Betrachtet man chemische Reaktionen bzw. Stoffumwandlungen, gibt es ein paar Gesetzmäßigkeiten, die dabei helfen, Fragestellungen im Bereich der Stoffumwandlungen zu lösen. Die wichtigsten Gesetzmäßigkeiten sind:
Das Gesetz zur Erhaltung der Masse ist eine der wichtigsten Grundlagen und besagt, dass bei allen chemischen Reaktionen die Gesamtmasse der an der Reaktion beteiligten Stoffe erhalten bleiben, d.h die Gesamtmasse der Ausgangsstoffe ist gleich der Gesamtmasse der Endstoffe.
Diese Gesetzmäßigkeit wurde M. W. Lomonossow formuliert und von A. L. Lavoisier bestätigt, weswegen es auch als Lomonossow-Lavoisier-Gesetz bezeichnet wird.
Anmerkung 1:
Die Anwendung des Gesetzes zur Erhaltung der Masse ergibt nur in geschlossenen Systemen Sinn. Dies erkannte bereits Lavoisier, indem er z.B. Metalle an Luft verbrannte und das Reaktionsprodukt (das Metalloxid) anschließend wog, genauso wie eine brennende Kerze auf einer Waage immer weniger Masse anzeigt. Rechnet man die Masse des entstandenen Kohlenstoffdioxids mit, so stimmt der Erhaltungssatz.
Anwendung:
Das Gesetz zur Erhaltung der Masse lässt sich anwenden, um beispielsweise die Masse eines bestimmten Ausgangsstoffes zu ermitteln. Beispiel: Es reagieren 5,5 g Kupfer mit einer bestimmten Menge Schwefel, dabei erhält man als Produkt ca. 6,9 g Kupfersulfid. Nun stellt sich die Frage, welche Masse an Schwefel reagiert hat. Diese Antwort lässt sich mit dem Gesetz zur Erhaltung der Masse einfach beantworten: m(Ausgangsstoffe) = m(Endstoffe).
m(Kupfer) + m(Schwefel) = m(Kupfersulfid)
m(Schwefel) = m(Kupfersulfid) – m(Kupfer) = 6,9 g – 5,5 g = 1,4 g
Das Ergebnis lässt sich leicht in einem Experiment verifizieren.
Anmerkung 2:
Das Gesetz zur Erhaltung der Masse ist innerhalb der Meßgenauigkeiten gültig. Dennoch muss erwähnt, dass bei jeder chemischen Reaktion ein Energieumsatz erfolgt (Energieabgabe oder Energieaufnahme). Nach Einstein gilt die Äquivalenz von der Masse m und der Energie E (E = m·c²), d.h. jede Energieänderung führt auch zu einer Massenänderung. Anhand eines Beispiels soll nun erläutert werden, dass das Gesetz zur Erhaltung der Masse dennoch verwendet werden kann.
So reagiert beispielsweise 2 mol Eisen mit 1 mol Sauerstoff zu 2 mol Eisen(II)oxid, dabei werden ca. 540 KJ an Energie frei.
Nun kann man die freiwerdende Energie nach der Formel E = m·c² in eine entsprechende Masse umrechnen, m = E : c² (Einheit J: 1J = [1kg·1m²] : 1s²). Setzt man die Werte in die Gleichung ein, so erhält man als Ergebnis für die Masse 6,1·10-12 kg (was weniger entspricht als einem Milliardstel Gramm)
was bedeutet und somit beweist, dass das Gesetzt zur Erhaltung der Masse bei “normalen” Reaktionen verwendet werden kann. Bei Kernreaktionen hingegen, die in der Regel mit wesentlich höheren Energieumsätzen verbunden sind, kann die Massenänderung durch den Energieumsatz nicht vernachlässigt werden.
Das Gesetz der Massenerhaltung, das von Antoine Lavoisier formuliert wurde, besagt, dass die Masse in einem abgeschlossenen System konstant bleibt, unabhängig von den Veränderungen, die innerhalb des Systems stattfinden könnten. Das bedeutet, dass die Gesamtmasse der reagierenden Stoffe (Reaktanden) in einer chemischen Reaktion gleich der Gesamtmasse der gebildeten Stoffe (Produkte) ist.
Die Stöchiometrie ist ein Bereich der Chemie, der sich mit den quantitativen Beziehungen zwischen Reaktanden und Produkten in chemischen Reaktionen beschäftigt. Sie beruht auf dem Gesetz der Massenerhaltung und ermöglicht uns zu berechnen, wie viel von einem Stoff während einer Reaktion verbraucht oder erzeugt wird.
Die Gesamtmasse eines Systems verändert sich nicht während einer chemischen Reaktion. Dies ist das grundlegende Prinzip des Gesetzes der Massenerhaltung.
Das Gesetz der konstanten Proportionen, auch bekannt als das Gesetz der bestimmten Verhältnisse, besagt, dass ein chemischer Stoff immer aus denselben Elementen in denselben Proportionen besteht, unabhängig von der Herkunft des Stoffes oder der Methode seiner Vorbereitung.
Die Stöchiometrie funktioniert anhand des Gesetzes der Massenerhaltung, indem sie angibt, dass die Masse der Reaktanden in einer chemischen Reaktion gleich der Masse der Produkte ist. Dies ermöglicht es uns, die Mengen der beteiligten Substanzen zu berechnen.
Eine stöchiometrische Reaktionsgleichung ist eine chemische Reaktion, die die Art der beteiligten Substanzen und die relative Anzahl der Moleküle oder Atome für Reaktanden und Produkte anzeigt. Sie beruht auf dem Gesetz der Massenerhaltung und den Gesetzen der konstanten und multiplen Proportionen.
Das Gesetz der Massenerhaltung ist in der Chemie wichtig, weil es die Grundlage für viele chemische Berechnungen bildet, insbesondere in der Stöchiometrie. Es ermöglicht uns auch zu verstehen, dass Materie weder erzeugt noch zerstört werden kann.
In der Realität wird das Gesetz der Massenerhaltung häufig in chemischen Industrien angewendet, wo es entscheidend ist, die genauen Mengen an benötigten Rohstoffen zu berechnen, um eine bestimmte Menge an Produkt herzustellen, ohne Verschwendung oder Überschuss.
Das Gesetz der Massenerhaltung ist eng mit dem Gesetz der Energieerhaltung verbunden, da beide besagen, dass in einem abgeschlossenen System die Masse bzw. die Energie konstant bleiben. Beide Gesetze bilden die Grundlage unserer Verständnisse von Materie und Energie.
Die Stöchiometrie wird verwendet, um molare Massen und molare Verhältnisse zu berechnen, indem sie die Gesetze der Massenerhaltung und der konstanten Proportionen nutzt. Sie ermöglicht die Bestimmung, wie viele Mole von den beteiligten Substanzen in einer chemischen Reaktion benötigt werden oder produziert werden.