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Massenerhaltungsgesetz einfach erklärt
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:
$$m(Edukte) = m(Produkte)$$
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?
Ob die Waage alle Stoffe erfasst, hängt vom System 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?
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, bleibt auch ihre Gesamtmasse gleich.
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:
$$2 H₂ + O₂ → 2 H₂O$$
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.
Ein Liter Diesel enthält in der angegebenen Näherung etwa 700 g Kohlenstoff. Dieser reagiert mit 1880 g eines weiteren Ausgangsstoffs zu 2580 g Kohlenstoffdioxid:
$$700 g + 1880 g = 2580 g$$
Bei 6 Litern je 100 km ergibt sich:
$$6 · 2580 g = 15480 g$$
Auf einen Kilometer bezogen:
$$15480 g : 100 = 154{,}8 g$$
Das sind gerundet etwa 155 g Kohlenstoffdioxid je Kilometer. Die Produktmasse stammt also nicht allein aus dem Kraftstoff; ein erheblicher Massenanteil wird während der Reaktion aus der Umgebung aufgenommen.
Wie deutest du einen Versuch richtig?
Bei einem Versuch mit einem Streichholz in einem verschlossenen Aufbau wird die gesamte Apparatur vor und nach der Reaktion 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
Nach der Masse-Energie-Beziehung $E = mc²$ ist die reine Massenerhaltung streng genommen eingeschränkt, wenn ein System Energie mit seiner Umgebung austauscht. 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