Molare Masse

Begriff und Bedeutung

Die molare Masse M eines Stoffes gibt an, welche Masse auf eine bestimmte Stoffmenge entfällt. Sie ist der Proportionalitätsfaktor zwischen der Masse m und der Stoffmenge n:

m = M · n

Daraus folgt M = m/n. Die molare Masse ist eine intensive Größe, hängt also nicht von der vorhandenen Stoffmenge ab. Ihre SI-Einheit ist kg/mol; in der Chemie wird meistens g/mol verwendet.

Eine weitere Beziehung lautet:

M = m/n = N_A · m_M

Dabei bezeichnet N_A die Avogadro-Konstante und m_M die Masse eines einzelnen Teilchens.

Der Zahlenwert der molaren Masse in g/mol entspricht der relativen Molekülmasse und zugleich dem Zahlenwert der Molekülmasse in der atomaren Masseneinheit u, auch Dalton genannt.

Berechnung aus der Summenformel

Die molare Masse einer chemischen Verbindung lässt sich aus ihrer Summenformel berechnen. Dazu wird für jedes enthaltene Element dessen molare Masse mit seiner Indexzahl in der Formel multipliziert. Anschließend werden alle Ergebnisse addiert. Der Zahlenwert der molaren Masse eines Elements entspricht seiner relativen Atommasse.

Die Indexzahlen sind zugleich Stöchiometriefaktoren: Sie geben bei Molekülen die Anzahl der jeweiligen Atome an. Bei nichtmolekularen Stoffen wie Metallen und Ionenverbindungen stammen die entsprechenden Faktoren aus der Verhältnisformel.

Für eine Verbindung gilt daher allgemein: Die molare Masse ist die Summe der molaren Massen ihrer Elemente, jeweils multipliziert mit den zugehörigen Indexzahlen.

Beispiele

Wasser besitzt die Summenformel H₂O und besteht damit aus zwei Wasserstoffatomen und einem Sauerstoffatom. Mit M_H = 1,00794 g/mol und M_O = 15,9994 g/mol ergibt sich:

M_H₂O = 2 M_H + M_O = 2 · 1,00794 g/mol + 15,9994 g/mol = 18,01528 g/mol.

Weitere angegebene Werte sind:

• Wasserstoff H₂: 2,01588 g/mol • Sauerstoff O₂: 31,99880 g/mol • Methan CH₄: 16,04300 g/mol • Acetylsalicylsäure C₉H₈O₄: 180,16000 g/mol

Aus den molaren Massen der chemischen Elemente können auf diese Weise die molaren Massen aller Verbindungen berechnet werden.

Experimentelle Bestimmung

Die erstmalige Bestimmung molarer Massen von Molekülen stützte sich besonders auf das Avogadrosche Gesetz: Bei gleicher Temperatur nehmen im Gaszustand gleich viele Moleküle einen nahezu identischen Rauminhalt ein. Bei einfachen Molekülen wie Chlor, Wasserstoff, Chlorwasserstoff, Sauerstoff und Wasserdampf wurden die Verhältnisse durch Wägungen der bei einer Elektrolyse entstehenden Gase bestimmt.

Beim Verfahren nach Bunsen wurden molare Massen von Gasen anhand ihrer Ausströmungszeiten ermittelt. Komplizierte organische Stoffe wurden verdampft und über das verdrängte Wasservolumen untersucht. Dieses Verfahren wurde zunächst von Joseph Louis Gay-Lussac angewendet und später von Victor Meyer verbessert. Beim älteren Verfahren nach Dumas wurden die Stoffe ebenfalls verdampft.

Weitere Methoden nutzten kolligative Effekte. Das sind Wirkungen, deren Größe nur von der Anzahl der beteiligten Teilchen und nicht von deren Masse abhängt. Dazu gehören die Messung der Siedepunktserhöhung durch Ebullioskopie, die Gefrierpunktserniedrigung durch Kryoskopie und der osmotische Druck von Lösungen durch Osmometrie. Die letztgenannte Methode entwickelte Jacobus Henricus van ’t Hoff.

Heutige Messverfahren

Ein genaues und empfindliches modernes Verfahren ist die Massenspektrometrie. Die relative molare Masse wird dabei aus dem Molekülpeak bestimmt; Grundlage ist eine Kalibrierung mit einer Standardsubstanz bekannter molarer Masse. Mit hochauflösender Massenspektrometrie kann die molare Masse mit vier Nachkommastellen ermittelt werden. Außerdem lässt sich daraus die Summenformel bestimmen.

Die molare Masse eines Moleküls kann abhängig von seiner Isotopenzusammensetzung gewissen Schwankungen unterliegen. Isotope sind Varianten eines Elements mit unterschiedlicher Masse.

Technisch weniger aufwändig ist die elektrophoretische Bestimmung. Sie liefert jedoch nur eine Abschätzung der molaren Masse. Eine wichtige Rolle spielt sie bei der Präparation von Proteinen, bei Restriktionsanalysen und bei weiteren präparativen Methoden.

Verwandte Größen und Symbolgebrauch

Mit der molaren Masse verwandt sind die mittlere molare Masse, das molare Volumen oder Molvolumen sowie die Molekülmasse, die auch Molekularmasse oder molekulare Masse genannt wird.

Das Formelzeichen M steht für die molare Masse. Trotz anderslautender SI-Vorgaben wird M jedoch häufig auch im Sinne von Molarität zur Angabe von Stoffmengenkonzentrationen verwendet. Deshalb muss aus dem Zusammenhang hervorgehen, welche Größe gemeint ist.