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Die Formelschreibweise ist die Kurzschrift der Chemie, die mithilfe von Symbolen, Indizes und Koeffizienten die atomare Zusammensetzung von Stoffen beschreibt. Darüber hinaus geben Konstitutions- und Strukturformeln Auskunft über die Verknüpfung und räumliche Anordnung der Atome und sind besonders in der organischen Chemie und Biochemie unverzichtbar.
In der Chemie nutzen wir Symbole als Buchstaben und Summenformeln (auch Molekülformeln genannt) als Wörter. Eine Summenformel gibt an, welche Arten von Atomen in einem Molekül oder einer Verbindung vorkommen und in welcher genauen Anzahl sie vorliegen.
Die Anzahl der Atome eines Elements wird durch den Index (die tiefgestellte Zahl rechts neben dem Symbol) angegeben. Ein Index bezieht sich immer nur auf das unmittelbar davorstehende Element. Steht dort keine Zahl, ist implizit eine '1' gemeint, so wie man in einem Rezept 'ein Ei' auch einfach als 'Ei' notiert.
Um auszudrücken, dass mehrere separate Einheiten (z. B. Moleküle) vorliegen, nutzen wir den Koeffizienten. Das ist die große Zahl, die vor der gesamten Formel steht. Man kann sich das wie beim LEGO-Bauen vorstellen: Der Index sagt dir, wie viele Steine in einem Modell verbaut sind, der Koeffizient sagt dir, wie viele identische Modelle du vor dir liegen hast.
Mathematisch gesehen wirkt der Koeffizient wie ein Multiplikator für die gesamte nachfolgende Formel. In 3 H₂O haben wir also drei Wasser-Moleküle. Da jedes Molekül zwei Wasserstoff-Atome hat, ergeben sich insgesamt 3 × 2 = 6 Wasserstoff-Atome.
Klammern in chemischen Formeln, wie etwa in Ca(OH)₂ (Calciumhydroxid), funktionieren genau wie in der Mathematik. Der Index außerhalb der Klammer bezieht sich auf alles, was innerhalb der Klammer steht. Hier sind also zwei OH-Gruppen an ein Calcium-Atom gebunden, was insgesamt zwei Sauerstoff- und zwei Wasserstoff-Atome ergibt.
Wir unterscheiden zudem zwischen der Verhältnisformel und der Molekülformel. Die Verhältnisformel gibt lediglich das einfachste ganzzahlige Verhältnis der Atome zueinander an (besonders wichtig bei Salzen), während die Molekülformel die tatsächliche Anzahl der Atome in einem abgeschlossenen Molekül nennt.
Die Beherrschung dieser Schreibweise ist die absolute Grundlage für die Stöchiometrie (die chemische Mengenlehre). Ohne das korrekte Lesen von Formeln ist es unmöglich, Massen oder Volumina in chemischen Reaktionen korrekt zu berechnen.
Zusammenfassend: Der Index bestimmt die Identität des Stoffes (aus O₂ wird durch Ändern des Index O₃, also Ozon), während der Koeffizient lediglich die Menge des bereits definierten Stoffes verändert.
Verbindungen mit gleicher Summenformel, aber unterschiedlicher Verknüpfung der Atome heißen Isomere. Zum Beispiel beschreibt die Summenformel C₂H₆O sowohl Ethanol (CH₃–CH₂–OH) als auch Dimethylether (CH₃–O–CH₃). Die Summenformel allein reicht also oft nicht aus; man benötigt weitere Angaben zur Konstitution.
Für die Benennung von Molekülverbindungen aus Nichtmetallen verwendet man griechische Zahlwörter als Präfixe, um die Anzahl der Atome anzugeben: mono (1), di (2), tri (3), tetra (4), penta (5), hexa (6), hepta (7), octa (8), nona (9), deca (10). So heißt CO₂ Kohlenstoffdioxid und P₄O₁₀ Tetraphosphordecoxid.
Ionische Verbindungen werden als Summenformel oft nach der Kreuzregel aufgestellt: Die Ladungszahlen der Ionen werden über Kreuz als Indizes geschrieben und dann, wenn möglich, auf das kleinste Verhältnis gekürzt. Aus Ca²⁺ und O²⁻ wird so Ca₂O₂ → CaO.
Die Konstitutionsformel zeigt über die Summenformel hinaus, wie die Atome untereinander verbunden sind, und lässt dadurch oft die Verbindungsklasse erkennen. CH₃–CH₂–CH₃ ist Propan (Alkan) und CH₃–COOH Essigsäure (Carbonsäure). Sie ist ein wichtiges Werkzeug der organischen Chemie.
Strukturformeln sind ein Oberbegriff für Darstellungen, die die Bindungen und die räumliche Anordnung der Atome abbilden. Die wichtigsten Typen sind Valenzstrichformel, Keilstrichformel, Skelettformel und die Fischer-Projektion.
Die Valenzstrichformel stellt alle Atome und ihre Bindungen als einfache Striche dar. Sie eignet sich gut für kleine Moleküle, wird aber bei großen Molekülen schnell unübersichtlich.
Die Keilstrichformel ergänzt die Valenzstrichformel um eine räumliche Dimension: Volle Keile symbolisieren aus der Papierebene herausragende Bindungen, gestrichelte Keile dahinterliegende. So wird die Dreidimensionalität von Molekülen wie Methan (Tetraeder) verdeutlicht.
Die Skelettformel (Gerüstformel) ist die platzsparendste Darstellung und besonders in der organischen Chemie für komplexe Moleküle (z. B. Fette) gebräuchlich. Kohlenstoffatome werden als Enden und Knicke gezeichnet, Wasserstoffatome an Kohlenstoff werden nicht explizit aufgeführt. Jeder Strichabschnitt repräsentiert eine Bindung, Doppel- und Dreifachbindungen werden mit entsprechenden Mehrfachstrichen markiert. Die fehlenden Wasserstoffe ergeben sich aus der Vierbindigkeit des Kohlenstoffs.
Die Fischer-Projektion ist eine spezielle, in der Biochemie verwendete Darstellung, die insbesondere die Stereochemie von Zuckern (Kohlenhydraten) wie D-Glukose wiedergibt. Sie ordnet die Substituenten in vertikaler und horizontaler Richtung an, um die räumliche Anordnung zu verdeutlichen.
Vielfach werden dieselbe Verbindung in verschiedenen Schreibweisen dargestellt. Das aromatische Benzol etwa erscheint als Summenformel C₆H₆, als Valenzstrichformel mit alternierenden Doppelbindungen (Kekulé-Struktur), als Sechseck mit Kreis für das delokalisierte π-Elektronensystem oder als Orbitalmodell.
