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Massenerhaltungsgesetz: Massenänderungen erklären und berechnen
Bei einer gewöhnlichen chemischen Reaktion bleibt die Gesamtmasse praktisch gleich: Die Masse aller Ausgangsstoffe entspricht der Masse aller Produkte. Entscheidend ist, dass du wirklich alle beteiligten Stoffe mitzählst – auch Gase.
Hake ab, was du schon kannst — und komm am Ende hierher zurück!
Was bleibt bei einer chemischen Reaktion erhalten?
Die Stoffe vor einer Reaktion heißen Edukte oder Ausgangsstoffe. Die neu entstandenen Stoffe heißen Produkte.
Massenerhaltungsgesetz
Bei einer chemischen Reaktion im geschlossenen System ist die Gesamtmasse der Edukte gleich der Gesamtmasse der Produkte.
Als Formel:
$$m(Edukte) = m(Produkte)$$
Das Zeichen $m$ steht für die Masse. Gemeint ist jeweils die Summe der Massen aller Edukte beziehungsweise aller Produkte. Wir rechnen hier mit der für den Chemieunterricht ausreichenden Genauigkeit.
Dabei können sich Aussehen, Eigenschaften und Verteilung der Stoffe deutlich verändern. Die Gesamtmasse des vollständig betrachteten Systems bleibt trotzdem gleich.
Masse verschwindet nicht. Wenn eine Waage etwas anderes anzeigt, musst du prüfen, ob Stoffe in den gewogenen Bereich gelangt oder aus ihm entwichen sind.
Warum ist das Reaktionssystem entscheidend?
Ein System ist der Bereich, den du untersuchst, zum Beispiel ein Gefäß mit seinem Inhalt. Alles außerhalb gehört zur Umgebung. Ob die Waage alle Stoffe erfasst, hängt von der Grenze dieses Systems ab:
- In einem offenen System können Stoffe und Energie mit der Umgebung ausgetauscht werden.
- In einem geschlossenen System können keine Stoffe ein- oder austreten. Energieaustausch ist weiterhin möglich.
- In einem isolierten System findet weder Stoff- noch Energieaustausch statt.
Beim Verbrennen von Grillkohle in einem offenen Gefäß entweichen gasförmige Produkte. Die Waage erfasst sie nicht mehr und zeigt eine kleinere Masse an. Die Masse wurde nicht vernichtet: Ein Teil befindet sich nun außerhalb des gewogenen Bereichs.
Bei Eisenwolle kann das Gegenteil geschehen. Eisen nimmt Sauerstoff aus der Luft auf und bildet festes Eisenoxid. Weil die Waage zunächst nur das Eisen, später aber Eisen und aufgenommenen Sauerstoff erfasst, steigt ihre Anzeige.
Zwei scheinbar gegensätzliche Beobachtungen:
- Grillkohle: Gasförmige Produkte entweichen – die angezeigte Masse sinkt.
- Eisenwolle: Sauerstoff wird aufgenommen – die angezeigte Masse steigt.
Beide Beobachtungen passen zum Massenerhaltungsgesetz. Im offenen Aufbau wird jeweils nicht die Gesamtmasse aller beteiligten Stoffe gewogen.
Wie erklärt das Teilchenmodell die Massenerhaltung?
Ein Atom ist ein Baustein eines chemischen Elements, zum Beispiel von Wasserstoff oder Sauerstoff. Im einfachen Dalton-Modell stellst du dir Atome als unveränderliche Teilchen verschiedener Atomsorten vor. Das Modell hilft beim Zählen, ist aber kein wirklichkeitsgetreues Bild eines Atoms.
Bei einer chemischen Reaktion werden Atome neu angeordnet. Es gehen keine Atome verloren und es entstehen keine neuen. Weil vor und nach der Reaktion dieselben Atome vorhanden sind, erklärt dieses Modell die praktisch unveränderte Gesamtmasse.
Gleiche Atome vor und nach der Reaktion → nur eine neue Anordnung → gleiche Gesamtmasse.
Ein Molekül besteht aus mehreren miteinander verbundenen Atomen. Die Anzahl der Moleküle muss bei einer Reaktion nicht gleich bleiben. Erhalten bleibt die Anzahl jeder Atomsorte.
Bei der Wasserbildung reagieren zwei Wasserstoffmoleküle mit einem Sauerstoffmolekül:
$$2 H₂ + O₂ → 2 H₂O$$
H steht für Wasserstoff, O für Sauerstoff. Die kleine 2 in H₂ bedeutet: Ein Molekül enthält zwei H-Atome. Die große 2 vor H₂ zählt dagegen zwei ganze Moleküle. In H₂O stecken zwei H-Atome und ein O-Atom; eine nicht geschriebene kleine Zahl bedeutet also 1.
Vor der Reaktion sind vier Wasserstoffatome und zwei Sauerstoffatome vorhanden. In den zwei Wassermolekülen befinden sich danach ebenfalls vier Wasserstoffatome und zwei Sauerstoffatome.
Die Zahl der Moleküle ändert sich dagegen: Aus drei Eduktmolekülen entstehen zwei Produktmoleküle.
Wähle in jeder Lücke die passende Form und prüfe anschließend deine Antworten.
Bei einer chemischen Reaktion werden vorhandene neu angeordnet. Die Anzahl jeder bleibt erhalten. Bei der Wasserbildung entstehen aus drei Eduktmolekülen Produktmoleküle. Die Molekülzahl bleibt daher .
Wie berechnest du eine fehlende Masse?
Eine Massenbilanz erfasst alle Edukte und alle Produkte. Gehe in drei Schritten vor:
- Bestimme, welche Stoffe zum betrachteten System gehören.
- Addiere die bekannten Massen auf jeder Seite der Reaktion.
- Nutze die Gleichheit von Edukt- und Produktmasse, um die fehlende Masse zu berechnen.
Fehlende Sauerstoffmasse bestimmen
In einem fiktiven Rechenbeispiel verbrennen 12 g Kohlenstoff vollständig zu 44 g Kohlenstoffdioxid. Die Massen sind für die Aufgabe auf ganze Gramm gerundet. Wie viel Sauerstoff wurde dabei aufgenommen?
- Die Edukte sind Kohlenstoff und Sauerstoff. Das einzige betrachtete Produkt ist Kohlenstoffdioxid. Wir zählen nur die tatsächlich reagierten Stoffportionen.
- Die Produktmasse setzt sich aus beiden Eduktmassen zusammen:
$$12 g + m(Sauerstoff) = 44 g$$
- Ziehe die bekannte Kohlenstoffmasse von der Gesamtmasse ab:
$$m(Sauerstoff) = 44 g − 12 g = 32 g$$
Die Probe bestätigt die Rechnung: $12 g + 32 g = 44 g$. Dass das Produkt schwerer als der Kohlenstoff allein ist, liegt am aufgenommenen Sauerstoff.
Anwendung beim Autofahren: Auch beim Verbrennen von Diesel stammt ein Teil der Kohlenstoffdioxidmasse aus dem Sauerstoff der Luft. Als Näherung entstehen rund 2600 g Kohlenstoffdioxid pro Liter Diesel. Für ein fiktives Auto mit 6 Litern Verbrauch auf 100 km rechnest du:
$$6 · 2600 g = 15600 g$$
Das ist die Kohlenstoffdioxidmasse auf 100 km. Für einen Kilometer teilst du durch die gefahrene Strecke:
$$15600 g : 100 km = 156 g/km$$
Das Auto stößt in dieser Näherung rund 156 g Kohlenstoffdioxid je Kilometer aus. Die Rechnung erfasst die Verbrennung beim Fahren; der gerundete Wert ist keine exakte Angabe für jedes Fahrzeug.
Wie deutest du einen Versuch richtig?
Bei einem Demonstrationsversuch der Lehrkraft mit einem Streichholz in einem verschlossenen Aufbau wird die gesamte Apparatur vor der Reaktion und nach dem Abkühlen gewogen. Das Streichholz brennt, Rauch entsteht und ein Ballon am Reagenzglas kann sich zunächst aufblähen. Trotzdem bleibt die Masse des vollständigen Aufbaus gleich.
Die entscheidende Deutung lautet: Rauch und andere Produkte können den geschlossenen Aufbau nicht verlassen. Deshalb werden sie nach der Reaktion weiterhin mitgewogen.
Eine unveränderte Waagenanzeige allein reicht jedoch nicht für jede Deutung. Du musst zusätzlich prüfen:
- Wurde wirklich der vollständige Aufbau gewogen?
- Konnte ein Gas ein- oder austreten?
- Wurde vor und nach der Reaktion unter vergleichbaren Bedingungen gemessen?
Vertiefung: Masse und Energie
Masse und Energie hängen zusammen: Für die Ruheenergie gilt $E₀ = mc²$. Dabei sind $E₀$ die Ruheenergie, $m$ die Masse und $c$ die Lichtgeschwindigkeit. Gibt ein System Energie an seine Umgebung ab oder nimmt es Energie auf, kann sich seine Masse entsprechend ändern. Die dadurch verursachten Massenänderungen sind bei gewöhnlichen chemischen Reaktionen jedoch so klein, dass sie im Schullabor praktisch nicht messbar sind. Für chemische Massenbilanzen verwendest du deshalb das Massenerhaltungsgesetz.
Karteikasten
Überlege zuerst selbst und drehe die Karte anschließend zum Prüfen um.
Alles auf einen Blick
- Massenerhaltungsgesetz
- Stoffebene: Eduktmasse gleich Produktmasse
- Teilchenebene: gleiche Atomsorten und Atomzahlen
- Chemische Reaktion: Atome werden neu angeordnet
- Offenes System: Stoffe können eintreten oder entweichen
- Geschlossenes System: alle Reaktionsstoffe bleiben im gewogenen Bereich
- Massenbilanz: bekannte Massen addieren und fehlende Masse berechnen