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Chemische Formeln

Chemische Formeln

In der Chemie gibt es verschiedene Möglichkeiten, um Moleküle darzustellen. Diese Schreibweisen werden als chemische Formeln bezeichnet. Somit wird verdeutlicht, welche Atome an einem Molekül beteiligt sind bzw. in welcher Anordnung sich diese Atome befinden.

Chemische Formeln sind ebenfalls die Grundlage für alle weiteren Prozesse, die man graphisch darstellen will. Dazu gehören Reaktionsgleichungen und Reaktionsmechanismen.

Allgemeine chemische Formeln

In diesem Abschnitt lernst du besonders die Formen kennen, die für Reaktionsgleichungen von Bedeutung sind. Die wichtigste Rolle spielt dabei die Summenformel. Anhand dieser Schreibweisen lernst du bereits viel über ein Molekül, was dir auch beim Aufstellen von Reaktionsgleichungen hilft.

VerbindungKonstitutionsformelSummenformelVerhältnisformel
MethanCH4CH4CH4
PropanCH3–CH2–CH3C3H8C3H8
EssigsäureCH3–COOHC2H4O2CH2O
WasserH2OH2OH2O

Summenformel

Bei der Summenformel handelt es sich um die Schreibweise, die in Reaktionsgleichungen üblicherweise verwendet wird. Sie gibt an, wie viele Atome einer Art sich zu einem Molekül zusammengeschlossen haben. Die Elemente werden dabei entsprechend ihrer Elektronegativität angeordnet.

Art des TeilchensSummenformeln Beispiele
MoleküleChemische Formeln Beispiele Summenformel Moleküle StudySmarter
IonenChemische Formeln Ionenschreibweise Summenformel StudySmarter
KomplexeChemische Formeln Komplexe Schreibweise StudySmarter

Die kleinen Zahlen, die jeweils neben den Atomen stehen, beschreiben übrigens, wie oft dieses Atom vorkommt. Sie werden Index genannt. In Fällen wie der Komplexchemie kommt es häufiger auch zu Klammern. Im Fall von Tetraaquakupfer(II)-sulfat, dem ersten Beispiel für einen Komplex in der Tabelle, steht das Wasser in Klammern. Die kleine 4 dahinter bezieht sich nun darauf, dass Wasser als Ligand viermal vorkommt.

Ein ähnliches Phänomen tritt auch bei Basen auf, z. B. Al(OH)3. In diesem Fall bedeutet die Klammer, dass das Molekül drei OH-Gruppen hat.

In Reaktionsgleichungen ist es besonders wichtig, dass auf beiden Seiten der Gleichung die gleiche Menge an Atomen steht. Mithilfe der Summenformel kannst du einfach ausrechnen, ob alle Atome vorhanden sind.

Verhältnisformel

Die Verhältnisformel ist eine abgewandelte Form der Summenformel und wird kaum verwendet. Sie gibt nur an, in welchem Verhältnis zueinander die Atome in einem Molekül vorkommen. Dabei zeigt die Verhältnisformel jedoch nicht immer die genaue Anzahl der Atome an. So besitzt Benzol mit der Summenformel C6H6 die entsprechende Verhältnisformel von C1H1. Konkret bedeutet das, dass auf ein Kohlenstoffatom immer ein Wasserstoffatom folgt.

Konstitutionsformel

Die Konstitutionsformel gibt einen gründlicheren Einblick in den Aufbau eines Moleküls. Dabei werden immer Gruppen gebildet. Diese Formel wird vorrangig in der organischen Chemie angewendet. So können auf diese Weise klar und deutlich Mehrfachbindungen hervorgehoben werden. Außerdem wird so die Lage der funktionellen Gruppen spezifiziert.

Butan: Chemische Formeln Konstitutionsformel Butan StudySmarter

Propansäure: Chemische Formeln Propansäure Konstitutionsformel StudySmarter

Die Konstitutionsformel wird oftmals auch mit der Valenzstrichformel gleichgesetzt. Daher kann man die Konstitutionsformel in dieser Form als Übergang zu den Strukturformeln bezeichnen. Teilweise wird sie sogar direkt Halbstrukturformel genannt.

Chemische Formeln – Strukturformeln

Die nachfolgenden chemischen Formeln sind nun alles Strukturformeln, die folglich angeben, wie genau ein Molekül aufgebaut ist.

Chemische Formeln Tabelle Strukturformeln Aufbau Molekül

Lewis-Formel

Die Lewis-Formel wird oftmals auch als Elektronenformel bezeichnet, da bei dieser Art jegliche Elektronen des Moleküls dargestellt werden. Dabei werden die Elektronen, die eine Bindung zwischen zwei Atomen formen, als Punkte dazwischen dargestellt.

Die atomeigenen Elektronenpaare werden als zwei Punkte nebeneinander dargestellt.

Mithilfe dieser Schreibweise ist es besonders einfach, die Oktett-Regel nachzuvollziehen.

Die Oktett-Regel besagt, dass alle Atome darauf abzielen, 8 Außenelektronen zu besitzen. Zu den Ausnahmen gehören hier nur die Nebengruppenelemente und Wasserstoff.

Diese Methode wird insbesondere dazu verwendet, Moleküle darzustellen und sie zu deutlicher zu veranschaulichen.

Valenzstrichformel

Die Valenzstrichformel ist der Lewis-Formel sehr ähnlich. Dabei werden die Punkte durch simple Striche ausgetauscht, die die Atome miteinander verbinden. Dabei werden zweidimensional jeweils die größtmöglichen Winkel gewählt. Die Elektronenpaare der Atome werden ebenfalls nun durch Striche dargestellt.

Mit dieser Methode ist es ebenfalls möglich, die Elektronen zu zählen und die Oktett-Regel zu verdeutlichen. Einzelne Atome werden in dieser Form dennoch mit einem einzelnen Punkt gekennzeichnet.

Der Vorteil dieser Methode liegt besonders darin, dass somit auch größere Moleküle dargestellt werden können, ohne dass man als Betrachter*in den Überblick verliert. Es sind dennoch alle Bindungen offensichtlich zu erkennen.

Der Nachteil besteht jedoch darin, dass diese Methode schlecht geeignet ist für Moleküle, bei denen die Atome die Oktett-Regel überschreiten und mehr Bindungen eingehen, als möglich sein sollte.

Keilstrichformel

Die Keilstrichformel ist eine erweiterte Form der Valenzstrichformel. In diesem Fall werden übrige Elektronenpaare an den Atomen bereits weggelassen. Weiterhin wird mithilfe von Keilen in unterschiedlicher Stärke die sterische (räumliche) Anordnung eines Moleküls angegeben. Ausgefüllte Keile führen dabei nach vorn. Die breite Seite stellt das vordere Ende dar. Gestrichelte Keile hingegen führen nach hinten in den Raum. Das breitere Ende zeigt ebenfalls die Vorderseite an.

Chemische Formeln Keilstrichformel Methan StudySmarterAbbildung 1: Keilstrichformel von Methan

Wusstest du, dass viele Lehrbücher die Keilstrichformel falsch zeichnen?

Diese Abbildung hier ist korrekt. Oftmals wirst du es allerdings sehen, dass der gestrichelte Keil andersherum dargestellt wird. Die breite Seite zeigt dann nach hinten. Diese Schreibweise ist jedoch falsch. Räumliche Anordnungen werden schließlich auch nicht breiter, wenn sie weiter entfernt sind. Bedenke das, wenn du demnächst wieder in ein Lehrbuch schaust.

Skelettformel

Die Skelettformel ist die vereinfachte Form der Keilstrichformel, die jedoch nur in der organischen Chemie verwendet wird. In ihr werden alle Kohlenstoffatome durch Striche beziehungsweise Ecken oder Knicke dargestellt.

Wasserstoffatome werden in dieser Schreibweise vollständig ignoriert. Stattdessen werden nur funktionelle Gruppen oder Heteroatome (also alle außer Kohlenstoff und Wasserstoff) dargestellt, die für die Wirkung dieses Moleküls essentiell sind. Besonders große Moleküle können mit dieser Schreibweise optimal dargestellt werden, da es nicht zu einer chaotischen Darstellung aufgrund der Wasserstoffatome oder Bindungswinkel kommt.

Chemische Formeln Skelettformel Escitalopram StudySmarterAbbildung 2: Skelettformel des Antidepressivums Escitalopram

Die Abbildung zeigt dir nun eine bereits komplexe Skelettstruktur. Die Besonderheit liegt darin, dass auch Merkmale der Keilstrichformel verwendet werden, um die räumliche Darstellung zu verdeutlichen. Genauso kannst du anhand dieser Abbildung erkennen, wie leicht sich auch Doppel- und Dreifachbindungen darstellen lassen.

Weitere chemische Formeln

Die folgenden drei Formeln sind Darstellungen, die hauptsächlich in der organischen Chemie oder der Biochemie angewandt werden.

Fischer-Projektion

Die Fischer-Projektion ist eine Anordnung, die es möglich macht, auf Bindungswinkel zu verzichten. Im Grunde verbindet diese Darstellungsform die simple Valenzstrichformel mit der Keilstrichformel. Dabei gibt es jedoch Regeln zu beachten. Grundlage dafür ist, dass um jedes Kohlenstoffatom ein Tetraeder gebaut wird, der mit einer glatten Fläche auf dem Boden liegt. Der Betrachter blickt genau senkrecht auf eine der Kanten der Grundfläche.

  1. Die oben liegende Spitze im Tetraeder liegt auch in der Fischer-Projektion oben.
  2. Die Atome, die an der Kante links und rechts liegen, werden dann auch entsprechend in der Fischer-Projektion links und rechts neben einem Kohlenstoffatom angeordnet.
  3. Die Ecke der Grundfläche, die nicht gesehen wird, zeigt nach unten.

Chemische Formeln Keilstrichformel Fischer-Projektion StudySmarterAbbildung 3: Umwandlung der Keilstrichformel in die Fischer-Projektion

Haworth-Projektion

Nachdem du nun die Fischer-Projektion kennst, lässt diese sich einfach in eine Haworth-Projektion umwandeln, solange es sich dabei um ringförmige Moleküle handelt. Diese können fünf- oder sechsgliedrig sein. Dabei wird ein Sechseck oder Fünfeck so gezeichnet, dass eine Bindung direkt zum Betrachter zeigt. Auf ihn ist keine Ecke gerichtet!

Beachte:

FLOH – Atome und funktionelle Gruppen, die beim Fischer links sind, sind oben bei Haworth!

Mit dieser Regel lässt sich nun leicht deine Fischer-Projektion in die Haworth-Projektion umwandeln.

Chemische Formeln Umwandlung Fischer-Projektion Haworth-Projektion StudySmarterAbbildung 4: Umwandlung von Glucopyranose aus der Fischer-Projektion (links) in die Haworth-Projektion (rechts)

Wird in den Ring ein Sauerstoffatom eingeschlossen, steht dieses immer in der rechten, oberen Ecke des Sechseckes. Bei Fünfecken nimmt der Sauerstoff die Ecke ein, die nach hinten zeigt. Anschließend werden die Atome im Uhrzeigersinn entsprechend ihrer Reihenfolge notiert. Dabei muss nicht immer das erste Kohlenstoffatom auch die Position 1 im Molekül besitzen. In der Abbildung ist das jedoch der Fall.

Newman-Projektion

Bei der Newman-Projektion wird nun eine Bindung ausgesucht, die als Rotationsachse betrachtet wird. Die Aufzeichnung erfolgt dadurch, dass scheinbar direkt von vorne auf die Rotationsachse geblickt wird. Die drei übrigen Gruppen um das Zentrum werden nun im 120°- Winkel angeordnet. Das Gleiche gilt für das hintere Kohlenstoffatom.

Chemische Formeln Newman-Projektion StudySmarterAbbildung 5: Die Newman-Projektion

Anhand dieser Anordnung kann die sterische Hinderung bestimmt werden. In der Abbildung sind die funktionellen Gruppen (in diesem Fall zwei Methylgruppen) in einer Anti-Konformation angeordnet, d. h. sie sind so weit wie möglich voneinander entfernt (180°- Winkel), indem sie sich direkt gegenüberstehen.

Eine sterische Hinderung entsteht besonders, wenn die Gruppen am C-Atom rotieren und dann an der gleichen Stelle sind. Diese Konformation wird als ekliptisch bezeichnet. Sind sie leicht versetzt, nennt man dies dann gauche (60°- oder 120°- Winkel).

Chemische Formeln - Das Wichtigste

  • Chemische Formeln dienen der Darstellung von Molekülen in einer einfachen Schreibweise, die für die Strukturaufklärung, den Reaktionsmechanismus oder nur für Reaktionsgleichungen verwendet wird.
  • Zu den allgemeinen Darstellungsformen gehören die Summenformel, Verhältnisformel und Konstitutionsformel.
  • Lewis-Formel, Valenzstrichformel, Keilstrichformel und Skelettformel gehören zu den Strukturformeln, bei denen die genaue Anordnung der Atome eines Moleküls dargestellt wird.
  • Lewis-Formel und Valenzstrichformel zeigen alle Bindungen, Atome und selbst die einzelnen Elektronenpaare.
  • Die Keilstrichformel legt besonderen Wert auf die räumliche Anordnung mitsamt richtiger Winkel.
  • Die Skelettformel ist die vereinfachte Form der Keilstrichformel und zeigt nur funktionelle Gruppen deutlich an. Sie eignet sich besonders für sehr große Moleküle.
  • Fischer-Projektion, Haworth-Projektion und Newman-Projektion werden nur in der organischen Chemie angewandt, um eine räumliche Anordnung deutlicher zu machen.
  • Die Newman-Projektion betrachtet nur eine einzige Bindung als Rotationsachse. Dadurch kann die sterische Hemmung analysiert werden.

Häufig gestellte Fragen zum Thema Chemische Formeln

Die Schreibweise ist abhängig von der Art der chemischen Formel. Die einfachste Schreibweise ist die Summenformel, bei der Elemente entsprechend ihrer Elektronegativität angeordnet werden. Der Index als kleine Fußnote gibt dabei an, wie häufig dieses Atom im Molekül vorkommt. 

Dabei handelt es sich um die am häufigsten verwendete chemische Formel. Sie stellt entsprechend der Elektronegativität alle Elemente dar. Der Index gibt dabei an, wie oft dieses Atom im Molekül vorkommt. Er wird als kleine Fußnote hinter das Element geschrieben. 

Chemische Symbole und Formeln stellen Elemente und Moleküle dar, die miteinander reagieren. Dadurch wird die Reaktionsgleichung vereinfacht, indem sich leichter ausrechnen lässt, ob auf beiden Seiten ein Gleichgewicht herrscht. Weiterhin lassen sich dadurch Anordnungen angeben sowie Reaktionsmechanismen. 

Die Strukturformel gibt an, wie die Atome räumlich angeordnet sind. Dabei wird vor allem zwischen Lewis-Formel, Valenzstrichformel, Keilstrichformel und Skelettformel unterschieden. 

Finales Chemische Formeln Quiz

Frage

Was ist eine chemische Formel?

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Antwort

Als chemische Formeln werden Schreibweisen bezeichnet, die graphisch oder nur durch Anordnung der Elemente die Zusammensetzung eines Moleküls beschreiben. 

Frage anzeigen

Frage

In welcher Reihenfolge werden die Elemente in einer Summenformel angeordnet?

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Antwort

Die Anordnung erfolgt entsprechend der Elektronegativität. Funktionelle Gruppen bleiben jedoch zusammen. 

Frage anzeigen

Frage

Was ist die Verhältnisformel?

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Antwort

Die Verhältnisformel gibt an, in welchem Verhältnis die Atome zueinander im gesamten Molekül vorkommen. Das muss nicht immer der genauen Anzahl entsprechen. 

Frage anzeigen

Frage

Welche Strukturformeln kennst du?

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Antwort

  • Lewis-Formel
  • Valenzstrichformel
  • Keilstrichformel
  • Skelettformel

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Frage

Wie unterscheiden sich Lewis-Formel und Valenzstrichformel?

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Antwort

Der Grundaufbau ist gleich. Bei der Valenzstrichformel werden Elektronenpaare jedoch als Striche dargestellt, die entweder um die einzelnen Atome angeordnet sind oder zwei Atome miteinander verbinden. 

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Frage

Welchen Nachteil besitzt die Valenzstrichformel?

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Antwort

Aufgrund der zahlreichen Bindungen verliert man bei großen Molekülen schnell den Überblick. Die räumliche Darstellung fehlt ebenfalls. 

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Frage

Wie wird in der Keilstrichformel ein Atom gezeichnet, das nach vorn zeigt?

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Antwort

Dabei wird ein ausgefüllter Keil gezeichnet, dessen breites Ende nach vorn zeigt. 

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Frage

Die Skelettformel ist die vereinfachteste Form. Sie zeigt nur Kohlenstoffatome und .....

Antwort anzeigen

Antwort

funktionelle Gruppen

Frage anzeigen

Frage

Die Skelettformel eignet sich besonders für .....

Antwort anzeigen

Antwort

große Moleküle

Frage anzeigen

Frage

Welche drei Projektionsformen kennst du?

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Antwort

  • Fischer-Projektion
  • Haworth-Projektion
  • Newman-Projektion

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Frage

Wie kann die Fischer-Projektion in die Haworth-Projektion umgewandelt werden?

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Antwort

Alle Atome und funktionellen Gruppen, die beim Fischer links sind, sind oben bei Haworth (FLOH)

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Frage

Mithilfe welcher Regeln lässt sich die Fischer-Projektion aufstellen? 

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Antwort

  1. Oben liegende Spitze im Tetraeder ist auch in der Fischer-Projektion oben. 
  2. Die Atome und Gruppen links und rechts des Atoms, die sichtbar sind, werden auf die entsprechenden Seiten angeordnet. 
  3. Die nicht sichtbare Ecke des Tetraeders ist immer unten. 

Frage anzeigen

Frage

Für welche Moleküle eignet sich die Haworth-Projektion?

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Antwort

Die Haworth-Projektion eignet sich nur für ringförmige, fünf- oder sechsgliedrige Moleküle wie zum Beispiel verschiedene Zucker. 

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Frage

Bei der Newman-Projektion wird eine Bindung ausgesucht, die als ..... betrachtet wird. 

Antwort anzeigen

Antwort

Rotationsachse

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Frage

Was wird mit der Newman-Projektion untersucht?

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Antwort

Der Fokus liegt besonders auf der sterischen Hinderung. 

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Frage

Wie wird die Lewis Schreibweise auch genannt?

Antwort anzeigen

Antwort

Die Lewis Schreibweise wird auch Elektronenformel oder Lewis-Struktur genannt.

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Frage

Beschreibe die Lewis Schreibweise von Sauerstoff.

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Antwort

Molekularer Sauerstoff besteht aus zwei Sauerstoffatomen, die sechs Valenzelektronen aufweisen. Beide Atome möchten acht Valenzelektronen besitzen und somit die Oktettregel erfüllen. Deswegen bilden sie zwei kovalente Bindungen aus.

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Frage

Das Molekül von Kohlenstoffdioxid setzt sich aus ... zusammen. Kohlenstoff hat Elementsymbol C und besitzt ... Valenzelektronen. Die beiden Sauerstoffatome werden durch das Elementsymbol O abgebildet und weisen sechs Valenzelektronen auf. 

Zum Erreichen der ...  verbinden sich jeweils zwei Elektronen der Sauerstoffatome mit den vier Elektronen des Kohlenstoffatoms.

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Antwort

1) einem Kohlenstoffatom und zwei Sauerstoffatomen

2) vier

3) sechs

4) Edelgaskonfiguration

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Frage

Was symbolisiert das Elementsymbol in der Lewis Schreibweise?

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Antwort

Das Elementsymbol repräsentiert den Atomkern und die inneren Elektronen.

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Frage

Erkläre den Unterschied zwischen der Lewis Schreibweise und der Valenzstrichformel.

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Antwort

In der Lewis Schreibweise werden die freien Elektronen und die Elektronenpaare als Punkte geschrieben. Bei der Valenzstrichformel hingegen werden Elektronenpaare als Strich symbolisiert. Einzelne, freie Elektronen werden nicht geschrieben.

Frage anzeigen

Frage

Wie kann die Anzahl an Valenzelektronen bestimmt werden?

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Antwort

Die Anzahl an Valenzelektronen kann mithilfe der Hauptgruppennummer bestimmt werden.

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Frage

Bei der Aufstellung der Lewis Schreibweise solltest Du die ... und die ... beachten. Jedes Atom möchte eine ... . Dazu nehmen die jeweiligen Atome gerne die fehlende Anzahl an Elektronen auf. Laut der ... können Elemente, die in der zweiten oder einer höheren Periode stehen, höchstens ... besitzen.

Antwort anzeigen

Antwort

1) Oktettregel

2) Edelgaskonfiguration

3) voll besetzte äußere Elektronenschale

4) Oktettregel

5) acht Valenzelektronen

Frage anzeigen

Frage

Wozu dient die Lewis Schreibweise?

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Antwort

Es können Aussagen über den Aufbau kleiner Moleküle treffen, sofern bekannt ist, aus welchen Atomen und wie vielen eine Verbindung zusammengesetzt ist.

Frage anzeigen

Frage

Richtig oder falsch?

In der Lewis Form können zwei Punkte zu einem Strich verbunden werden.

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Antwort

Falsch

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Frage

Woraus setzt sich die Lewis Schreibweise zusammen?

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Antwort

Die Lewis Formel setzt sich aus dem Elementsymbol und den jeweiligen Valenzelektronen zusammen.

Frage anzeigen

Frage

Was ist Lewis Schreibweise?

Antwort anzeigen

Antwort

Die Lewis Schreibweise ist eine Strukturformel, um die Atome in Molekülen zu beschreiben.

Frage anzeigen

Frage

Was ist die Oktettregel?

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Antwort

Nach der Oktettregel können Elemente, die in der zweiten oder einer höheren Periode stehen, höchstens acht Valenzelektronen besitzen.

Frage anzeigen

Frage

Wasser weist ein Sauerstoffatom und zwei Wasserstoffatome auf. Sauerstoffatom hat ... . Wasserstoff mit dem Elementsymbol H steht in der ersten Hauptgruppe des Periodensystems. Somit weisen die beiden Wasserstoffatome ... auf. Alle drei Atome möchten die ... erreichen. Dem Sauerstoffatom fehlen noch zwei Elektronen und den beiden Wasserstoffatomen fehlen jeweils ... . Deswegen bilden sich ... .

Antwort anzeigen

Antwort

1) sechs Valenzelektronen

2) ersten Hauptgruppe

3) ein Valenzelektron

4) Edelgaskonfiguration

5) zwei Elektronen

6) ein Elektron

7) jeweils eine Elektronenpaarbindung zwischen dem Sauerstoffatom und einem Wasserstoffatom


Frage anzeigen

Frage

Beschreibe die Lewis Schreibweise von Stickstoff.

Antwort anzeigen

Antwort

Stickstoff steht in der fünften Hauptgruppe und besitzt somit fünf Valenzelektronen. Es hat das Elementsymbol N. Somit werden fünf Punkte um das Elementsymbol N geschrieben.

Frage anzeigen

Frage

Sofern mehrere Optionen der Lewis Schreibweise existieren...

Antwort anzeigen

Antwort

... wird die energetisch günstigste Variante gewählt.

Frage anzeigen

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