O: 4 Wasserteilchen = 4 Teilchen mit je 2 Wasserstoffatomen und 1 Sauerstoffatom (Wichtig: Die 4 bezieht sich auf die ganze Verbindung) = 8 Wasserstoffatome und 4 Sauerstoffatome.

Die eingefügte Zwischennotiz (4 Teilchen mit je ...) ist für den Anfang wichtig. Die Schüler sollten sich das auf jeden Fall im Heft notieren. Man sollte dies auch bei den ersten Übungsaufgaben einfordern.

Arten von Verbindungen

Je nach Art der Verbindung kann die Symbolschreibweise einer Verbindung verschiedene Bedeutungen haben:

  1. Bei der Symbolschreibweise H2O von Wasser wird die Zusammensetzung der kleinsten Teilchen des Wassers beschrieben. Diese kleinsten Teilchen bezeichnet man auch als Moleküle. Die Schreibweise von Molekülen mit Hilfe der Atomsymbole bezeichnet man auch als Summenformel.
  2. Bei vielen Verbindungen, den sogenannten Salzen, gibt die Formel dagegen nicht die Zusammensetzung eines Moleküls an. Die Formel NaCl von Kochsalz bezeichnet das Verhältnis, mit dem die Natrium-Atome und Chlor-Atome im Kochsalz vorliegen. Hier ist das Verhältnis 1 zu 1, das heißt auf jedes Natrium-Atom kommt ein Chlor-Atom. Die Formel von Salzen ist deshalb eine Verhältnisformel. Zur Abgrenzung von Molekülen, kann man auch geschweifte Klammern verwenden, also {NaCl}.
Anderes Beispiel für Verhältnisformeln: FeS2 oder {FeS2} ... auf ein Eisen-Atom kommen jeweils 2 Schwefel-Atome.

Es stellt sich die Frage, ob es sinnvoll ist, hier zu unterscheiden. Da die Schüler sowieso noch nicht wissen können, ob eine Verbindung aus Molekülen besteht oder eine salzartige Verbindung ist, könnte diese Information eher verwirren.

Reaktionsgleichungen in Symbolschreibweise

Symbole werden auch benutzt um Reaktionsgleichungen aufzustellen. Reaktionsgleichungen beschreiben chemische Vorgänge, die man beispielsweise in der Natur beobachtet oder absichtlich im Labor herbeiführt.

Im folgenden Beispiel wird die Verbrennung von Alkohol (Ethanol) mit Sauerstoff zu Kohlendioxid und Wasser beschrieben:

Statt der Wortgleichung:

Ethanol + Sauerstoff -> Kohlenstoffdioxid + Wasser

schreibt man in Symbolschreibweise:

\mathrm{C}_2\mathrm{H}_5\mathrm{OH}+\mathrm{O}_2
\quad\rightarrow\quad\mathrm{CO}_2+\mathrm{H}_2\mathrm{O}

Allerdings liefert eine Reaktionsgleichung nicht nur qualitative (was?) Informationen über die Reaktion. Auch quantitative (wieviel?) Informationen sind enthalten. Da ja nichts verschwinden oder herbei gezaubert werden kann (Gesetz von der Erhaltung der Masse), muss die Masse der Ausgangsstoffe gleich der Masse der Endprodukte sein.

Diese Gleichheit ist hier noch nicht vorhanden, was man daran erkennt, dass die Anzahl der Atome jedes beteiligten Elementes auf beiden Seiten der Reaktionsgleichung nicht übereinstimmen.

\mathrm{C}_2\mathrm{H}_5\mathrm{OH}+\mathrm{O}_2\quad \quad\rightarrow \quad\mathrm{CO}_2+\mathrm{H}_2\mathrm{O}
C: 2, H: 5 + 1, O: 1 + 2 C: 1; H: 2, O: 2 + 1

Nach Ausgleichen der Reaktionsgleichung, mit Hilfe von stöchiometrischen Faktoren (oder auch Koeffizienten), lautet es dann:

\mathrm{C}_2\mathrm{H}_5\mathrm{OH}+\mathrm \ 3 \ {O}_2\quad \quad\rightarrow \quad\mathrm \ 2 \ {CO}_2+\mathrm \ 3 \ {H}_2\mathrm{O}
C: 2, H: 5 + 1, O: 1 + 3\cdot2 C: 2\cdot1; H: 3\cdot2, O: 2\cdot2 + 3\cdot1
C: 2, H: 6, O: 7 C: 2; H: 6, O: 7

Beim Besprechen eines Beispiels an der Tafel sollte man auch Farben einsetzen, um die Wirkung der Koeffizienten noch einmal zu verdeutlichen. Ein beliebter Fehler ist es, zu vergessen, dass sich ein Koeffizient auch auf die hinten stehenden Elemente auswirkt. Die ausführliche Schreibweise zur Bestimmung der Anzahlen hilft den Schülern, dies genau zu verstehen. Man sollte aber betonen, dass man eine solceh ausführliche Schreibweise nur für den Anfang verlangt. Später kann man auch im Kopf die Anzahlen bestimmen.

Die Zahlen, die in den Formeln (zum Beispiel H2O) tiefgestellt vorkommen, nennt man Indexzahlen. Diese beziehen sich auf das chemische Element davor und geben an, wieviele Atome davon in dem Molekül vorhanden sind. Ist die Formel eines Stoffes bekannt oder aufgestellt worden, so darf man diese Zahlen nicht mehr ändern, denn andere Zahlen würden neue Stoffe angeben.

Die Zahlen, die im Formelschema vor den chemischen Formeln vorkommen, nennt man Koeffizienten. Diese geben die Anzahl der Moleküle des jeweiligen Stoffes an und dürfen für die Ausgleichsrechnung verändert werden.

Zusatzinformationen

Neben den Formeln von wichtigen Verbindungen (wie Wasser) muss man auch folgendes wissen:
Viele Gase (außer den Edelgasen) bestehen im elementaren Zustand (also als Elemente) nicht aus einzelnen Atomen, sondern aus Molekülen mit zwei Atomen, wie z.B. O2, N2, Cl2, F2. Als Regel kann man sagen, dass alle bei Normbedingungen gasförmigen Elemente außer den Edelgasen als zweiatomige Moleküle vorliegen. Auch zweiatomig sind die Halogene, also die Elemente der 7. Hauptgruppe (Fluor, Chlor, Brom, Iod).

Wichtig ist auch, ob eine Zahl davor steht (stöchiometrischer Koeffizient) oder unten (als Index) verwendet wird:

2 Cl = 2 einzelne Chloratome
Cl2 = 1 Teilchen, das aus 2 Chloratomen zusammengesetzt ist
H2O = 1 Teilchen (Molekül), das jeweils aus 2 Wasserstoffatomen und 1 Sauerstoffatom besteht
2 HO = 2 Teilchen, die jeweils aus 1 Wasserstoffatom und 1 Sauerstoffatom bestehen
3 H2O = 3 Teilchen, die jeweils aus 2 Wasserstoffatom und 1 Sauerstoffatom bestehen; es sind also 6 H-Atom und 3 O-Atome enthalten.


Periodensystem

Das Auswendiglernen des Periodensystem kann durch Sprüche vereinfacht werden. Der Lehrer sollte dabei als Vorbild dienen und zeigen, was er kann. Denn bevor die Schüler verstehen, warum man die Stellung der Eemente im PSE kennen muss, gibt es keine andere Motivation.