Chemische Reaktionen

Chemische Reaktionen 5

0.5 Die Atommasse

units = u		Bereits im letzten Kapitel haben wir gesehen, dass jedes Atom eine bestimmte Masse hat. Kupferatome sind z.B. ungefähr doppelt so schwer wie Schwefelatome, und Schwefelatome wiederum sind doppelt so schwer wie Sauerstoffatome, welche ihrerseits 16 mal so schwer sind wie Wasserstoffatome. Wir haben im letzten Kapitel auch dauernd von ominösen "Masseneinheiten" gesprochen. Man wird es nicht glauben, aber man kann die Masse eines Atoms, die Atommasse, tatsächlich in Masseneinheiten angeben, man spricht dann von "units" und kürzt die Maßeinheit mit u ab. Die Atommasse von einem Kupferatom ist dann ca. 65 u, während ein S-Atom 32 u wiegt. Ein O-Atom hat eine Masse von 16 u, und ein H-Atom eine von 1 u. Leichtere Atome gibt es nicht. Die schwersten bekannten Atome haben eine Masse von über 260 u. Warum misst man Atommassen nicht in Gramm? Aus dem gleichen Grund, warum man das Gewicht einer Mücke nicht in Tonnen angibt: Atome sind viel zu leicht, als dass man sie vernünftig in Gramm wiegen könnte. Auch mit Milligramm oder Mikrogramm kommt man nicht viel weiter. Das Element mit den leichtesten Atomen ist bekanntlich der Wasserstoff. Wasserstoffatome sind so leicht, dass 6,022 * 1023 von ihnen exakt 1 g wiegen. Dann wiegt also 1 H-Atom genau 1 / 6,022 * 1023g. Diese Zahl sollte man sich gut merken: 6,022 * 1023 Sie hat sogar einen eigenen Namen: LOSCHMIDTsche Zahl, nach einem ihrer Entdecker, und wird mit L abgekürzt.		Meine Güte, wieder so ein langes Kapitel. Dabei habe ich mich doch wirklich kurz gefasst...
Die Zahl L und das Mol		1 g Wasserstoff enthält also genau L Atome. Ein He-Atom ist nun genau viermal so schwer wie ein H-Atom. 1 g Helium enthält also exakt L/4 He-Atome. Oder - anders formuliert - 4 g Helium enthalten genau L He-Atome. Ein O-Atom ist genau 16 mal so schwer wie ein H-Atom. Also enthält 1 g Sauerstoff L/16 Atome. Oder 16 g Sauerstoff enthalten genau L Atome. Im Grunde interessiert es niemanden, wieviel O-Atome in 1 g Sauerstoff oder wieviel Cu-Atome in 1 g Kupfer enthalten sind. Viel wichtiger ist die Frage, wieviel Gramm L O-Atome bzw. L Cu-Atome wiegen. L O-Atome haben eine Masse von 16g, und L Cu-Atome eine Masse von 63,5g. Warum will man unbedingt wissen, wieviel Gramm L Atome irgendeines Elementes wiegen? Weil man damit hervorragend rechnen kann. Nehmen wir zum Beispiel Eisen und Schwefel. Ein Eisenatom verbindet sich immer mit einem Schwefelatom zu Eisensulfid. Das heißt: L Fe-Atome verbinden sich stets mit L S-Atomen zu L FeS-Teilchen. Also ist es schon wichtig, zu wissen, wieviel Gramm man braucht, um L Fe- bzw. L S-Atome zu haben. Und jetzt kommt das Periodensystem der Elemente ins Spiel, das auf der rückwärtigen Innenseite eines jeden Chemiebuchs abgedruckt ist. Jedes Element ist durch zwei Zahlen gekennzeichnet. Die eine ist die Ordnungszahl, beim Wasserstoff z.B. die 1, beim Helium die 2 und so weiter. Die andere Zahl ist die Atommasse, beim H-Atom die 1, beim He-Atom die 4, beim O-Atom die 16 und so fort. Die Atommasse ist genau die Zahl die wir brauchen. Sie gibt nämlich an, wieviel Gramm man für L Atome benötigt. Übrigens nennt man die Menge eines Stoffes, die genau L Atome oder Moleküle enthält, 1 mol. L Atome = 1 mol L S-Atome = 1 mol Schwefel = 32g L Cu-Atome = 1 mol Kupfer = 63,5g Das Tolle an der Sache: wenn wir wissen, dass immer ein Cu-Atom mit 1 S-Atom reagiert, so wissen wir auch, dass immer 1 mol Kupfer mit 1 mol Schwefel reagiert, also immer 63,5 g Kupfer mit 32 g Schwefel.
Vorhersagen		Jetzt sind wir soweit, dass wir die Struktur von Kupfersulfid ermitteln können. Das hört sich doch schon mal gut an. Nehmen wir einmal an, wir wissen nicht, ob sich bei der Bildung von Kupfersulfid 1 Cu-Atom mit 1 S-Atom verbindet. Es könnte ja auch sein, dass sich 1 Cu-Atom mit 2 S-Atomen verbindet. Oder umgekehrt, es könnte sich ja auch 1 S-Atom mit 2 Cu-Atomen verbinden. Mit unserer Kenntniss der Atommassen ist es nun aber sehr leicht, einen Versuch durchzuführen, mit dem wir die exakte Formel von Kupfersulfid ermitteln können. Und das sogar im Schülerversuch. Fall 1: Formel von Kupfersulfid = CuS 1 mol Cu + 1 mol S ==> 1 mol CuS 63,5 g Kupfer + 32 g Schwefel ==> 95,5 g Kupfersulfid Massenzunahme ungefähr 50% Fall 2: Formel von Kupfersulfid = CuS2 1 mol Cu + 2 mol S ==> 1 mol CuS2 63,5 g Kupfer + 64 g Schwefel ==> 127,5 g Kupfersulfid Massenzunahme ungefähr 100% Fall 3: Formel von Kupfersulfid = Cu2S 2 mol Cu + 1 mol 2 ==> 1 mol Cu2S 127 g Kupfer + 32 g Schwefel ==> 159 g Kupfersulfid Massenzunahme ungefähr 25% Jetzt müssen wir nur noch einen Kupferstreifen abwiegen, ihn mit Schwefel reagieren lassen und dann das Kupfersulfid wiegen. Aus der prozentualen Massenzunahme können wir jetzt auf die Zusammensetzung des Kupfersulfids schließen. Pech nur, wenn die Massenzunahme einen Wert wie z.B. 37% liefert. Dann sollte man vielleicht genauer arbeiten oder - falls man schon sehr genau gearbeitet hat - eine vierte Summenformel für Kupfersulfid in Betracht ziehen. Noch dummer läuft es, wenn das gebildete Kupfersulfid in Wirklichkeit ein Gemisch aus zwei verschiedenen Verbindungen ist, z.B. 50% CuS und 50% Cu2S. Bei Kupfersulfid kommt so etwas zum Glück nicht vor, beim Eisenoxid schon (dort gibt es sogar drei verschiedene Oxide).
Bestimmung der Atommasse		Wie kann man eigentlich die Masse eines Atoms ermitteln? Nun, dazu gibt es mehrere Verfahren, von denen hier zwei verschiedene vorgestellt werden sollen. Verfahren 1 Aus der Physik ist vielleicht schon bekannt, dass sich mit Hilfe des elektrischen Stroms Metalle an einer Elektrode abscheiden lassen. Diesen Vorgang nutzt man z.B., um Gegenstände zu versilbern oder zu vergolden. Die Silberteilchen, die sich in der Lösung befinden, sind positiv geladen (es handelt sich also nicht um Silberatome, sondern um Silberionen) und werden vom Minuspol angezogen. Je negativer der Minuspol ist, desto mehr Silberionen werden pro Zeit- und Flächeneinheit von ihm angezogen. Was passiert eigentlich mit den Silberionen, wenn sie am Minuspol angekommen sind? Sie nehmen ein Elektron aus dem Minuspol auf und werden dadurch zu elektrisch neutralen Silberatomen. Je mehr Silberionen sich in Silberatome verwandeln, desto dicker wird mit der Zeit die Silberschicht an der negativen Elektrode. Und was hat das ganze bitte schön mit der Atommasse zu tun? Ganz einfach. Physiker können nämlich berechnen, wieviele Elektronen eine solche Elektode pro Sekunde abgibt. Das hängt irgendwie mit der Stromstärke zusammen: je höher die Stromstärke, desto mehr Elektronen fließen pro Sekunde. Wenn man also die Stromstärke so einstellt, dass pro Sekunde und Elektrode eine bestimmte Zahl X Elektronen fließt, so weiß man gleichzeitig, dass sich pro Sekunde X Silberionen in Silberatome umwandeln. Wenn man den Versuch jetzt 10 Minuten laufen lässt, so haben sich am Minuspol 10 * 60 * X Silberatome gebildet. Man muss jetzt "nur noch" das entstandene Silber wiegen. Intelligente Physiker haben natürlich die Elektrode bereits vor dem Versuch gewogen und können jetzt leicht die Massenzunahme ermitteln. Weniger intelligente Physiker kratzen das Silber jetzt von der Elektrode ab und wiegen den grau aussehenden feuchten Schleim. Angenommen, in diesen 10 Minuten ist die Elektrode Y Gramm schwerer geworden, so kann man jetzt die Masse von 1 Silberatom ausrechnen: m(Ag-Atom) = Y / (10 * 60 * X) Tolles Verfahren, nicht wahr?   Verfahren 2 Nun kommen wir zum zweiten Verfahren. Ich werde mich hier recht kurz fassen, weil dieses Verfahren in jedem besseren Schulbuch ausführlich besprochen ist. Ich meine die Massenspektroskopie. Dazu macht man das zu analysierende Element gasförmig, damit man die Atome besser durch ein elektromagnetisches Feld pusten kann. Bevor die Atome aber durch dieses Feld gepustet werden, muss man sie elektrisch aufladen, positiv oder negativ, das ist dabei egal. Die gasförmigen und aufgeladenen Atome fliegen jetzt mit hoher Geschwindigkeit durch dieses elektromagnetische Feld. Dabei werden die positiven Ionen (Ion = geladenes Atom) vom Minuspol angezogen, und die negativen Ionen vom Pluspol. Und jetzt kommt's: schwere Atome werden nicht so leicht von ihrem Weg abgelenkt wie leichte Atome. Man muss also nur irgendwie feststellen, wie stark ein positives Ion vom Minuspol abgelenkt wurde, und schon kann man die Atommasse ausrechnen. Nähere Einzelheiten siehe entsprechende Schulbücher.