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:
|
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 |
Masse Kupfersulfid
in g |
Masse Schwefel in g |
Massenverhältnis |
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 |
|
praktisch konstant bleibt |
|
= |
|
= 3,957... ≈ 3,96 |
Folglich lautet das Massenverhältnis im Kupfersulfid und
damit auch das optimale Massenverhältnis der Edukte Kupfer und
Schwefel:
|
= 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) |
Masse
Eisenoxid (g) |
Masse
Sauerstoff (g) |
Massenverhältnis |
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
Vor der Reaktion |
Nach der Reaktion |
||||
Versuch |
Volumen |
Volumen |
Volumenverhältnis |
Volumen |
Volumen |
A |
60 mL |
60 mL |
60:60 = 1:1 |
30 mL |
0 mL |
B |
20 mL |
60 mL |
20:60 = 1:3 |
0 mL |
|
C |
30 mL |
60 mL |
30:60 = 1:2 |
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:
|
= |
|
= 0,126 |
Das Massenverhältnis der Elemente, aus denen eine Verbindung
besteht, ist konstant. |
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.)