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Chemie: 9. Klasse | Quantitative Aspekte chemischer Reaktionen

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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

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 Masse von Kohlenstoff in Kilogramm.

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

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 ma abgekürzt. Die Angabe der Masse von zum Beispiel Stickstoff erfolgt auf folgende Weise:

Atomare Masse von Stickstoff
Molekülmassen

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

Molekülmasse von Wasser
Formelmassen

Formelmassen mF werden wie Molekülmassen ermittelt:

Formelmasse von Calciumchlorid
Umformung von Atom-, Molekül- und Formelmassen in Gramm

Ein Gramm beträgt 6,022 · 1023 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:

Formel zur Ermittlung der Teilchenzahl

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 = 1 mol. Dies ist die sogenannte Stoffmenge.

Molare Massen, molare Teilchenzahl und molares Volumen

Die Masse einer Stoffportion mit der Stoffmenge n = 1 mol entspricht also immer der Atommasse ma, der Molekülmasse mM und der Formelmasse mF in Gramm. Sie heißt molare Masse M und ist der Quotient aus der Masse m und der Stoffmenge n:

Ermittlung der molaren Masse

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 NA nennt man Avogadro-Konstante.

Verwendung der Avogadro-Konstante

NA gibt also immer die Teilchenzahl in einem Mol des Stoffes an und beträgt Wert der Avogadro-Konstante.

Molare Massen von Gasen

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

Formeln für das molare Volumen

Energiebilanzen bei chemischen Reaktionen

Bei chemischen Reaktionen gibt es verschiedene Systeme:

Innere Energie

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

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

Änderung der inneren Energie einer
            chemischen Reaktion

Arbeit

Chemische Reaktionen leisten auch Arbeit. Beispiele sind unter anderem:

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

Die Änderung der Inneren Energie als
            Summe der Reaktionswärme Q und der Volumenarbeit W

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

Energie 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:

Energiebetrachtung

Bei den einzelnen Schritten wird eine bestimmte Energie umgesetzt.

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