1. Von der mathematische Gleichung ...

Wesentliches Merkmal der Naturwissenschaften ist der Versuch die Veränderungen in der Natur als Gleichgewicht zu beschreiben. Dabei wird die Mathematik als methodischer Formalismus benutzt, die Natur zu beschreiben. Das Ausdrucksmittel in der Mathematik ist die chemische Gleichung.

Mathematisch: 2a + b = {2a+b};

In der Chemie haben die Variablen eine die besondere Bedeutung. Die Variable steht für genau ein Atom und ist damit nicht frei wählbar. Außerdem besteht jede Atomvariable aus mindestems einem großen Buchstaben und, wenn zur Unterscheidung nötig ist, einem weteren, dann klein geschrieben Buchstaben.

So bedeutet H in der Symbolsprache der Chemie ein Wasserstoffatom, 2 * H bedeuten dann zwei isolierte Wasserstoffatome. Das Multiplikationszeichen wird in der Regel nicht geschrieben, als 2 H.

Anders als in der Mathematik können Symbole in der Chemie auch Verbindungen eingehen. Verbindungsbildung wird in der chemischen Gleichung durch Hintereinanderschreiben der einzelne Atome angezeigt.

chemisch: 2 H -> H₂ bedeutet zwei unabhänge Wasserstoffatome 2 H verbinden sich zu einem neuen Teilchen, einem Wasserstoffmolekül zusammen.

chemisch: 2 H + O -> H₂O bedeutet zwei Wasserstoffatome verbinden sich zu eine Teilchen Wasser (Wasserstoffoxid). In dem Molekül sind zwei Wasserstoffatome mit einem Sauerstoffatom zu einem neuen Teilchen verbunden.

Nun kann man einzelne Atome nur sehr schwer, wenn überhaupt, bei der Verbindungsbildung beobachten. Entscheident für die Theorie der Verbindungsbildung ist die Tatsache, dass sich bei Gasen die Volumina der unterschiedlichen Gase sich genau so verhalten wie einzelne Teilchen. Das Verhalten steckt im Satz von Avogadro wikipedia.

Es gilt chemisch: 2 H + O -> H₂O bedeutet auch 2 Liter Wasserstoff reagieren mit 1 Liter Sauerstoff zu 1 Liter gasförmigen Wasser.

Die Erklärung der Reaktion von Wasserstoff mit Sauerstoff führte jedoch zu Problemen. Es wird nämlich folgendes beobachtet:

2 Liter gasförmigem Wasserstoff reagieren mit 1 Liter gasförmigen Sauerstoff zu 1 Liter gasförmigen Wasser und 1/2 Liter Sauerstoff bleibt übrig!

Hier soll versucht werden, das Problem als mathematische Gleichung gelöst werden. Dazu wird

H-> a

O-> b

H2O - {2a+b}

2. ...zur chemischen Gleichung

Chemische Gleichungen sind mathematische Gleichungen ähnlich zu behandeln. Auch hier muss die linke Seite der Gleichung "das Gleiche" enthalten wie die rechte. Das Gleiche bedeutet hier, dass die Anzahl und die Art der Atome gleich sein müssen. Der Unterschied zur Mathematik besteht zum einen in der Bezeichnung der Variablen und zum anderen in der speziellen Anordnung der Multiplikatoren. Klammern werden wie in der mathematischen Gleichung behandelt.

Die chemischen Symbole der Elementnamen entsprechen den Variablen in einer mathematischen Gleichung. Allerdings gibt es in den chemischen Formeln meistens noch tiefgestellte Zahlen, die so in der Mathematik nicht vorkommen.

Tief gestellte Zahlen in den chemischen Formel hinter einem Elementsymbol sind Faktoren, mit denen man das davorstehende Elementsybol multiplizieren muss, um die korrekte Anzahl der Atome zu erhalten, die das Elementsymbol beschreibt.

3. Erklärung am Beispiele der Bildungsreaktion von Wasser aus den Elementen

Die chemische Formel H₂O bedeutet: 2 Atome H (Wasserstoff) und ein Atom O (Sauerstoff). Durch die Schreibweise deutet man in der Chemie an, dass es sich um fest miteinander verbundene Atome handelt.

H₂O -> 2 * H + 1 * O

Weil die Atome eines Verbindungssymbols alle fest miteinader verbunden sind, hat ein chemische Verbindungssymbol auch die Wirkung einer mathematischen Klammer.

Deshalb bedeutet 3 H₂O chemisch drei Moleküle der Verbindung H₂O Wasser.

3 H₂O -> 3 * ( H₂O);

3 H₂O -> 3 * ( 2*H + 1*O);

3 H₂O -> 6 *H + 3*O;

4. Anwendung bei der Knallgas-Reaktion

 ELEMENTE: Physik Sekundarstufe I; Klett - Verlag Hannover 1993;