Die Erhaltung der Materie

Lernen Sie, wie chemische Reaktionen durch die Metapher des Wechselgeldes ausgeglichen werden

Zwei Menschen, die fünf Dollar wechseln, als Darstellung dafür, wie die Materie in einer chemischen Reaktion erhalten bleibt.

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Bei Reaktionen unter normalen Laborbedingungen wird Materie weder erzeugt noch zerstört, und Elemente werden nicht in andere Elemente umgewandelt. Daher müssen Gleichungen, die Reaktionen darstellen, ausgeglichen sein, d. h. die gleiche Anzahl von Atomen jeder Art muss auf den gegenüberliegenden Seiten der Gleichung erscheinen. Die Gleichung für die Eisen-Schwefel-Reaktion zeigt, dass ein Eisenatom mit einem Schwefelatom reagieren kann, um eine Formeleinheit Eisensulfid zu erhalten.

Chemiker arbeiten normalerweise mit wägbaren Mengen von Elementen und Verbindungen. In der Eisen-Schwefel-Gleichung zum Beispiel steht das Symbol Fe für 55,845 Gramm Eisen, S für 32,066 Gramm Schwefel und FeS für 87,911 Gramm Eisensulfid. Da bei einer chemischen Reaktion keine Materie erzeugt oder zerstört wird, ist die Gesamtmasse der Reaktanten gleich der Gesamtmasse der Produkte. Wenn eine andere Menge Eisen verwendet wird, z. B. ein Zehntel so viel (5,585 g), kann nur ein Zehntel so viel Schwefel verbraucht werden (3,207 g), und es wird nur ein Zehntel so viel Eisensulfid erzeugt (8,791 g). Wenn anfangs 32,066 Gramm Schwefel mit 5,585 Gramm Eisen vorhanden waren, blieben nach Abschluss der Reaktion 28,859 Gramm Schwefel übrig.

Die Reaktion von Methan (CH4, ein Hauptbestandteil von Erdgas) mit molekularem Sauerstoff (O2) zur Bildung von Kohlendioxid (CO2) und Wasser lässt sich durch die chemische Gleichung CH4(g) + 2O2(g) → CO2(g) + 2H2O(l) veranschaulichen Hier zeigt sich ein weiteres Merkmal chemischer Gleichungen. Die Zahl 2 vor O2 und H2O ist ein stöchiometrischer Faktor. (Die Zahl 1 vor CH4 und CO2 ist impliziert.) Dies bedeutet, dass ein Molekül Methan mit zwei Molekülen Sauerstoff reagiert und dabei ein Molekül Kohlendioxid und zwei Moleküle Wasser entstehen. Die Gleichung ist ausgeglichen, da sich auf beiden Seiten der Gleichung die gleiche Anzahl von Atomen jedes Elements befindet (hier ein Kohlenstoff-, vier Wasserstoff- und vier Sauerstoffatome). Analog zum Eisen-Schwefel-Beispiel können wir sagen, dass aus 16 Gramm Methan und 64 Gramm Sauerstoff 44 Gramm Kohlendioxid und 36 Gramm Wasser entstehen. Das heißt, 80 Gramm Reaktanten führen zu 80 Gramm Produkten.

Das Verhältnis von Reaktanten und Produkten in einer chemischen Reaktion wird als chemische Stöchiometrie bezeichnet. Die Stöchiometrie beruht auf der Tatsache, dass die Materie in chemischen Prozessen erhalten bleibt, und Berechnungen, die Massenverhältnisse angeben, basieren auf dem Konzept des Mols. Ein Mol eines Elements oder einer Verbindung enthält die gleiche Anzahl von Atomen bzw. Molekülen wie ein Mol eines anderen Elements oder einer anderen Verbindung. Nach internationaler Übereinkunft hat ein Mol des häufigsten Kohlenstoffisotops (Kohlenstoff-12) eine Masse von genau 12 Gramm (dies wird als molare Masse bezeichnet) und entspricht 6,022140857 × 1023 Atomen (Avogadrosche Zahl). Ein Mol Eisen enthält 55,847 Gramm, ein Mol Methan enthält 16,043 Gramm, ein Mol molekularer Sauerstoff entspricht 31,999 Gramm und ein Mol Wasser 18,015 Gramm. Jede dieser Massen entspricht 6,022140857 × 1023 Molekülen.

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