Was passiert mit der Masse bei chemischen Reaktionen?

“Bei jeder chemischen Reaktion ist die Masse aller Ausgangsstoffe genauso groß wie die Masse aller Produkte.” Das Gesetz der Massenerhaltung geht auf den Franzosen „Antoine Lavoisier (1743-1794)“ zurück. Ende des 18. Jahrhunderts stellte er es auf. Lavoisier interessierte sich bereits in jungen Jahren für die Naturwissenschaften. Durch seine Forschung gilt er heute als einer der Begründer der modernen Chemie. 1794 wurde er während den Wirren der französischen Revolution hingerichtet. Das „Gesetz der Massenerhaltung“ stellt auf den ersten Blick einen Widerspruch zur Realität dar. Denn verbrennt man Holz, so bleibt nur ein kleines Häuflein Asche zurück. Das Häuflein Asche wiegt dabei nur noch einen kleinen Teil der ursprünglichen Holz-Masse. Scheinbar ist folglich Masse verloren gegangen. Im Chemieunterricht wird gerne auch ein weiteres Experiment gezeigt. An einer Balkenwaage befestigt man ein kleines Stück Eisenwolle. Anschließend stellt man die Waage so ein, dass sie sich im Gleichgewicht befindet. Anschließend entzündet man mit einem Streichholz oder Feuerzeug die Eisenwolle. Während die Eisenwolle verbrennt, kann man beobachten wie sich die Balkenwaage auf genau dieser Seite nach unten bewegt. Das bedeutet, die verbrennende Eisenwolle wird schwerer. Für Schüler eine durchaus verblüffende Beobachtung. Sowohl bei der Verbrennung des Holzes wie auch bei der Verbrennung der Eisenwolle liegt der Fehler im Detail. Verbrennt man Holz dann entsteht nicht nur Asche, sondern auch sehr viele verschiedene Gase, die in die Luft entweichen. Diese Gase haben ebenfalls eine Masse. Und wie jede Verbrennung ist auch die Verbrennung von Eisenwolle eine chemische Reaktion mit Sauerstoff. Das Eisen der Eisenwolle verbindet sich mit dem Sauerstoff der Umgebung. Wie jeder Stoff hat auch Sauerstoff eine Masse, allerdings wog man diesen zu beginn nicht mit. Will man das Gesetz der Massenerhaltung von Lavoisier beweisen, benötigt man ein geschlossenes System. In diesem befinden sich vor und nach der Reaktion alle Stoffe. Hat man dies, so stellt man tatsächlich fest, dass Lavoisier Recht hatte. Auch mit Blick auf die Atomebene lässt sich das Gesetz der Massenerhaltung leicht nachvollziehen und verstehen. Betrachten wir dazu beispielsweise die einfache chemische Reaktion zwischen Kupfer und Schwefel. Kupfer ist ein Element und besteht ausschließlich aus Kupfer-Atomen. Auch Schwefel ist ein Element und besteht ausschließlich aus Schwefel-Atomen. Bei der Reaktion zwischen beiden Stoffen ordnen und verbinden sich lediglich die Atome neu. Die Atome selbst verändern sich dabei nicht. Durch die sogenannte Massenspektroskopie konnte man sowohl die Masse eines Kupfer-Atoms als auch eines Schwefel-Atoms bestimmen. Da aber Atome so leicht sind, hat man eine neue Einheit eingeführt. Die Masse von Atomen wird in „u“ (=unit) angegeben. 1u hat eine Masse von 0,000 000 000 000 000 000 000 001 661 g. Ein Kupfer-Atom hat eine Masse von 64u, ein Schwefel-Atom von 32u. Weil sich die Atome bei einer chemischen Reaktion nicht verändern sondern nur neue Verbindungen eingehen, nehmen sie ihre jeweilige Masse mit in die Verbindung. Ein Kupfersulfid-Teilchen wiegt demnach 64u + 32u = 96u. Und sollte man diese Verbindung wieder lösen („Umkehrbarkeit“), so erhält man wieder einzelne Kupfer-Atome mit einer Masse von 64u und einzelne Schwefel-Atome mit einer Masse von 32u. Genau dieser Zusammenhang lässt sich auf alle Reaktionen übertragen und wird im „Gesetz der Massen- erhaltung“ beschrieben.

© F. Markert 2015

Voraussetzung für das Verständnis dieses Artikels ist die Kenntnis der folgenden Grundgesetze der Chemie:
Gesetz von der Erhaltung der Masse
Gesetz der konstanten Proportionen
Gesetz der multiplen Proportionen

Betrachten wir nun die Massenverhältnisse bei chemischen Reaktionen.
Reagiert Eisen (Fe) mit Schwefel (S) , so entsteht Eisensulfid (FeS).

Was passiert mit der Masse bei chemischen Reaktionen?

Hier reagieren 1mol Eisen und 1 mol Schwefel zu 1 mol Eisensulfid.

Was passiert mit der Masse bei chemischen Reaktionen?

Es gilt lt. Masseerhaltungsgesetz:
Die Masse der Ausgangsstoffe ist gleich der Masse der Reaktionsprodukte!

Die eingesetzten 88g Eisen und Schwefel ergeben 88g Produkt Eisensulfid.
Halbierte man die eingesetzten Massen, so entstünde auch nur halb so viel des Produkts.

Plant man nun nur einen Teil der theoretischen Masse einzusetzen,
so erhält man auch nur einen Anteil der entstehenden Produktmasse.

Welche Masse Eisensulfid entsteht , wenn man nur 10g Eisen einsetzt?

Was passiert mit der Masse bei chemischen Reaktionen?

Der Schwefel spielt keine Rolle mehr…

Es entsteht eine Verhältnisgleichung für Eisen und Eisensulfid!

Was passiert mit der Masse bei chemischen Reaktionen?

Nach Umstellung nach x ergibt sich…

Was passiert mit der Masse bei chemischen Reaktionen?

x = 15,714g

Antwortsatz:
Es entstehen also 15,4g Eisensulfid, wenn man 10g Eisen einsetzt.

Die Masse Schwefel, die einzusetzen ist, errechnet sich auf die gleiche Weise.

Ein weiteres Beispiel:

Reagieren Eisenoxid und Kohlenstoff miteinander, so entsteht Eisen und gasförmiges Kohlenstoffdioxid.
Dies geschieht in den hier dargestellten Verhältnissen:

Was passiert mit der Masse bei chemischen Reaktionen?
2 mol Eisenoxid reagieren mit 3 mol Kohlenstoff zu 4 mol Eisen und 3 mol Kohlenstoffdioxid

Die einzusetzenden Massen betragen demnach…

Was passiert mit der Masse bei chemischen Reaktionen?

Die Koeffizienten vor den Formeln zeigen, dass ein doppelter oder gar dreifacher Anteil des Stoffes eingesetzt werden muss.

Welche Masse Eisenoxid ist einzusetzen, wenn man 10 kg Eisen produzieren will?

Was passiert mit der Masse bei chemischen Reaktionen?

Nun ist nur noch das Verhältnis zwischen Eisenoxid und Eisen interessant…

Was passiert mit der Masse bei chemischen Reaktionen?

Dafür ergibt sich die Rechenvorschrift:

Was passiert mit der Masse bei chemischen Reaktionen?
Die Einheit Gramm (g)kann man kürzen, so bleibt nur die Einheit Kilogramm (kg) übrig!

Antwortsatz:
Man muss also 14,286kg Eisenoxid einsetzen, um 120kg Eisen zu produzieren.

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Kann Masse verschwinden?

In bestimmten physikalischen Teilchenreaktionen, nämlich der Elektron-Positron-Paarvernichtung, „verschwindet“ die ursprüngliche Masse sogar vollständig und es entstehen zwei Photonen, deren Masse Null beträgt.

Was passiert nach einer chemischen Reaktion?

Bei der chemischen Reaktion werden chemische Bindungen gelöst und neue geknüpft. Die spezifischen Eigenschaften der Ausgangsstoffe verschwinden dabei. Die neuentstandenen Stoffe verfügen über andere spezifische Eigenschaften, wie z.

Wie lässt sich erklären dass bei einer chemischen Reaktion die Masse aller beteiligten Stoffe konstant bleibt?

Das Gesetz von der Erhaltung der Masse besagt: Bei allen chemischen Reaktionen bleibt die Gesamtmasse der an der Reaktion beteiligten Stoffe erhalten. Die Gesamtmasse der Ausgangsstoffe ist gleich der Gesamtmasse der Reaktionsprodukte.

Was besagt das Massenerhaltungsgesetz der chemischen Reaktion?

Das Massenerhaltungsgesetz (Gesetz von der Erhaltung der Masse) besagt, dass bei einer chemischen Reaktion die Ausgangsstoffe die gleiche Masse haben wie die Reaktionsprodukte.