Kurs:Stöchiometrie und chemisches Rechnen/Atome

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In der Chemie sind die Atome die kleinstmöglichen Teilchen mit denen man umgeht.

Die Atome bestehen aus Neutronen, Protonen (die den Atomkern aufbauen) und Elektronen (die die sog. Atomhülle aufbauen).

Atome eines bestimmten Elements sind in ihrer Protonenzahl gleich, Atome verschiedener Elemente jedoch nicht, was zu der Annahme führte, dass sich die Atome in ihren Massen unterscheiden. Unter Zugrundelegung dieser Annahme führte Lavoisier die Waage in die Chemie ein und legte damit die Grundlage für die chemische Analytik. (Ps. Natürlich gibt es bei den Elementen Atome mit unterschiedlichen Massen. Dies wird normalerweise in der Chemie ignoriert da sich dies nicht auf ihre chemischen Eigenschaften auswirkt. Man geht in diesen Fällen von dem natürlich vorkommenden Verhältnis der einzelnen Atomsorten eines Elements aus, die dann als Atommasse im Periodensytem der Elemente erscheinen (Summe der Anteile je Atomsorte mal jeweiliges Atomgewicht)). Das errechnete Atomgewicht bedeutet hierbei ein relatives Atomgewicht.


Bei den Elementen, Atomen unterschiedlicher Atommasse, aber mit gleichen chemischen Eigenschaften ist die Protonenzahl gleich, die Neutronenzahl aber unterschiedlich. Atome eines Elements mit gleicher Protonenzahl und unterschiedlicher Neutronenzahl nennt man Isotope.

Beispiele für Mischelemente sind: H, He, C, Ca, S, Sn und U.

Beispiele für Reinelemente sind: Na, F, P, J und Al

Vom Wasserstoff sind 3 Isotope bekannt:

1. Leichter Wasserstoff mit der Atommasse 1. Der Atomkern enthält 1 Proton.

2. Schwerer Wasserstoff (Deuterium) mit der Atommasse 2. Der Atomkern enthält 1 Proton und 1 Neutron.

3. Überschwerer Wasserstoff (Tritium) mit der Atommasse 3. Der Atomkern enthält 1 Proton und 2 Neutronen.

Leichter und Schwerer Wasserstoff kommen in der Natur in einem Mengenverhältnis von 99,9855 % zu 0,0145 % vor. Überschwerer Wasserstoff kann künstlich erzeugt werden und ist Radioaktiv.

Das Mengenverhältnis der natürlich vorkommenden Isotope der Mischelemente ist auch die Ursache dafür, dass die Atommassen einen Mischwert haben. Dieser ergibt sich aus der Summe der Atommasse der einzelnen Isotops * Häufigkeit des jeweiligen Isotops.

Beispielsweise Zink (Zn):

Hier existieren Isotope mit den Massenzahlen 64, 66, 67, 68 und 70:

Isotopenmassenzahl Häufigkeit Massenzahl * Häufigkeit
64 48,89 % 64 * 0,4889
66 27,81 % 66 * 0,2781
67 4,11 % 67 * 0,0411
68 18,57 % 68 * 0,1857
70 0,62 70 * 0,0062

Die relative Atommasse von Zn beträgt somit

(64*0,4889(+(66*0,2781)+(67*0,0411)+(68*0,1857)+(70*0,0062)= 65,4595

Die relative Atommasse der natürlich vorkommenden Zinkisotope beträgt aufgerundet 65,46 Gramm pro Mol.

Die Abweichung der Atommasse nach oben zu anderen Quellen ergibt sich aus unterschieden in den Prozentzahlen der Verteilung der einzelnen Isotope und dass z.B. Zn der Massenzahl 64 eine Atommasse von 63.9291 hat. Man merke: Die Genauigkeit des Rechenergebnises ist immer von den Eingangszahlen abhängig.


Dass wir mit gut handhabbaren Zahlen rechnen hat auch besondere Gründe:

Die Masse des leichtesten Atoms (Wasserstoff) hat die absolute Masse von:

0,000 000 000 000 000 000 000 001 6735 g = 1,6735* 10-24 g

Ein mittelschweres Atom, wie z.B. das Jod-Atom hat eine Masse von 210,69 * 10-24 g und ein

schweres Atom, wie z.B. Plutonium hat eine Masse von 396,81 * 10-24 g.

Da man mit solchen Zahlen schwer umgehen kann, hat man die relativen Atommassen eingeführt. Hierdurch hat man handhabbare Zahlen. Das einzige Problem war, einen einheitlichen, von allen anerkannten Bezugspunkt zu finden. Aus diesem Grunde hat sich der Bezugspunkt auch mehrfach im laufe der Zeit verändert.

Ermittelt wurden die Atommassen von folgenden Bezugspunkten aus:

bis ca. 1940 war es das Wasserstoffatom, dann

bis ca. 1950 das Sauerstoffatom.

Heute bezieht man die Atommasse auf 12C. Man teilt dessen Masse durch 12 und definiert dies als Bezugswert 1.

Die absolute Masse des Bezugs-C-Atoms beträgt 19,9236 * 10-24 g. Davon 1/12 ist 1,66 * 10-24 g. Dies wird gleich 1 u gesetzt.

Die relative Atommasse des 12C-Atoms beträgt 12 u, u vom englischen unit, u ist ein Hinweis, aber keine Einheit. Siehe hierzu auch:

http://de.wikipedia.org/wiki/Atomare_Masseneinheit und

http://de.wikipedia.org/wiki/Atommasse

Die relative Atommasse (mrel), die auch im Periodensystem angegeben wird, ergibt sich wie folgt:

mrel = Absolute Atommasse in g dividiert durch die Avogadrokostante 1,66 * 10-24

Die relativen Atommassen von z.B. Be, F, Na und Al sind nahezu ganzzahlig. Die Ursache hierfür liegt im Bau der Atome: Hier gibt es keine natürlichen Isotope.

Bei den Elementen z.B. Cl, Ni oder Zn ist dies nicht der Fall. Hier ist das Vorhandensein von natürlichen Isotopen in relevanten Mengen die Ursache.

Die Relativen Atommassen von Elementen sind leicht dem Periodensystem zu entnehmen. Nimmt man dann 1 mol des Elements ist das die relative Atommasse in Gramm.

Die Relative Atommasse einer Verbindung lässt sich leicht aus den Einzelkomponenten errechnen. Zum Beispiel unser geliebter Alkohol (Ethylalkohol oder Ethanol) hat die Summenformel C2H6O. Dies bedeutet folgendes:

Das Molekül setzt sich aus 2 Kohlenstoffatomen, 6 Wasserstoffatomen und einem Sauerstoffatom zusammen.

Die relative Atommasse von Ethanol ergibt sich somit aus 2 * 12 u (C) + 6 * 1 u (H) und 1 * 16 u (O) und beträgt ca. 46 u, bzw. ein mol Ethanol hat das Gewicht von ca. 46 g (Man könnte natürlich auch die Atommassen mit Nachkommastellen aus dem Periodensystem entnehmen, wenn man ein genaues Ergebnis erhalten will).


John Dalton haben wir 3 wichtige Gesetze im Bereich Chemie zu verdanken:


1. Das Gesetz von der Erhaltung der Masse

Dies bedeutet, dass sich die Masse der an einer chemischen Reaktion teilnehmenden Substanzen nicht verändert: Die Masse der Ausgangsmaterialien entspricht der Masse der Endprodukte

2. Das Gesetz von den konstanten Proportionen (Massenverhältnisse)

Dies bedeutet, dass bei der Reaktion der gleichen Elemente diese immer im gleichen Massenverhältnis miteinander reagieren bzw. dass in den Endprodukten die Elemente diese immer im gleichen Massenverhältnis vorliegen. Mengenmäßig richtig gemischt ergibt sich ein eindeutiges Produkt.

Zink Zn + Schwefel S -Reaktion-> ZnS

6,4 g + 3,2 g  ---->  9,6 g
7,0 g + 3,2 g  ---->  9,6 g + 0,6 g Zn

3. Das Gesetz der multiplen Proportionen (Massenverhältnisse)

Für den Fall, dass 2 Elemente (z.B. Kohlenstoff C und Sauerstoff O) mehr als eine Verbindung miteinander eingehen, sich diese immer in einem festen ganzzahligen Verhältnis miteinander verbinden. Ganzzahligkeit der Atomartenzusammensetzung
2 C + O2 = 2 CO               2 * 12g C + 32g O2
  C + O2 =   CO2                  12g C + 32g O2
Braunschwarzes Bleioxid --Erhitzen--> Orangefarbenes Bleioxid --Erhitzen--> Gelbes Bleioxid
PbO2 Pb3O4 PbO
Pb : O2 62 g : 9,6 g 62 g : 6,4 g 62 g : 4,8 g
Pb : O2 - Verhältnis 3: 6 . 3 : 4 . 3 : 3