Atome verschiedener Elemente können sich auf zwei Arten verbinden. Bei einer Ionenbindung gibt ein Metall einem Nichtmetall ein oder mehrere Elektronen ab, wodurch entgegengesetzt geladene Ionen gebildet werden, die durch elektrische Anziehung zusammengehalten werden. Kovalente Bindungen bilden sich durch zwei oder mehr Nichtmetalle, die sich Elektronen teilen. Ionische Verbindungen bilden keine Moleküle als solche, sondern bestehen in fester Form aus dreidimensionalen Kristallgittern mit vielen Atomen. Einige kovalente Verbindungen können ähnliche Kristallnetzwerke bilden. Eine Formeleinheit ist das kleinste Verhältnis zwischen Atomen verschiedener Elemente in dieser Art von Struktur, das als ganze Zahlen ausgedrückt werden kann.
Ionische Verbindungen
Ein einfaches Beispiel ist Natriumchlorid oder Kochsalz, eine Verbindung der Elemente Natrium und Chlor. Ein Salzkristall besteht aus positiv geladenen Natriumionen, die an negativ geladene Chloridionen gebunden sind – die negativen Ionen, die von Nichtmetallen gebildet werden, enden in „–ide“. Der Kristall enthält enorm viele Natrium- und Chloridionen, aber für jedes Natriumion gibt es ein Chloridion, daher zeigt die Formeleinheit jeweils eines an. Die chemischen Symbole für Natrium und Chlor sind Na bzw. Cl, daher wird die Formeleinheit als NaCl geschrieben.
Viele ionische Verbindungen sind etwas komplexer, zum Beispiel Aluminiumoxid. Hier sucht Sauerstoff zwei Elektronen und Aluminium möchte drei geben. Sie können daher mit der Formeleinheit Al2O3 eine stabile Verbindung bilden. Die Anzahl der Atome eines Elements in einer beliebigen chemischen Formel erscheint tiefgestellt und rechts neben dem Symbol für dieses Element. Wenn nur ein Atom vorhanden ist, wird die tiefgestellte Zahl weggelassen.
Kovalente Verbindungen
Obwohl kovalente Verbindungen und Substanzen oft unterschiedliche, in sich geschlossene Moleküle bilden, können sie auch kristalline Strukturen bilden. Beispielsweise kann Siliziumdioxid, auch bekannt als Silica, Kristalle bilden. Diese sind allgemein als Quarz bekannt und bestehen wie Salz aus einer großen Anzahl von zwei verschiedenen Atomen – in diesem Fall Silizium und Sauerstoff –, die jedoch durch kovalente Bindungen zusammengehalten werden. Da das Verhältnis von Sauerstoff zu Siliziumatomen 2:1 beträgt, hat Quarz die Formeleinheit SiO2.
Verwandte Begriffe
Es gibt ein paar andere verwandte Begriffe, die für Verwirrung sorgen könnten. Die empirische Formel ist ein allgemeinerer Begriff für das einfachste Verhältnis von Elementen in einer Verbindung, ob ionisch oder kovalent, kristallin oder nicht. In einer kristallinen Verbindung ist es die gleiche Formeleinheit, aber der Begriff gilt auch für in sich geschlossene, nicht-kristalline kovalente Moleküle. Die Summenformel ist die tatsächliche Anzahl der Atome jedes Elements in einem in sich geschlossenen kovalenten Molekül und gilt nicht für ionische Verbindungen, da diese keine unterschiedlichen Moleküle bilden.
Bei ionischen Verbindungen wird die Formeleinheit tendenziell verwendet, um das einfachste Verhältnis von Atomen darzustellen, während bei nicht-kristallinen kovalenten Verbindungen die übliche Bezeichnung dafür die Summenformel ist. Beispielsweise enthalten die Kohlenstoff-Wasserstoff-Verbindungen Acetylen und Benzol beide die gleiche Anzahl an Kohlenstoff wie Wasserstoffatome und haben daher beide die Summenformel CH. Die Summenformel für Acetylen ist jedoch C2H2, während die für Benzol C6H6 ist. Dies sind sehr unterschiedliche Verbindungen mit unterschiedlichen Eigenschaften.
Bei vielen kovalenten Verbindungen sind die Summenformel und die Summenformel gleich. In Wasser sind sie zum Beispiel beide H2O. Dies ist jedoch bei organischen Verbindungen, die sehr komplex sein können, selten der Fall. Bei diesen Verbindungen gibt es oft mehr als eine Möglichkeit für das gleiche Verhältnis der Elemente, wie bereits bei Acetylen und Benzol bemerkt. Manchmal gibt es viele verschiedene Variationen.
In vielen Fällen sagt selbst die Summenformel nicht die ganze Geschichte. Glukose und Fruktose, zwei verschiedene Zuckerarten, haben beispielsweise die gleiche Summenformel C6H12O6. Die Wasserstoff- und Sauerstoffatome sind jedoch etwas anders angeordnet, was den beiden Verbindungen leicht unterschiedliche Eigenschaften verleiht. Die empirische Formel für Glucose und Fructose lautet CH2O.
Bestimmung der Formeleinheit für eine Verbindung
Um die Formeleinheit einer ionischen Verbindung und einiger einfacher kristalliner kovalenter Verbindungen zu finden, muss man in vielen Fällen nur wissen, wie viele Einfachbindungen die Elemente bilden können. Bei Metallen ist dies die Anzahl der Elektronen, die sie zur Verfügung stellen können, während dies bei Nichtmetallen die Anzahl der Elektronen ist, die sie aufnehmen oder bei kovalenten Verbindungen teilen können. Dies wird als Oxidationszahl bezeichnet. Es ist normalerweise positiv bei Metallen – die beim Bilden von Verbindungen negativ geladene Elektronen verlieren – und negativ bei Nichtmetallen – die Elektronen aufnehmen, zumindest wenn sie sich mit Metallen verbinden.
Zurück zum Aluminiumoxid-Beispiel: Aluminium hat eine Oxidationszahl von +3, während Sauerstoff eine Oxidationszahl von -2 hat. Um die Formeleinheit für Aluminiumoxid zu finden, werden diese Zahlen einfach vertauscht, um eine Verbindung mit drei Sauerstoffatomen für jeweils zwei Aluminiumatome zu erhalten: Al2O3. Das gleiche Verfahren funktioniert für viele andere ionische Verbindungen und für einige einfache kovalente Verbindungen. Es gibt jedoch Komplikationen, da einige Elemente je nach Umständen mehr als eine Oxidationszahl haben können. Eisen kann beispielsweise +2 oder +3 sein, und viele Nichtmetalle können mehrere Oxidationszahlen aufweisen, die in einigen kovalenten Verbindungen positiv sein können.