3. Massengesetze

a. Gesetz von der Erhaltung der Masse

• Versuch: 

Ein Reagenzglas welches Quecksilber(II)-oxid enthält wird mit einem Luftballon verschlossen und danach erhitzt. Die Masse der Edukte und der Produkte wird bestimmt. 

Beobachtung:
Der rote Feststoff (5,0 g) verfärbt sich schwarz und verschwindet vollständig. Silbrig glänzende Tröpfchen setzen sich an der Innenwand ab. Der Luftballon bläht sich auf. Die Glimmspanprobe ist positiv. Die Masse der Produkte beträgt 5,0 g.

Schlussfolgerung:
Bei der Zersetzung von Quecksilber(II)-oxid bildet sich Quecksilber (silbrig glänzende Flüssigkeit) und Sauerstoffgas (farbloses Gas, Glimmspanprobe positiv). Die Masse ist vor und nach der Reaktion gleich.

Gesetz von der Erhaltung der Masse:         Bei einer chemischen Reaktion bleibt die Masse erhalten. Die Masse der Edukte ist gleich der Masse der Produkte.

Aufgaben

1. Magnesium (4,05 g) verbrennt an der Luft zu Magnesiumoxid (6,72 g).    
a. Wie viel g Sauerstoff werden für diese Verbrennnung benötigt?
b. Wie viel L Sauerstoff werden für diese Verbrennnung benötigt (3,00 L Sauerstoff entsprechen 4,00 g Sauerstoff)?













2. Quecksilberoxid (7,22 g) wird vollständig zu Quecksilber und Sauerstoff zersetzt (400 mL).   
a. Wie viel g Quecksilber entstehen bei der Zersetzung?
b. Wie viel mL Quecksilber entstehen bei der Zersetzung (5,00 mL Quecksilber entsprechen 68,0 g Quecksilber)?










b. Gesetz von den konstanten Massenverhältnissen.

• Feststoffe oder Flüssigkeiten

Versuch:

In ein Reagenzglas, welches ungefähr einen Zentimeter hoch mit Schwefelpulver gefüllt ist, gibt man ein 5 cm · 1 cm breites Stück Kupferblech. Dann wird das Reagenzglas über der Flamme eines Bunsenbrenners erhitzt. Man unternimmt den Versuch mit verschiedenen Massen an Kupfer (0,5 g, 1,0 g, 1,5 g, 2,0 g) und jeweils einem Überschuss an Schwefel. Bei jedem Versuch wird jedoch das schwarze Kupfersulfid aus dem Reagenzglas genommen und in einem sauberen Reagenzglas kurz ein zweites Mal erhitzt, um Reste von Schwefel zu verdampfen. Dann wird das erhaltene, abgekühlte Kupfersulfid genau abgewogen.   

Masse Kupfer in g m(Cu)	Masse Kupfersulfid in g m(Kupfersulfid)	Masse Schwefel in g m(S) berechnet*	Massenverhältnis m(Cu)/m(S)
0,50	0,63	0,63 - 0,50 = 0,13	0,50/0,13 = 3,846... ≈ 3,85
1,02	1,27	1,27 - 1,02 = 0,25	1,02/0,25 = 4,08
1,45	1,82	1,82 - 1,45 = 0,37	1,45/0,37 = 3,918... ≈ 3,92
2,15	2,69	2,69 - 2,15 = 0,54	2,15/0,54 = 3,891... ≈ 3,98

^*Reaktionsgleichung:

Cu	+	S	→	Kupfersulfid
Edukte				Produkt
m(Edukte)			=	m(Produkt)
m(Cu)	+	m(S)	=	m(Produkt)
daher: m(S) = m(Produkt) - m(Cu)

Aus der Tabelle kann man ersehen, dass das Massenverhältnis

m(Cu)   m(S)

praktisch konstant bleibt

(kleine Abweichungen durch experimentelle Ungenauigkeiten sind normal). Berechnet man den Mittelwert des Massenverhältnisses, dann findet man:

Folglich lautet das Massenverhältnis im Kupfersulfid und damit auch das optimale Massenverhältnis der Edukte Kupfer und Schwefel:

m(Cu)   m(S)

= 3,96

Auch für andere Reaktionen kann man die Massenverhältnisse experimentell ermitteln:

Verbindung	Massenverhältnis
Magnesiumoxid	m(Mg)/m(O) = 1,52
Silberoxid	m(Ag)/m(O) = 13,49
gelbes Bleioxid	m(Pb)/m(O) = 12,95
schwarzes Bleioxid	m(Pb)/m(O) = 6,475
rotes Bleioxid	m(Pb)/m(O) = 9,71
schwarzes Kupferoxid	m(Cu)/m(O) = 3,97
rotes Kupferoxid	m(Cu)/m(O) = 7,94

Aufgaben 1. Rotes Eisenoxid entsteht unter bestimmten Bedingungen bei der Reaktion von Eisen mit Sauerstoff.
Experimentell ermittelt man folgende Daten: 

Masse Eisenwolle (g) m(Fe)	Masse Eisenoxid (g) m(Eisenoxid)	Masse Sauerstoff (g) m(O)	Massenverhältnis m(Fe)/m(O)
1,05	1,49
2,38	3,41
5,32	7,63

Bestimme den Mittelwert für das Massenverhältnis m(Fe)/m(O) in rotem Eisenoxid!







2. Wie viel g Kupfer werden benötigt um mit 5,955 L Sauerstoff schwarzes Kupferoxid herzustellen (9,00 g Sauerstoff entsprechen 6,75 L Sauerstoff)? 









3. Wie viel mg Sauerstoff werden benötigt um aus 1,942 g Blei rotes Bleioxid herzustellen?









4. Wie viel g Blei werden benötigt um 5,98 g schwarzes Bleioxid herzustellen?
Wie viel L Sauerstoff benötigt man für diese Reaktion (4,50 L Sauerstoff entsprechen 6,00 g Sauerstoff). 

• Gase

Für Gase ist das Volumen die am leichtesten zu bestimmende Größe. Um zu untersuchen, ob auch bei der Reaktion von Gasen ein konstantes Massenverhältnis vorliegt, bedient man sich deshalb dieser Größe. Kennt man das Volumen V eines Gases, so lässt sich die Masse m sehr leicht bestimmen, wenn man die Dichte Rho (ρ) kennt:

m = V · ρ

m:	Masse (in Gramm, g)
V:	Volumen (in Liter, L)
ρ:	Dichte (in Gramm/Liter, g/L)

Die Dichte Rho (ρ) ist eine charakteristische Eigenschaft eines Stoffes.     

Versuch: Knallgasreaktion 

Da die chemische Reaktion von Wasserstoff mit Sauerstoff explosiv verläuft, wird sie in einem besonders dafür gebauten Apparat, dem Eudiometer, untersucht. Das Eudiometer besteht aus einem dickwandigen Glaszylinder, in den man Gasgemische einführen kann. Ein elektrischer Funke erlaubt die Zündung des Gemisches. Bei der Reaktion von Sauerstoff und Wasserstoff entsteht flüssiges Wasser. Das Volumen, welches dieses Wasser einnimmt, ist unbedeutend im Vergleich zum Volumen, welches von den Gasen eingenommen wird. Nach der Reaktion steigt deshalb das Wasser teilweise im Eudiometer hoch.

	Vor der Reaktion			Nach der Reaktion
Versuch	Volumen Sauerstoff	Volumen Wasserstoff	Volumenverhältnis Sauerstoff -Wasserstoff	Volumen Sauerstoff	Volumen Wasserstoff
A	60 mL	60 mL	60:60 = 1:1	30 mL	0 mL
B	20 mL	60 mL	20:60 = 1:3	0 mL	20 mL
C	30 mL	60 mL	30:60 = 1:2	0 mL	0 mL

Wie aus der Tabelle ersichtlich, liegt eine vollständige Reaktion nur dann vor, wenn das Volumenverhältnis Sauerstoff:Wasserstoff gleich 1:2 ist (Versuch C), denn dann bleiben keine Ausgangsstoffe mehr zurück. Aus diesem Volumenverhältnis kann man auch die Versuche A und B erklären:
- Versuch A:
60 mL Wasserstoff können mit maximal 60/2 = 30 mL Sauerstoff reagieren (Volumenverhältnis Sauerstoff:Wasserstoff = 30:60 = 1:2). Nach der Reaktion bleiben also noch 30 mL unreagiertes Sauerstoffgas zurück.

- Versuch B:
20 mL Sauerstoff können mit maximal 2 · 20 = 40 mL Wasserstoff reagieren (Volumenverhältnis Sauerstoff:Wasserstoff = 20:40 = 1:2). Nach der Reaktion bleiben also noch 20 mL unreagiertes Wasserstoffgas zurück.

Aus dem Volumenverhältnis Sauerstoff:Wasserstoff gleich 1:2 kann man nun das Massenverhältnis Sauerstoff:Wasserstoff in der Verbindung Wasser errechnen.

Aus Versuch C:

- für das Wasserstoffgas:
m(Wasserstoff) = V(Wasserstoff) · ρ(Wasserstoff)
V(Wasserstoff) = 60 mL = 0,060 L; ρ(Wasserstoff) = 0,084 g/L.
Durch Einsetzen erhält man:
m(Wasserstoff) = 0,060 L · 0,084 g/L = 0,00504 g

- für das Sauerstoffgas:
m(Sauerstoff) = V(Sauerstoff) · ρ(Sauerstoff)
V(Sauerstoff) = 30 mL = 0,030 L; ρ(Sauerstoff) = 1,33 g/L.
Durch Einsetzen erhält man:
m(Sauerstoff) = 0,030 L · 1,33 g/L = 0,0399 g

- Massenverhältnis Wasserstoff:Sauerstoff = m(Wasserstoff)/m(Sauerstoff) in der Verbindung Wasser:

Aufgaben 
1. In einen Eudiometer führt man 36 mL Wasserstoffgas und 24 mL Sauerstoffgas ein.
Wie lautet die Zusammensetzung des Gasgemisches nach der Reaktion?











2. Stickstoff (880 mL) reagieren mit Wasserstoff (2,64 L) zu Ammoniak (7,00 g Stickstoff entsprechen 6,00 L Stickstoff, 0,25 g Wasserstoff entsprechen 3,00 L Wasserstoff).
Wie lautet das Massenverhältnis m(Stickstoff)/m(Wasserstoff) in Ammoniak? (Alle Reinstoffe sind gasförmig.)