Chemie · Klasse 8–9 · aktualisiert
Massenerhaltungsgesetz: Massenänderungen erklären und berechnen
Du erklärst gleiche Gesamtmassen bei Reaktionen, deutest offene und geschlossene Systeme und berechnest eine fehlende Stoffmasse.
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Kurz gesagt
Im geschlossenen System ist bei einer gewöhnlichen chemischen Reaktion die Gesamtmasse vor und nach der Reaktion gleich. Atome werden neu angeordnet. Wird ein offener Aufbau schwerer oder leichter, sind oft Stoffe aus der Umgebung hinzugekommen oder entwichen.
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.
Deine Lernziele
Hake ab, was du schon kannst. Löst du alle Aufgaben eines Abschnitts, hakt Mela das Ziel für dich ab.
3 Abschnitte
Die Stoffe vor einer Reaktion heißen Edukte, die entstandenen Stoffe Produkte. Ihre jeweiligen Gesamtmassen sind bei einer gewöhnlichen chemischen Reaktion im geschlossenen System gleich:
m(\text{Edukte})=m(\text{Produkte})
m steht für Masse. Gemeint ist die Summe über alle beteiligten Stoffe. Aussehen und Eigenschaften können sich ändern; die Gesamtmasse bleibt bei der im Chemieunterricht verwendeten Genauigkeit gleich.
Definition
Massenerhaltungsgesetz
Bei einer chemischen Reaktion im geschlossenen System ist die Gesamtmasse der Edukte gleich der Gesamtmasse der Produkte.
Merke: Masse verschwindet nicht. Wenn eine Waage etwas anderes anzeigt, musst du prüfen, ob Stoffe in den gewogenen Bereich gelangt oder aus ihm entwichen sind.
Teste dich
Ein System ist der untersuchte Bereich, etwa ein Gefäß mit Inhalt. In einem offenen System können Stoffe und Energie mit der Umgebung ausgetauscht werden. In einem geschlossenen System bleiben Stoffe innerhalb der Grenze; Energie kann weiterhin übertragen werden. Ein isoliertes System tauscht weder Stoff noch Energie aus.
Beim Verbrennen von Grillkohle im offenen Gefäß entweichen gasförmige Produkte: Die Waage zeigt weniger an. Eisenwolle nimmt beim Erhitzen im offenen Gefäß Sauerstoff aus der Luft auf und bildet festes Eisenoxid: Die Waage zeigt mehr an. In beiden Fällen wiegt sie nicht alle an der Reaktion beteiligten Stoffe.
Im einfachen Dalton-Modell sind Atome Bausteine der Elemente. Bei einer chemischen Reaktion werden sie neu angeordnet, nicht erzeugt oder vernichtet. Das Modell hilft beim Zählen, ist aber kein wirklichkeitsgetreues Bild eines Atoms. Ein Molekül besteht aus verbundenen Atomen. Die Molekülzahl kann sich ändern, obwohl jede Atomsorte in gleicher Anzahl erhalten bleibt.
Beispiel: Zwei Beobachtungen im offenen System
- 1Grillkohle: Gasförmige Produkte entweichen – die angezeigte Masse sinkt.
- 2Eisenwolle: Sauerstoff wird aufgenommen – die angezeigte Masse steigt.
- 3Beide Beobachtungen passen zum Massenerhaltungsgesetz. Im offenen Aufbau wird jeweils nicht die Gesamtmasse aller beteiligten Stoffe gewogen.
Merke: Gleiche Atome vor und nach der Reaktion → nur eine neue Anordnung → gleiche Gesamtmasse.
Beispiel: Atome zählen bei der Wasserbildung
- 1\ce{2 H2 + O2 -> 2 H2O}
- 2H steht für Wasserstoff, O für Sauerstoff. Ein Index zählt Atome im Molekül; fehlt er, ist es ein Atom. Ein Koeffizient zählt ganze Moleküle.
- 3Vorher und nachher gibt es vier Wasserstoff- und zwei Sauerstoffatome.
- 4Aus drei Eduktmolekülen entstehen zwei Produktmoleküle. Die Molekülzahl muss nicht gleich bleiben.
Teste dich
Eine Massenbilanz erfasst alle Edukte und Produkte. Anwendung beim Autofahren: Beim Verbrennen von Diesel stammt ein Teil der Kohlenstoffdioxidmasse aus Sauerstoff der Luft. Als gerundete Näherung entstehen 2600 g Kohlendioxid je Liter Diesel. Für ein fiktives Auto mit 6 L Verbrauch auf 100 km gilt:
6\,\mathrm L\cdot2600\,\mathrm{g/L}=15600\,\mathrm g
Auf einen Kilometer bezogen:
15600\,\mathrm g:100\,\mathrm{km}=156\,\mathrm{g/km}
Das gilt näherungsweise für die Verbrennung beim Fahren, nicht exakt für jedes Auto.
Denke dir eine geschlossene Vorführung mit einem Streichholz: Rauch und weitere Produkte bleiben im vollständig gewogenen Aufbau. Die ganze Apparatur wird vor und nach dem Abkühlen unter vergleichbaren Bedingungen gewogen. Ein Ballon könnte sich zunächst aufblähen. Zu prüfen ist, ob wirklich kein Gas ein- oder austritt. Dies ist eine gedankliche Auswertung, keine Versuchsanleitung.
Masse und Energie hängen zusammen. Bei gewöhnlichen chemischen Reaktionen ist der Einfluss eines Energieaustauschs auf die gewogene Masse so klein, dass er mit einer Schullaborwaage praktisch nicht messbar ist. Für die Schulrechnung gilt daher die chemische Massenbilanz.
Beispiel: Fehlende Sauerstoffmasse bestimmen
- 1In einem fiktiven Rechenbeispiel verbrennen 12 g Kohlenstoff vollständig zu 44 g Kohlenstoffdioxid. Die Werte sind auf ganze Gramm gerundet. Wie viel Sauerstoff wurde aufgenommen?
- 2Es reagieren nur die betrachteten Stoffportionen; Kohlenstoffdioxid ist das einzige betrachtete Produkt.
- 3Die Gesamtmasse der Edukte entspricht der Produktmasse:
- 412\,\mathrm g+m(\text{Sauerstoff})=44\,\mathrm g
- 5Ziehe die Kohlenstoffmasse ab:
- 6m(\text{Sauerstoff})=44\,\mathrm g-12\,\mathrm g
- 7m(\text{Sauerstoff})=32\,\mathrm g
- 8Probe: 12 g + 32 g = 44 g. Das Produkt enthält auch Sauerstoff aus der Luft.
Beispiel: Gehe in drei Schritten vor
- 1Bestimme, welche Stoffe zum betrachteten System gehören.
- 2Addiere die bekannten Massen auf jeder Seite der Reaktion.
- 3Nutze die Gleichheit von Edukt- und Produktmasse, um die fehlende Masse zu berechnen.
Teste dich
Alles auf einen Blick
Massenerhaltungsgesetz
Stoffebene
Gesamtmasse aller Edukte und Produkte einschließlich Gase gleich
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
Musteraufgabe · Schritt für Schritt
Sauerstoffmasse aus der Bilanz
- 112 g Kohlenstoff reagieren vollständig mit Sauerstoff zu 44 g Kohlenstoffdioxid; die Werte sind auf ganze Gramm gerundet.
- 2Alle reagierten Stoffportionen gehören zur Bilanz: 12 g + Sauerstoffmasse = 44 g.
- 3m(\text{Sauerstoff})=44\,\mathrm g-12\,\mathrm g
- 4m(\text{Sauerstoff})=32\,\mathrm g
- 5Kontrolle: 12 g + 32 g = 44 g. Die 32 g stammen aus der Luft.
Fehler finden
Welche Masse fehlt in der Rechnung? In einer Zeile steckt ein Fehler. Tippe sie an.
Fehler in Zeile 3Der Schwefel wurde übersehen. Die Produktmasse beträgt 14 g + 8 g = 22 g; das geschlossene System enthält beide Edukte.
Lückentext
Wähl in jeder Lücke das passende Wort und prüf dann 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 nicht gleich.
Karteikasten
Erst selbst überlegen, dann umdrehen.
Übung mit Feedback