Gesetz von der Erhaltung der Masse und Daltons Atommodell

Einstieg: Wird Eisen beim Verbrennen schwerer?

Verbrennt ein Stück Holz, bleibt nur ein kleines Häufchen Asche übrig. Man könnte meinen, beim Verbrennen geht Masse verloren. Hängst du aber ein Büschel Eisenwolle an eine Balkenwaage und zündest es an, sinkt die Seite mit der Eisenwolle nach unten. Das verbrannte Eisen ist schwerer geworden. Wie passt das zusammen?

Erklärung: Das Gesetz von der Erhaltung der Masse

Der französische Chemiker Antoine Lavoisier hat im 18. Jahrhundert Reaktionen in verschlossenen Gefäßen genau gewogen. Sein Ergebnis gilt bis heute:

Bei einer chemischen Reaktion ist die Masse der Produkte genauso groß wie die Masse der Ausgangsstoffe.

Scheinbare Ausnahmen haben immer denselben Grund: Ein Gas ist beteiligt, das man nicht mitgewogen hat.

• Beim Holz entweichen die gasförmigen Produkte Kohlenstoffdioxid und Wasserdampf in die Luft. Die Asche ist deshalb leichter als das Holz.
• Bei der Eisenwolle wird Sauerstoff aus der Luft gebunden. Das Produkt Eisenoxid enthält Eisen und Sauerstoff und ist deshalb schwerer als das Eisen allein.

Wiegt man in einem geschlossenen Gefäß, in dem nichts entweichen und nichts hinzukommen kann, bleibt die Masse gleich.

Erklärung mit Atomen

Mit dem Teilchenmodell aus dem Anfangsunterricht kann man das noch nicht erklären. Dafür braucht man ein genaueres Modell, das Atommodell nach Dalton (um 1808):

1. Alle Stoffe bestehen aus Atomen, den kleinsten Bausteinen.
2. Atome eines Elements sind untereinander gleich, Atome verschiedener Elemente unterscheiden sich in Masse und Größe.
3. Atome lassen sich durch chemische Reaktionen weder erzeugen noch vernichten.
4. Bei einer chemischen Reaktion werden die Atome der Ausgangsstoffe neu gruppiert. So entstehen neue Teilchenverbände mit neuen Eigenschaften.

Es gibt etwa 118 Elemente, also 118 Atomsorten. Jede hat ein Atomsymbol aus einem oder zwei Buchstaben, zum Beispiel H für Wasserstoff, O für Sauerstoff, C für Kohlenstoff, Fe für Eisen, Cu für Kupfer und S für Schwefel.

Da bei einer Reaktion keine Atome verloren gehen und keine dazukommen, und da jedes Atom seine Masse behält, bleibt auch die Gesamtmasse gleich.

Daltons Modell hilft auch, zwei Stoffarten zu unterscheiden: Ein Element ist ein Reinstoff aus nur einer Atomsorte, zum Beispiel Eisen oder Sauerstoff. Eine Verbindung ist ein Reinstoff aus mindestens zwei Atomsorten in einem festen Anzahlverhältnis, zum Beispiel Wasser oder Eisensulfid.

Versuch: Streichholzköpfe im geschlossenen Reagenzglas

Material: Reagenzglas, fünf abgebrochene Streichholzköpfe, Luftballon, Waage (auf 0,01 g genau), Reagenzglashalter, Brenner, Schutzbrille.

Durchführung: Gib die Streichholzköpfe ins Reagenzglas, zieh den Luftballon über die Öffnung und wiege alles. Erhitze dann den unteren Teil des Glases vorsichtig, bis die Streichholzköpfe aufflammen. Der Ballon bläht sich kurz auf. Lass alles abkühlen und wiege erneut.

Beobachtung: Die Masse ist vor und nach der Reaktion gleich, zum Beispiel 24,36 g und 24,36 g.

Sicherheit: Schutzbrille, Reagenzglas schräg halten und nicht auf Personen richten. Den Ballon erst nach dem Abkühlen abnehmen, die Rauchgase nicht einatmen. Gut lüften.

Beispiele

Beispiel 1: Messwerte der Eisenwolle auswerten

Eine Gruppe wiegt 2,00 g Eisenwolle, verbrennt sie offen auf einer feuerfesten Unterlage und wiegt das Produkt: 2,41 g.

Die Masse hat um $2{,}41\,\text{g} - 2{,}00\,\text{g} = 0{,}41\,\text{g}$ zugenommen. Das ist die Masse des Sauerstoffs, der mit dem Eisen reagiert hat. Die Gesamtmasse aus Eisen und Sauerstoff bleibt erhalten.

Beispiel 2: Abweichungen deuten

Eine andere Gruppe misst beim Streichholzversuch vorher 24,36 g und nachher 24,31 g. Mögliche Gründe: Der Ballon saß nicht dicht, und etwas Gas ist entwichen. Oder das Glas war beim Wiegen noch warm, und die aufsteigende warme Luft hat die Anzeige leicht verfälscht. Eine Abweichung bedeutet nicht, dass das Gesetz falsch ist. Sie zeigt, wo der Versuch verbessert werden muss.

Merksatz

Bei chemischen Reaktionen bleibt die Gesamtmasse erhalten. Grund: Atome werden bei einer Reaktion weder erzeugt noch vernichtet, sondern nur neu gruppiert. Ein Element besteht aus einer Atomsorte, eine Verbindung aus mehreren Atomsorten in festem Anzahlverhältnis.

Übungen

Grundlagen

1. Formuliere das Gesetz von der Erhaltung der Masse in eigenen Worten.
2. Nenne die vier Aussagen des Atommodells nach Dalton.
3. Ordne als Element oder Verbindung: Kupfer, Wasser, Sauerstoff, Kohlenstoffdioxid, Eisensulfid, Schwefel.

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4. Erkläre, warum die Asche leichter ist als das Holz, obwohl das Gesetz von der Erhaltung der Masse gilt.
5. 3,18 g Kupfer reagieren vollständig mit Sauerstoff zu 3,98 g Kupferoxid. Berechne die Masse des Sauerstoffs, der reagiert hat.
6. Nenne zwei Fehlerquellen beim Streichholzversuch und schlage jeweils eine Verbesserung vor.

Knobeln

7. Eine Kerze steht auf einer Waage und brennt. Die Anzeige sinkt. Beschreibe einen Aufbau, mit dem du zeigen könntest, dass auch hier die Masse erhalten bleibt.
8. Erkläre, warum Daltons Atommodell die Massenerhaltung erklären kann, das einfache Teilchenmodell aber nicht. Denk an die Teilchen von Eisen, Schwefel und Eisensulfid.

Lösungen

1. Bei einer chemischen Reaktion haben alle Produkte zusammen dieselbe Masse wie alle Ausgangsstoffe zusammen.
2. Stoffe bestehen aus Atomen. Atome eines Elements sind gleich, Atome verschiedener Elemente unterscheiden sich in Masse und Größe. Atome werden bei Reaktionen weder erzeugt noch vernichtet. Bei Reaktionen werden die Atome neu gruppiert.
3. Elemente: Kupfer, Sauerstoff, Schwefel. Verbindungen: Wasser, Kohlenstoffdioxid, Eisensulfid.
4. Ein Teil der Produkte ist gasförmig, nämlich Kohlenstoffdioxid und Wasserdampf. Diese Gase entweichen in die Luft und werden nicht mitgewogen. Zusammen mit dem verbrauchten Sauerstoff bleibt die Gesamtmasse gleich.
5. $3{,}98\,\text{g} - 3{,}18\,\text{g} = 0{,}80\,\text{g}$ Sauerstoff.
6. Zum Beispiel: Ballon undicht (Ballon zusätzlich mit Gummiring sichern); Glas beim Wiegen noch warm (vollständig abkühlen lassen); Ruß am Glas abgewischt (Glas vor und nach dem Versuch gleich behandeln).
7. Kerze in ein großes, verschlossenes Glasgefäß mit genug Luft stellen und alles zusammen wiegen. Die Kerze von außen nicht anfassen, sondern zum Beispiel vorher anzünden und das Gefäß sofort verschließen. Die Masse bleibt gleich, bis die Kerze mangels Sauerstoff erlischt.
8. Im einfachen Teilchenmodell hat jeder Stoff seine eigenen, unveränderlichen Teilchen. Es kann nicht erklären, wie aus Eisenteilchen und Schwefelteilchen die ganz anderen Eisensulfidteilchen werden. Bei Dalton bestehen alle diese Teilchen aus Atomen. Die Eisen- und Schwefelatome bleiben erhalten und verbinden sich nur neu. Weil die Atome und ihre Massen erhalten bleiben, bleibt auch die Gesamtmasse gleich.