Die chemischen Grundgesetze

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1 Die chemischen Grundgesetze Ausgangsproblem Beim Verbrennen von Holz im Ofen bleibt Asche übrig, die Masse der Asche ist deutlich geringer als die Masse des ursprünglichen Holzes. Lässt man einen Sack Mörtel liegen, wird der Inhalt nach einiger Zeit fest, der Sack bläht sich etwas auf. Legt man den Sack auf eine Waage, stallt man fest, dass die Masse insgesamt zugenommen hat. In beiden Fällen hat eine Reaktion stattgefunden, bezüglich der Masse beobachtet man krasse Gegensätze. Die chemischen Grundgesetze 2 1

2 Betrachtung der Reaktionsumstände Der Mörtelsack scheint geschlossen zu sein, tatsächlich ist er so beschaffen, dass beim Transport der Inhalt nicht herausrieselt. Luft kann in den Sack eintreten. Soll Holz brennen, muss es an der Luft reagieren. Somit sind beide Reaktionssysteme bezüglich der Luft nicht abgeschlossen. Es handelt sich um offene Systeme. Die chemischen Grundgesetze 3 Ein anderes Beispiel Es wird Erdbeerkonfitüre hergestellt. Die heiße Konfitüre wird in Gläser abgefüllt, die mit Twist-Off-Deckeln verschlossen werden. Der Rest wird in ein Glas gefüllt und bleibt offen stehen. Nach einiger Zeit bildet sich auf der Konfitüre im Glas ein Schimmelpilzrasen, die verschlossenen Gläser bleiben von Schimmel verschont. Markanter Unterschied: offen vs. verschlossen. Die chemischen Grundgesetze 4 2

3 Offene, geschlossene und isolierte Systeme Ein System wird als geschlossen bezeichnet, wenn ein Stoffaustausch mit der Umgebung unmöglich ist. Bei einem offenen System kann ein Stoffaustausch mit der Umgebung stattfinden, d. h. Stoffe können entweichen oder hinzutreten. Im isolierten System ist ein Stoff- und Energieaustausch mit der Umgebung unmöglich. In solchen Systemen ermittelt man z. B. Reaktionsenthalpien. In erster Näherung kann der eine Thermoskanne mit Inhalt für eine kurzen Zeitraum als isoliertes System betrachtet werden. Die chemischen Grundgesetze 5 Systeme offen geschlossen isoliert Die chemischen Grundgesetze 6 3

4 Gesetz von der Erhaltung der Masse Durch keinen chemischen Vorgang wird die Gesamtmasse der beteiligten Stoffe geändert, d. h. weder geht Masse verloren noch wird Masse gewonnen. Der Beweis kann in einem geschlossenen System geführt werden. Beispiel: Streichhölzer werden in einem Reagenzglas eingeschmolzen, dieses System wird gewogen. Dann werden die Streichhölzer von außen gezündet, und nach dem Abkühlen wird das System erneut gewogen. Die Masse bleibt gleich, Beweis gelungen. Die chemischen Grundgesetze 7 Zusammensetzung von Verbindungen Überlegung: Wenn Eisen mit Schwefel reagiert entsteht ein neuer Stoff, eine Verbindung. Ist jedes Mal die Zusammensetzung des Produktes gleich? Die chemischen Grundgesetze 8 4

5 Experiment Nacheinander werden unterschiedliche genau gewogene Portionen reines Eisen mit einem Überschuss an Schwefelpulver in einer Argon-Schutzgasatmosphäre (Reaktion mit Sauerstoff ausgeschlossen) zur Reaktion gebracht. Nach dem Erkalten wird fein gemahlen, mit Schwefelkohlenstoff ausgeschüttelt (Entfernung von nicht umgesetztem Schwefel) und erneut gewogen. Die Massen der eingesetzten Eisenportionen wird gegen die erhaltenen Massen Reaktionsprodukt aufgetragen, dabei ergibt sich folgendes Diagramm: Die chemischen Grundgesetze 9 und das Ergebnis Die chemischen Grundgesetze 10 5

6 Gesetz der konstanten Massenverhältnisse Das Diagramm zeigt, dass die Masse des entstandenen Produktes linear mit der Masse des eingesetzten Eisens ansteigt. Also wurde auch der Schwefel proportional zur Masse des Eisens gebunden. Daher: Jede Verbindung enthält ihre Elemente stets in einem bestimmten, konstanten Massenverhältnis. Die chemischen Grundgesetze 11 Weitere Beobachtungen Verschiedene Elemente wie z. B. Kohlenstoff oder Stickstoff gehen mit dem gleichen Reaktionspartner unterschiedliche Verbindungen ein. Beispiele: CO und CO 2, FeO und Fe 2 O 3 usw. Jede dieser Verbindungen unterliegt für sich dem Gesetz der konstanten Proportionen. Wie verhält es sich mit den Massen der einzelnen Elemente in den unterschiedlichen Verbindungen? Die chemischen Grundgesetze 12 6

7 Das Gesetz der multiplen Proportionen Der Vergleich der unterschiedlichen Verbindungen zeigt eine Gesetzmäßigkeit: Gehen zwei Elemente A und B mehrere Verbindungen miteinander ein, so stehen die Massen von A, die sich mit der selben Masse von B verbinden, im Verhältnis kleiner ganzer Zahlen. Bsp.: CO und CO 2, m(c) ist gleich, m(o) = 16:32 = 1:2 Die chemischen Grundgesetze 13 7