Verhältnisformel

Eine Verhältnisformel (nach IUPAC Empirische Formel, nach der nicht mehr gültigen DIN-Norm 32641 Elementarformel, gelegentlich auch Substanzformel genannt) gibt die kleinstmöglichen Zahlenverhältnisse der Atome der beteiligten chemischen Elemente in einer chemischen Verbindung an. Die Verhältnisformel berücksichtigt nicht die chemische Struktur einer Verbindung und ist das Ergebnis einer quantitativen Elementaranalyse. Sie ist zweckmäßig für Salze, aber unterscheidet sich meist von der Molekül- oder Summenformel einer molekularen Verbindung, bei der die realen Zahlen der Atome im Molekül angegeben werden.

Elementarzelle von Calciumfluorid mit der Verhältnisformel CaF₂

Elementarzelle von Natriumchlorid mit der Verhältnisformel NaCl

Historische Bedeutung

Noch bis ins 20. Jahrhundert hinein hatten Verhältnisformeln eine große Bedeutung, da sie experimentell oft einfacher oder zuverlässiger zu bestimmen waren als die Molekül- oder Summenformel. Die Verhältnisformel gab in vielen Fällen den experimentellen Befund wieder, während die Molekülformeln bisweilen auf zusätzlichen Annahmen beruhten. Aufgrund der sehr genauen modernen Strukturbestimmungsmethoden liegt gerade für große, aber wohldefinierte Proben der Fall bisweilen umgekehrt. Bei Proteinen beispielsweise ist es sinnvoll, aus der Struktur die Molekülformel zu bestimmen, aus der die Verhältnisformel exakt abgeleitet werden kann. Dies ist oft genauer als durch eine einfache Elementaranalyse.

Die Aussagekraft einer Molekülformel ist viel höher als die einer Verhältnisformel. Insbesondere kann aus der Molekülformel leicht die Verhältnisformel abgeleitet werden, während dies umgekehrt nur mit Hilfe zusätzlicher Angaben möglich ist. Verhältnisformeln haben daher nur noch eine relativ geringe praktische Bedeutung für Moleküle. Für ionische Verbindungen ist dagegen oft nur die Angabe der Verhältnisformel sinnvoll.

Übersicht

Vergleich verschiedener Formelschreibweisen für Moleküle in unterschiedlichen Abstraktionsgraden

	Strukturformeln				andere Darstellungsweisen
	Elektronen- formel	Valenzstrich- formel	Keilstrich- formel	Skelett- formel	Konstitutions- formel	Summen- formel	Verhältnis- formel
Methan				existiert nicht	CH4	CH4	CH4
Propan					CH3–CH2–CH3 oder CH3 CH2 CH3	C3H8	C3H8
Essigsäure					CH3–COOH oder CH3 COOH	C2H4O2	CH2O
Wasser				existiert nicht	H–O–H oder H O H	H2O	H2O

Darstellung/Erklärung

Die Atome eines Elementes werden in der Verhältnisformel durch die im Periodensystem (PSE) angegebenen Symbole bezeichnet. Das jeweilige Verhältnis wird durch tiefgestellte Zahlen (Indices) gekennzeichnet, wobei eine 1 stets weggelassen wird.

Beispiel: Die Verbindung Kupfer(I)-sulfid wird durch die Verhältnisformel Cu₂S angegeben. Sie enthält Kupfer- und Schwefelionen im Verhältnis 2:1.

Die Verhältnisformel unterscheidet sich in manchen Fällen von der Summenformel (Molekülformel), die die tatsächlichen Atomzahlen angibt. So hätte die Verbindung Phosphorpentoxid mit der Molekülformel P₄O₁₀ die Verhältnisformel P₂O₅. Essigsäure hat die Verhältnisformel CH₂O, jedoch die Summenformel C₂H₄O₂. Für Wasser ist die Verhältnisformel H₂O gleich der Summenformel.

Bestimmung

Bei unbekannten chemischen Verbindungen werden die Verhältnisformeln mittels Elementaranalyse bestimmt. Die qualitative Elementaranalyse dient dabei der Ermittlung der vorhandenen Elemente (Nachweisreaktionen) und die quantitative Elementaranalyse der Bestimmung des Verhältnisses der Atomzahlen. Über die Bestimmung der molaren Masse lässt sich die Summenformel ermitteln.