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Chemische Formeln und das Mol (der Molbegriff)

Die moderne Chemie begann als man die Bedeutung sorgfältiger Messungen erkannte. Die Stöchiometrie befaßt sich mit den Mengenverhältnissen der Elemente in Verbindungen und in chemischen Reaktionen.

(Reaktionsgleichungen siehe Reaktionsgleichungen)

(Aufstellen von Reaktionsgleichungen: Grundlagen)

(Gleichungen mit Oxidationszahlen: Oxidationszahlen und Redoxgleichungen)

Moleküle und Ionen:

Nur die Edelgase kommen in der Natur als Einzel-Atome vor. Alle anderen Elemente kommen in größeren Einheiten vor, in denen Atome miteinander verknüpft sind. Zu diesen größeren Einheiten gehören die Moleküle und die Ionen.

Moleküle:

Ein Molekül ist ein Teilchen, in dem zwei oder mehr Atome fest miteinander verknüpft sind. Dabei spielt es keine Rolle, ob die Atome von verschiedenen Elementen oder von ein und demselben sind. Sauerstoff O₂ ist ein natürliches Molekül, genauso wie H₂O Wasser.
Die Zusammensetzung eines reinen Stoffes wird mit seiner chemischen Formel angegeben. Jedes vorhandene Element wird durch sein Elementsymbol bezeichnet, gefolgt von einer tiefgestellten Zahl zur Angabe der Anzahl der Atome.
C₆H₁₂O₆ der Zucker besteht aus 6 Kohlenstoff-, 12 Wasserstoff- und 6 Sauerstoff- Atomen. Seine Formel nennt man Molekularformel.
Die Molekülmasse ist gleich der Summe der Atommassen aller Atome des Moleküls und wird ebenfalls in u gemessen.

Ionen:

Ein Ion ist ein Atom oder Molekül, daß eine elektrische Ladung trägt. Man unterscheidet:
Ein Kation ist positiv geladen. Sie entstehen wenn Atome oder Moleküle Elektronen abgeben. Sie werden vom Minuspol einer elektrischen Spannung angezogen.
Ein Anion ist negativ geladen. Diese entstehen wenn Atome oder Moleküle Elektronen aufnehmen. Sie werden vom Pluspol angezogen.
Einatomige Ionen bestehen aus einzelnen, geladenen Teilchen. Metalle bilden in der Regel einatomige Kationen, während Nichtmetalle häufig Anionen bilden. Mehratomige Ionen begegnen uns als geladene Moleküle (z.B.: NH₄⁺ ,OH^-)
Ionische Verbindungen sind aus Anionen und Kationen aufgebaut. Im festen Zustand bilden sie Kristalle, in denen die Ionen in einem bestimmten geordneten geometrischen Muster angeordnet sind (Bsp.: Natriumchlorid = Kochsalz).

Das Mol

Die Atommasse von Fluor ist 19 u, die von Wasserstoff 1 u. Das bedeutet auch, daß bei einer beliebigen Zahl von Fluor-Atomen und einer gleich großen Zahl von Wasserstoff-Atomen, das Fluor immer 19 mal schwerer sein wird als der Wasserstoff.
Andersherum, ist der Anteil Fluor exakt 19 mal schwerer als der Wasserstoff so enthalten beide Gase gleich viel Teilchen.
Dieses Verhältnis ist erfüllt wenn wir genau 19 Gramm Fluor und 1 Gramm Wasserstoff nehmen, dieses entspricht dem Wert der Atommassen im Periodensystem. Da das Massenverhältnis von 19 : 1 erfüllt ist, müssen von beiden Elementen gleich viel Atome vorhanden sein.

Diese Aussage gilt allgemein:
Die Menge in Gramm eines Elementes, die dem Zahlenwert der Atommassen entspricht, enthält immer die gleiche Zahl an Atomen.

Die zugehörige Zahl ist extrem groß und wird Avogadrosche Zahl genannt. Die Stoffmenge wird ein Mol genannt, und besteht aus:

6,02205 * 10²³ Teilchen.
Das Mol gehört zu den Basiseinheiten und ist als die Stoffmenge definiert, die aus genau so vielen Teilchen besteht wie in 12 g Kohlenstoff enthalten sind. Hierzu gehören beliebige Teilchen Atome, Ionen, Elektronen, Moleküle, etc..

Das Mol hängt eng mit der atomaren Masseneinheit u zusammen, denn es ist: 1 g = 6,02205*10²³ u.
Ein Mol einer molekularen Substanz besteht aus 6,02205*10²³ Molekülen und hat die Masse in Gramm, deren Zahlenwert der Molekülmasse entspricht. Die Molekülmasse (M) ergibt sich aus der Summe der Atommassen aller Atome des Moleküls; früher Molekulargewicht.
Die Molekülmasse für Wasser beträgt M(H₂O) = 18,015. In 18,015 Gramm Wasser sind somit 6,02205*10²³ Wasser-Moleküle enthalten. Das einzelne Wassermolekül hat die Masse von 18,015 u.

Ich versuche es einfach zu erklären.

Wenn man das Atomgewicht mit der Molzahl multiplizierst, entspricht das Atomgewicht genau der Masse in Gramm.
Kohlenstoff wiegt 12 units, multiplizierst du dies mit 6*10^23 erhältst man exakt 12 Gramm Kohlenstoff.
Andersrum: 12 gramm Kohlenstoff entsprechen 1 Mol, aber auch 6*10^23 Teilchen.
Jetzt kannst man berechnen wieviel Mol zum Beispiel 36 gramm Kohlenstoff sind. Genau 3 mol.

H2O wiegt 18 units (2*H = 2*1 und 1*O = 16).
1 mol Wasser wiegt 18 gramm und/oder entspricht 6*10^23 Molekülen.

1 Liter Wasser wiegt 1000 gramm. Dies entspricht 55,55 mol ( 1mol = 18 gramm * 55,55 = 1000gramm). Das wiederum sind 55,55 * 6*10^23 Moleküle.

Beispiel:
Berechnung der molaren Masse von H₂O:

2 mal die Atommasse von H = 2 * 1,008 = 2,016
1 mal die Atommasse von O = 1 * 15,99 = 15,99
Molekularmasse von Wasser = 18,015

Molare Masse von H₂O = M(H₂O) = 18,015 g/mol

Beachte: Werden Mengenangaben in Mol gemacht, so muß man sich vergewissern, auf welche Teilchen man sich bezieht. Ein Mol H-Atome enthält 6,02205*10²³ Wasserstoff-Atome und wiegt 1,008 g. Ein Mol H₂-Moleküle hat ebenfalls 6,02205*10²³ Teilchen, wiegt aber 2,016 g.

n = Stoffmenge eines Stoffes; Maßeinheit: Mol (mol)
m = Masse eines Stoffes; Maßeinheit: Gramm (g)
M = molare Masse eines Stoffes, Maßeinheit: Gramm pro mol (g/mol)

n = m/M

Beispiel:
Es werden 0,25 mol Schwefelsäure (H₂SO₄) benötigt. Wieviel Gramm müssen abgewogen werden?

M (H₂SO₄) = 98,08 g/mol
m (H₂SO₄) = n (H₂SO₄) * M (H₂SO₄)
= 0,25 mol * 98,08 g/mol = 24,52 g.

Molarität:

Konzentrationsangabe für Lösungen (mol/ml oder mol/l). Sie ist der Quotient aus der gelösten Stoffmenge und des Volumen des Lösungsmittel. (Beachte: bei Temperaturanstieg dehnt sich das Lösungsmittel aus, dadurch erhöht sich sein Volumen dies beeinflußt die Molarität einer Lösung. Sie ist also temperaturabhängig.)

Prozentuale Zusammensetzung von Verbindungen

Der prozentuale Masseanteil der Elemente in einer Verbindung kann aus der Formel berechnet werden. Die Indexzahlen in der Formel geben die Anzahl der Mole jedes Elementes in einem Mol der Verbindung an. Daraus kann man die entsprechende Masse in Gramm berechnen. Nach Division durch die Molmasse der Verbindung ergibt den Masseanteil (w) des jeweiligen Elements; Multiplikation mit 100 % ergibt dann den Prozentanteil der Masse.

Beispiel:
Wieviel Prozent Eisen sind in Eisenoxid Fe₂O₃ enthalten?

m (Fe) = 2 mol * 55,8 g/mol = 111,6 g
m (O) = 3 mol * 16,0 g/mol = 48,0 g
m Fe₂O₃ = 159,6 g

Massenanteil des Fe in Fe₂O₃:
w (Fe) = 111,6/159,6 = 0,6993

Prozentgehalt des Fe in Fe₂O₃:
w (Fe) * 100 % = 69,93 %

Bei der chemischen Analyse einer Verbindung kann deren prozentuale Zusammensetzung ermittelt werden. Hieraus wird die Formel der Verbindung bestimmt.

Übungen:

Wieviel Mol sind 0,8g O₂ ?
Wieviel Mol sind 421g Gold (Au)?

Berechnen sie die Massen 1 Mol von Wasser, Ammoniak, Glucose, Phosphorsäure, Harnstoff.

Wieviele Gramm entsprechen 55,55 mol H₂O?

Was ist die Masse in Gramm von 5,1 mmol H₂SO₄?

Berechnen sie die prozentuale Zusammensetzung von Pb₃O₄ (Bleimennige).

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