Massenerhaltung

Die Gesamtmasse des Systems bleibt gleich

Bei einer chemischen Reaktion verschwinden Atome nicht und entstehen auch nicht aus dem Nichts. Sie werden lediglich neu angeordnet. Deshalb ist die $Masse des gesamten Systems$ vor und nach der Reaktion gleich.

m_{\text{System vor}} = m_{\text{System nach}}

Die Systemgrenze legt fest, welche Stoffe zur Masse gehören. In einem geschlossenen Behälter bleiben alle Stoffe innerhalb des gewogenen Bereichs. Aus einem offenen Behälter kann Gas diese Grenze überschreiten. Die Waage zeigt dann weniger Masse an, weil sich das Gas außerhalb des gewogenen Bereichs befindet. Die Materie ist weiterhin vorhanden. Die Gesamtmenge an Materie bleibt bei chemischen und physikalischen Veränderungen unverändert.

Messungen von Lavoisier

Vor der modernen Chemie wurde Verbrennung häufig mit Phlogiston erklärt, als würde beim Brennen eine unsichtbare Substanz entweichen. Antoine Lavoisier stellte diese Vorstellung durch sorgfältiges Wiegen infrage. Er erfasste die Massen von Reaktanten und Produkten $einschließlich der Gase$ und zeigte damit, dass bei der Verbrennung eine Reaktion mit Sauerstoff stattfindet.

Lavoisier begründete den Massenerhaltungssatz und verknüpfte Verbrennung mit Sauerstoff.

Geschlossene Systembilanz

Vergleiche ein geschlossenes mit einem offenen System. Der Massenerhaltungssatz erfasst alle Stoffe. Im offenen Modell bleibt Schwefel, der die Behältergrenze überschreitet, weiterhin vorhanden. Er trägt jedoch nicht mehr zur Anzeige der Waage bei.

Die Modellwaage ist $mit dem leeren Behälter tariert$ . Die Anzeige zählt daher nur die Stoffe ohne die Masse des Behälters.

Systembilanz auf der Waage

Vergleiche die Anzeige, wenn der gesamte Schwefel im Behälter bleibt, mit dem Modellfall, in dem ein Anteil vor der Reaktion die Grenze überschreitet.

In einem geschlossenen System bleiben Produkte und Reaktantenreste innerhalb des gewogenen Bereichs.

Was wird gezählt: Behälter, Produkte und übrig gebliebene Reaktanten bilden ein System.
Angezeigte Masse: $10{,}00 + 2{,}00 = 6{,}08 + 5{,}92$ . Die Gesamtmasse bleibt also $12{,}00\ \mathrm{g}$ .

Massenbilanz in einem offenen System

Die offene Ansicht beginnt mit denselben $10{,}00\ \mathrm{g}$ Zink und $2{,}00\ \mathrm{g}$ Schwefel. Anschließend überschreitet im Modell $1{,}00\ \mathrm{g}$ Schwefel als Dampf die Grenze, bevor dieser Anteil reagiert. Die verkürzten Standardatomgewichte für 2024 betragen $A_r(\mathrm{Zn})=65{,}38$ und $A_r(\mathrm{S})=32{,}06$ . Mit diesen Werten reagiert der verbleibende Schwefel mit ungefähr $2{,}04\ \mathrm{g}$ Zink.

m_{\mathrm{Zn}}=1\ \mathrm{g}\times\frac{65{,}38}{32{,}06}\approx 2{,}04\ \mathrm{g}

Die Waage erfasst nur die $Materie innerhalb der gewählten Systemgrenze$ . Nachdem $1{,}00\ \mathrm{g}$ Schwefeldampf diese Grenze verlassen hat, zeigt sie $11{,}00\ \mathrm{g}$ an. Wird der entwichene Dampf weiterhin zum System gezählt, beträgt die Gesamtmasse unverändert $12{,}00\ \mathrm{g}$ .

Zink und Schwefel

In einem Versuch werden $10{,}00\ \mathrm{g}$ Zink mit $2{,}00\ \mathrm{g}$ Schwefel erhitzt. Nach der Reaktion sind $6{,}08\ \mathrm{g}$ Zinksulfid entstanden, während $5{,}92\ \mathrm{g}$ Zink $nicht reagiert haben$ .

Die stöchiometrische Kurzschreibweise auf Teilchenebene lautet:

\mathrm{Zn(s)} + \mathrm{S(s)} \rightarrow \mathrm{ZnS(s)}

Die Gleichung gibt ein Verhältnis von einem Zinkatom zu einem Schwefelatom im Zinksulfid an. Diese vereinfachte Schreibweise dient zur Berechnung des Atomverhältnisses in der Reaktion. Die Teilchenstruktur einer größeren Menge elementaren Schwefels wird darin nicht dargestellt.

Bleibt ein Reaktant übrig, entspricht die Produktmasse nicht der gesamten Ausgangsmasse dieses Reaktanten. Deshalb wird zuerst nur die tatsächlich umgesetzte Zinkmasse bestimmt.

\begin{aligned} &m_{\mathrm{umgesetztes\ Zn}} = 10{,}00 - 5{,}92 \\ &= 4{,}08\ \mathrm{g} \\ &m_{\mathrm{umgesetzte\ Reaktanten}} = 4{,}08 + 2{,}00 \\ &= 6{,}08\ \mathrm{g} \\ &m_{\mathrm{Produkt}} = 6{,}08\ \mathrm{g} \end{aligned}

In diesem Beispiel gilt die Massenerhaltung für den reagierenden Teil: Die Masse des reagierenden Zinks plus die Masse des Schwefels entspricht der Masse des gebildeten Zinksulfids.

Wird der gesamte Behälter gezählt, bleibt auch die Masse unverändert:

\begin{aligned} m_{\mathrm{vorher}} &= 10{,}00 + 2{,}00 = 12{,}00\ \mathrm{g} \\ m_{\mathrm{nachher}} &= 6{,}08 + 5{,}92 = 12{,}00\ \mathrm{g} \end{aligned}

Drei Massenangaben in der Berechnung

Drei Fragen müssen dabei getrennt bleiben.

Wie groß ist die $Produktmasse$ ? Es zählt nur das neue Produkt, es handelt sich also um $6{,}08\ \mathrm{g}$ Zinksulfid.
Bleibt die $Systemmasse$ erhalten? Ja, wenn Produkt und übrig gebliebener Reaktant zusammengezählt werden.
Kann die $Waagenanzeige$ niedriger erscheinen? Ja. Gas kann einen offenen Behälter verlassen und dadurch bei der Wägung fehlen.

Chemische Gleichungen müssen ausgeglichen sein, weil auf beiden Seiten dieselbe Anzahl der Atome jedes Elements stehen muss. Massenberechnungen folgen dabei der Erhaltung der Materie.

Das Gesetz der konstanten Zusammensetzung beantwortet eine andere Frage. Bleibt das Massenverhältnis gleich, wenn zwei Elemente dieselbe Verbindung bilden?