016 – Das Gesetz von der Erhaltung der Masse

Das Gesetz von der Erhaltung der Masse besagt, dass Materie bei einer chemischen Reaktion weder erzeugt noch zerstört wird: Die vor der Reaktion vorhandenen Atome sind genau die Atome, die nach ihr vorhanden sind, sie sind lediglich in andere Moleküle umgeordnet. Antoine Laurent de Lavoisier stellte dieses Prinzip in den 1780er Jahren durch das Wiegen versiegelter Reaktionsgefäße auf, und es ist der Grund, warum jede chemische Gleichung ausgeglichen sein muss und warum ein Industriechemiker die Masse des Produkts vorhersagen kann, die ein Verfahren liefern wird, bevor er es durchführt.

Das Gesetz zu demonstrieren ist schwieriger, als es klingt, denn eine Reaktion, die ein Gas freisetzt, scheint an Masse zu verlieren, wenn sie in einem offenen Gefäß durchgeführt wird. Die Masse ist nicht verschwunden – sie hat lediglich die Waagschale verlassen. Die Erhaltung kann daher nur in einem geschlossen System, bei dem jedes Produkt, einschließlich der Gase, zurückgehalten und mitsamt dem Rest gewogen wird. Diese eine experimentelle Anforderung ist die zentrale Idee dieses Labors.

Sie werden das Gesetz zweimal testen, und zwar mit zwei Reaktionen, die sich völlig unterschiedlich verhalten. In Teil A reagiert Natriumhydrogencarbonat mit Essigsäure und setzt Kohlenstoffdioxid frei; das Gas wird in einem Gummiballon aufgefangen, der über die Mündung eines Erlenmeyerkolbens gestülpt ist, und eine Klemme am Hals des Ballons ermöglicht es, das eingeschlossene Gas nach Beendigung der Reaktion separat zu wiegen. In Teil B werden Lösungen von Calciumdichlorid und Natriumcarbonat vermischt, wodurch sich ein fester Niederschlag aus Calciumcarbonat bildet; nichts kann aus dem Becherglas entweichen, sodass die Massenbilanz exakt aufgeht. In jedem Fall wiegen Sie das System vor und nach der Reaktion, vergleichen die Summen und erklären einen eventuell festgestellten Unterschied.

Bildungsziele

Einarbeitung in die Laborumgebung

• Suchen und identifizieren Sie vor Beginn die elektronische Waage, das Wägeschiffchen, den Messzylinder, den 250-ml-Erlenmeyerkolben, die beiden 50-ml-Bechergläser, den Gummiballon und die Holzklammer, und erkennen Sie, welches Gerät das System zu einem geschlossenen System macht.

Verwendung von Schutzausrüstung

• Tragen Sie beim Umgang mit 1 M Essigsäure und den beiden Salzlösungen Handschuhe und einen Augenschutz und kontrollieren Sie eine Reaktion, die in einem versiegelten Gefäß Druck aufbaut, ohne dass sich der Ballon vom Kolben löst.

Bau und Test eines geschlossenen Systems

• Montieren Sie ein gasdichtes Reaktionsgefäß aus einem Kolben, einem Ballon und einer Klammer und erklären Sie, warum dieselbe Reaktion in einem offenen Kolben so wirken würde, als würde sie den Massenerhaltungssatz verletzen.
• Wiegen Sie den Ballon und das darin eingeschlossene Gas separat, um die Masse eines gasförmigen Produkts direkt zu messen.

Quantitative Wägetechnik

• Verwenden Sie die Tarierfunktion richtig, damit ein Wiegeschiffchen nichts zur aufgezeichneten Masse eines Pulvers beitrags, und protokollieren Sie jede Masse mit der vollen Präzision, die die Waage anzeigt (0,01 g).
• Wägen Sie ein vollständiges System als einzelnes Objekt ab, wobei Sie berücksichtigen, dass Klammer, Kolben, Ballon, Reaktanten und die darin befindliche Luft alle Teil des Ganzen sind.

Stöchiometrie und die begrenzende Reaktionskomponente

• Wandeln Sie ein Volumen und eine Konzentration in eine Stoffmenge um, bestimmen Sie, welcher von zwei Reaktanden zuerst verbraucht wird, und sagen Sie die Masse an Gas oder Niederschlag voraus, die die Reaktion erzeugen kann.

Auswertung einer Massenbilanz

• Vergleichen Sie eine gemessene Massendifferenz mit der Präzision des Instruments und entscheiden Sie, ob eine Abweichung einen tatsächlichen Materieverlust oder die gewöhnliche Streuung eines Messwerts darstellt.

Protokoll

Teil A: Die Reaktion zwischen Natriumbicarbonat und Essigsäure

1. Wiegen Sie den Gummiballon mit der Waage.
2. Verwenden Sie das Wiegeschiffchen, um etwa 2,2 g Natriumbicarbonat (NaHCO₃) abzuwiegen.₃).
3. Geben Sie das abgewogene Pulver in den Gummiballon.
4. Befestigen Sie die Holzklammer am Boden der Flasche.
5. 25 ml Essigsäure (CH₃Geben Sie 1 M COOH mit dem Messzylinder in den Erlenmeyerkolben.
6. Befestigen Sie den Ballon an der Öffnung des Erlenmeyerkolbens und achten Sie darauf, dass der Feststoff nicht in die Flüssigkeit fällt.
7. Wiegen Sie das System (Ballon, Klemme, Erlenmeyerkolben und die beiden Reaktanten) vor der Reaktion. Die Masse ist in der Ergebnistabelle zu finden.
8. Lösen Sie die Klammer vom Ballon.
9. Indem Sie den Glasstab auf den Ballon drücken, lassen Sie den Feststoff in den Erlenmeyerkolben fallen.
10. Schütteln Sie die Lösung vorsichtig, bis sie sich vollständig aufgelöst hat, indem Sie die Erlenmeyerkolben von links nach rechts schwingen.
11. Befestigen Sie die Klemme am Fuß des Ballons.
12. Wiegen Sie das System erneut, wenn die Reaktion abgeschlossen ist. Die Masse finden Sie in der Ergebnistabelle.
13. Trennen Sie den Ballon vom Erlenmeyerkolben und lassen Sie die Klemme am Fuß des Ballons befestigt.
14. Wiegen Sie den Ballon mit der befestigten Klemme.

Teil B: Die Reaktion zwischen Calciumdichlorid und Dinatriumcarbonat

1. Messen Sie 15 ml 1M Calciumchlorid (CaCl₂) Lösung mit dem Messzylinder.
2. Gießen Sie die Lösung in den 50-ml-Becher 1.
3. Wiegen Sie Becher 1 auf der Waage.
4. 15 ml 1M Natriumcarbonat (Na2CO) abmessen₃) Lösung unter Verwendung des Messzylinders.
5. Gießen Sie die Lösung in den 50-ml-Becher 2.
6. Wiegen Sie Becher 2 auf der Waage.
7. Gießen Sie den Inhalt von Becher 1 in Becher 2.
8. Rühren Sie den Inhalt von Becher 2 mit dem Glasstab um.
9. Wiegen Sie Becher 2 nach der Reaktion und notieren Sie die Masse in der Ergebnistabelle.

Erwartete Ergebnisse

Teil A — Natriumhydrogencarbonat und Essigsäure in einem geschlossenen Kolben

Die Reaktion ist eine Säure-Carbonat-Reaktion, bei der Kohlenstoffdioxid, Wasser und Natriumacetat entstehen:

Natriumhydrogencarbonat₃(s) + CH₃COOH(aq) → CH₃COONa(aq) + H₂O(l) + CO₂(g)

Beide Reaktionspartner sind in vergleichbaren Mengen vorhanden, sodass das limitierende Reagenz identifiziert werden muss, bevor die Masse des Produkts vorhergesagt werden kann. Für die Säure gilt: n = c × V = 1,00 mol/L × 0,0250 L = 0,0250 mol. Für das Bicarbonat gilt: n = m / M = 2,20 g ÷ 84,01 g/mol = 0,0262 mol. Die Essigsäure ist zuerst verbraucht, weshalb sie das Ausmaß der Reaktion bestimmt: 0,0250 mol CO₂ entsteht, mit einer Masse von m = n × M = 0{,}0250 mol × 44{,}01 g/mol = 1{,}10 g. Etwa 0{,}0012 mol (0{,}10 g) Natriumhydrogencarbonat reagieren nicht und verbleiben am Boden des Kolbens.

In Schritt 14 wird dieses Gas abgetrennt. Zieht man das Gewicht des Ballons und der Klemme vom Endgewicht ab, verbleiben 9,14 g − 7,50 g − 0,45 g = 1,19 g Gas im Ballon, gegenüber den 1,10 g, die die Stöchiometrie zulässt. Die beiden Werte stimmen bis auf etwa 8 % überein. Der wichtige Punkt ist der Vergleich zwischen 237,09 g und 237,12 g: Wäre dieselbe Reaktion in einem offenen Kolben durchgeführt worden, wären etwa 1,10 g entwichen, und die Waage hätte einen Verlust von etwa 0,47 % der Gesamtmenge angezeigt – gering, aber weitaus größer als die Streuung von 0,03 g bei der geschlossenen Messung und leicht mit einem Verstoß gegen das Gesetz zu verwechseln.

Teil B – Calciumdichlorid und Natriumcarbonat in einem offenen Becherglas

Dies ist eine doppelte Verdrängungsreaktion (Fällungsreaktion), angetrieben durch die sehr geringe Löslichkeit von Calciumcarbonat:

CaCl₂(aq) + Na₂Kohlenmonoxid₃(aq) → CaCO₃(s) + 2 NaCl(aq)

Es werden gleiche Volumina gleicher Konzentrationen verwendet, sodass die beiden Reaktionspartner genau im 1:1-Verhältnis zugeführt werden, das die Gleichung erfordert: n = 1,00 mol/L × 0,0150 L = 0,0150 mol von jedem. Keiner der beiden ist im Überschuss vorhanden, und die Reaktion kann prinzipiell vollständig ablaufen. Der gebildete Niederschlag beträgt m = n × M = 0,0150 mol × 100,09 g/mol = 1,50 g CaCO₃, wobei 0,0300 mol NaCl (1,75 g) gelöst im Überstand verbleiben. Im Moment des Zusammentreffens der Lösungen entsteht eine weiße, trübe Suspension, die sich bei Beendigung des Rührens als feiner, weißer Feststoff absetzt.

Die sichtbare Veränderung ist dramatisch – zwei klare Flüssigkeiten werden zu einer weißen Aufschlämmung – und dennoch bewegt sich die Waage überhaupt nicht, sobald das Becherglas berücksichtigt wird. Genau das ist der Punkt: Eine Zustandsänderung und eine Änderung der chemischen Identität sind keine Massenänderung. Die Division des Inhalts durch ihre Volumina ergibt zudem die Dichten der beiden Stammlösungen, 16,25 g ÷ 15,0 mL = 1,08 g/mL für das Calciumdichlorid und 16,59 g ÷ 15,0 mL = 1,11 g/mL für das Natriumcarbonat, beide dichter als reines Wasser, wie es für 1-M-Salzlösungen zu erwarten ist.

Zusammenfassung der Aufgaben nach Klassenstufen

9. bis 10. Klasse

• Fokus — zu beobachten, dass eine chemische Veränderung das Aussehen verändert, ohne die Masse zu verändern, und das dazugehörige Vokabular zu lernen: Ausgangsstoff, Produkt, Niederschlag, geschlossenes System, Erhaltung.
• Aktivitäten Führen Sie beide Teile aus, tragen Sie alle sieben Massen von Teil A und alle drei Massen von Teil B in die Ergebnistabelle ein, beschreiben Sie, was im Moment der Reaktion zu sehen ist (Blasenbildung und ein sich aufblasender Ballon in Teil A, eine weiße Wolke in Teil B), und geben Sie in einem Satz an, ob sich die Masse verändert hat. Beantworten Sie die Leitfrage: Wohin wäre das Kohlenstoffdioxid ohne den Ballon gelangt?

11. Klasse

• Fokus — das Experiment quantitativ behandeln, mit ausgeglichenen Gleichungen und einer stoffmengenbasierten Vorhersage anstelle eines qualitativen Vergleichs.
• Aktivitäten — gleichen Sie beide Gleichungen aus; wandeln Sie 25 ml von 1 M Essigsäure und 2,20 g NaHCO₃ in Mole um und bestimmen Sie das limitierende Reagenz; prognostizieren Sie die Masse an CO₂ und vergleiche es mit den in Schritt 14 im Ballon gewogenen 1,19 g; prognostiziere die 1,50 g CaCO₃ in Teil B gebildet; zeigen Sie arithmetisch, dass 91,25 + 91,59 − 75,00 = 107,84 g ergibt, und erklären Sie, warum eine Becherglasmasse subtrahiert werden muss.

12. Klasse / College-Niveau

• Fokus — Fehleranalyse und das Interpretieren einer Diskrepanz, anstatt sie abzutun.
• Aktivitäten — drücken Sie beide Massenbilanzen als prozentuale Differenzen aus und vergleichen Sie diese mit der Auflösung der Waage; erklären Sie die 0,09 g, um die das eingeschlossene Gas sein stöchiometrisches Maximum übersteigt, indem Sie abschätzen, wie viel Wasserdampf ein gesättigtes Gasvolumen bei Raumtemperatur enthalten kann; verwenden Sie das ideale Gasgesetz, um das Volumen vorherzusagen, das der Ballon bei 101 kPa und 22 °C aus n = 0,0250 mol erreichen sollte; diskutieren Sie das CO₂/H₂Kohlenmonoxid₃/HCO₃⁻ Gleichgewicht und wie viel Kohlenstoff in Lösung bleiben kann; und Entwurf einer Modifikation für Teil A, die eine vertretbare gasdichte Abdichtung ergibt, unter Erläuterung, was dadurch verbessert würde.

Labor-Grundausstattung

Instrumente

• Elektronische Waage (abgelesbar auf 0,01 g, mit Tara)
• Wägeschiffchen (0,5 g)
• Spatel
• Gummiballon (7,5 g)
• Holzklammer (0,45 g)
• Glasstab
• 250-mL-Erlenmeyerkolben (200 g)
• 2 × 50-mL-Bechergläser (je 75 g)
• 25-ml-Messzylinder

Produkte

• Natriumhydrogencarbonat NaHCO₃ (Pulver, 2,2 g)
• Essigsäure CH₃COOH 1 M (25 mL Lösung)
• Calciumdichlorid CaCl₂ 1 M (15 mL Lösung)
• Natriumcarbonat Na₂Kohlenmonoxid₃ 1 M (15 mL Lösung)