Chemie: 9. Klasse

Quantitative Aspekte chemischer Reaktionen

Chemische Reaktionen führen zu einer Stoffveränderung und zu einem Energieumsatz. Wichtig ist aber auch die Frage, wie viele Teilchen bei einer Reaktion reagieren. Dies kann man beantworten, indem man die benötigten Eduktmengen genau einwiegt, wodurch die Produktmengen berechenbar werden.

Die Masse von Atomen

Allgemeines

Da die Atome eine zu kleine Masse besitzen, um sie mit Kilogramm oder Gramm anzugeben, wurde der Begriff der „relative Atommasse“ eingeführt. Seit 1961 ist das Kohlenstoffisotop ¹²C die Bezugsbasis; es hat den Wert 12.

Die relative Atommasse gibt also an, wie groß die Masse eines Atoms im Vergleich zu einem Zwölftel der Masse des Kohlenstoffisotops ¹²C ist.

Untersucht man mithilfe der Massenspektroskopie das ¹²C, so erhält man dessen Masse von

Da eine Angabe in (Kilo)Gramm zu unpraktisch ist, definierte man die neue Einheit atomare Masseneinheit. Sie wird in $ \mathrm{u} $ angegeben. $ \mathrm{1\,u} $ beträgt ebenfalls ein Zwölftel der Atommasse von ¹²C; der genaue Wert beträgt somit

Berechnung der Molekül- und Formelmasse

Atommassen

Atommassen bzw. deren Mittelwerte können im Periodensystem nachgelesen werden. So hat Sauerstoff eine Atommasse von 15,994 u. Die Atommasse wird mit $ m_a $ abgekürzt. Die Angabe der Masse von zum Beispiel Stickstoff erfolgt auf folgende Weise:

Molekülmassen

Molekülmassen werden berechnet, indem man die Atommassen addiert und die Indices der Molekülformel als Faktoren miteinbezieht. Als Abkürzung dient $ m_M $:

Formelmassen

Formelmassen $ m_F $ werden wie Molekülmassen ermittelt:

Umformung von Atom-, Molekül- und Formelmassen in Gramm

Ein Gramm beträgt $ 6{,}022 \cdot 10^{23}\,\mathrm{u} $.

Teilchenzahl und Stoffmenge

Möchte man wissen, wie viele Atome in einer bestimmten Stoffportion enthalten sind, so nimmt man die Masse des Stoffes und teilt durch dessen Atommasse. Das Ergebnis ist die Teilchenzahl $ N $:

Nimmt man als Masse einer Stoffportion immer die Atommasse in Gramm (bei molekularen Stoffen die Molekülmasse in Gramm), so erhält man für diese Massen immer die gleiche Zahl von Teilchen (Atome oder Moleküle).

Die Stoffportion, die 6,022 · 10²³ Teilchen (Atome oder Moleküle) enthält, definiert man als $ n = \mathrm{1\,mol} $. Dies ist die sogenannte Stoffmenge.

Molare Massen, molare Teilchenzahl und molares Volumen

Die Masse einer Stoffportion mit der $ n = \mathrm{1\,mol} $ entspricht also immer der Atommasse $ m_a $, der Molekülmasse $ m_M $ und der Formelmasse $ m_F $ in Gramm. Sie heißt molare Masse $ M $ und ist der Quotient aus der Masse $ m $ und der Stoffmenge $ n $:

Die Stoffmenge $ n $ und daraus die abgeleitete Molare Masse $ M $ sind die zentralen Begriffe, um Berechnungen in der Chemie einfach gestalten zu können. Die Teilchenzahl $ N $ eines Stoffes ist mit dessen Stoffmenge $ n $ verknüpft. Diesen Proportionalitätsfaktor $ N_A $ nennt man Avogadro-Konstante.

$ N_A $ gibt also immer die Teilchenzahl in einem Mol des Stoffes an und beträgt

Für Gase kann man schließlich noch eine Beziehung zwischen der Stoffmenge n und dem molaren Volumen $ V_M $ herleiten:

Energiebilanzen bei chemischen Reaktionen

Bei chemischen Reaktionen gibt es verschiedene Systeme:

• offenes System: Energie- und Stoffaustausch mit der Umwelt
• geschlossenes System: nur Energie-, kein Stoffaustausch
• isoliertes System: kein Stoff- und kein Energieaustausch

Innere Energie

Die innere Energie eines Systems wird dabei in verschiedenen Formen frei:

• Lichtenergie
• elektrische Energie
• Wärmeenergie
• mechanische Energie

Die innere Energie eines Systems kann nicht direkt gemessen werden. Bei chemischen Reaktionen lassen sich nur die Änderungen der $ E_i $ messen. Die Änderung wird über das griechische Delta $ \Delta $ gekennzeichnet:

Arbeit

Chemische Reaktionen leisten auch Arbeit. Beispiele sind unter anderem:

• Motor: Er leistet mechanische Arbeit; der Motor wird dabei heiß; das bedeutet, es wird Reaktionswärme freigesetzt
• Stopfen: Dieser wird durch ein entstehendes Gas weggedrückt; es findet also eine Volumenvergrößerung statt; damit verrichtet Gas Volumenarbeit; es wird Volumenarbeit $ W $ gegen den Luftdruck $ p $ geleistet: $ W = -p \cdot \Delta V $

Die Reaktionswärme $ Q $ und Volumenarbeit $ W $ ergeben den Energiebetrag, der der Änderung der inneren Energie entspricht:

Bei der Ermittlung der Reaktionsenergie ist die Volumenarbeit im Vergleich zur Reaktionswärme $ Q $ bei den meisten Reaktionen vernachlässigbar klein.

Energie der Salzbildung

Einzelschritte der Salzbildung

Betrachtet man die Energie bei der Salzbildung, zum Beispiel der Bildung von Kalium und Chlor zu Kaliumchlorid, muss man die Bildung des Salzes in Einzelschritte unterteilen. In diesem Beispiel sieht dies wie folgt aus:

• Kalium kann sich nur mit Chlor verbinden, wenn sich die Kaliumatome aus dem Metallgitter lösen und mit dem (biatomaren) Chlormolekül in Kontakt kommen.
• Diese Chlormoleküle müssen in die Chloratome gespalten werden.
• Erst dann können die Kaliumatome jeweils ein Elektron an die Chloratome übertragen: Sie sind damit die Elektronendonatoren und die Chloratome die Elektronenakzeptoren; Der Elektronenübergang führt zu den entsprechenden Ionen
• Die Kalium- und Chloridionen lagern sich zu einem Ionengitter zusammen, welches durch elektrostatische Kräfte zusammengehalten wird.

Energiebetrachtung

Bei den einzelnen Schritten wird eine bestimmte Energie umgesetzt.

• Lösen der Kaliumatome aus dem Metallgitter: Sublimationsenergie
• Spaltung der Chlormoleküle in Chloratome: Dissoziationsenergie
• Elektronenabgabe bei Kaliumatomen: Ionisierungsenergie
• Elektronenaufnahme bei Chloratomen: Elektronenaffinität (Energie wird frei)
• Zusammentreten der Kalium- und Chloridionen: Gitterenergie