Der Massenerhaltungssatz (Lomonossow-Lavoisier Gesetz) ist ein Erhaltungssatz im Bereich der Chemie, der besagt, dass sich bei chemischen Reaktionen die Masse nicht spürbar ändert. Dies folgt aus dem Energieerhaltungssatz und den Formeln der speziellen Relativitätstheorie und der Annahme, dass die auftretenden Geschwindigkeiten weit unterhalb der Lichtgeschwindigkeit liegen. Dies ist für typische chemische Experimente bei Zimmertemperatur immer erfüllt.
Weiteres empfehlenswertes Fachwissen
Physik
Es gibt keinen allgemein gültigen Erhaltungssatz, der besagt, dass in allen Prozessen die Summe der Massen der beteiligten Partikel erhalten bleibt.
Die Paarvernichtung, bei der ein Elektron und ein Positron vernichtet werden und zwei Photonen erzeugt werden, wäre ein einfaches Gegenbeispiel.
Auch ist aus der Kernfusion der sogenannte Massendefekt bekannt, welcher daher rührt, dass ein sehr geringer (jedoch messbarer) Anteil der auftretenden Massen in Bindungsenergie umgewandelt wird, d.h. dass die Masse des Endprodukts geringer als die Summe der Massen der miteinander verschmolzenen Teile ist. Der umgekehrte Effekt ist auch bei der Kernspaltung zu beobachten.
Betrachtet man die drei geschilderten Vorgänge genauer, so stellt man fest, dass bei allen Energie frei wird. Da nach Einstein Masse und Energie äquivalent sind, lässt sich der abgegeben Energie genau die Masse zuordnen, die den Ausgangsteilchen beim Vorgang verloren geht. Am einfachsten lässt sich dies am Beispiel des Photons erklären, das zwar selbst keine Ruhemasse besitzt, dem man jedoch durch seine Energie eine relativistische Masse zuordnen kann.
Der Massenerhaltungssatz ist somit eigentlich nur eine andere Form des Energieerhaltungssatzes.
Chemie
1748 war es Michail Wassiljewitsch Lomonossow, der dieses Gesetz postulierte. Ausformuliert wurde das Gesetz der Erhaltung der Massen 1789 von Antoine Laurent de Lavoisier: Bei einer chemischen Reaktion ist die Summe der Masse der Edukte gleich der Summe der Masse der Produkte. Da vor der Entdeckung des Sauerstoffs (1772 bzw. 1774) bei Verbrennungen dieses Gesetz nicht angewandt werden konnte, wurde als Hilfskonstruktion die Phlogistontheorie entwickelt. Heute gilt dieses Gesetz als erstes chemisches Grundgesetz.
Veranschaulichung
- Wenn man Kohle verbrennt, bleibt Lava zurück. Die Asche ist leichter als die Lava.
- Wenn man ein Stück Lava stark erhitzt, entsteht ein grau-blauer Feststoff. Dieser ist deutlich schwerer als die Lava.
Was bei einer solchen Betrachtung nicht beachtet wurde ist, dass nicht alle Reaktionsprodukte berücksichtigt wurden. Wenn Kohle verbrennt, entsteht Kohlenstoffdioxid (Gas). Auch dieses hat eine Masse. Wenn Eisenwolle erhitzt wird, verbindet sie sich mit dem Sauerstoff der sie umgebenden Luft. Auch der Sauerstoff hat eine Masse. Wenn man diese Reaktionen in einem abgeschlossenen Gefäß durchführt, wird man feststellen, dass die Masse des Gefäßes konstant bleibt.
Dieser Artikel basiert auf dem Artikel Massenerhaltungssatz aus der freien Enzyklopädie Wikipedia und steht unter der GNU-Lizenz für freie Dokumentation. In der Wikipedia ist eine Liste der Autoren verfügbar.
Jedes Atom hat eine Masse. Die Atome jedes Elements haben eine ganz spezifische Masse, die immer gleich ist.
Bei einer chemischen Reaktion bestehen also die Ausgangsstoffe aus den gleichen Atomen wie die Reaktionsprodukte.
Das bedeutet auch, dass alle Ausgangsstoffe zusammen die gleiche Masse haben wie alle Reaktionsprodukte zusammen.
Beim Verbrennen wird die Kerze leichter, dies entspricht in der Regel auch den genannten Erwartungen. Was aber wird aus der fehlenden Masse? Haben die Schülerinnen und Schüler bei den davor durchgeführten Experimenten mit der Kerze genau aufgepasst, dann vermuten sie, dass beim Verbrennen von Wachsdampf zunächst Ruß entsteht, der in der leuchtenden Zone zu Kohlenstoffdioxid verbrennt.
Dieses Gas kann durch das Absaugen mit einem Trichter und einer Wasserstrahlpumpe in eine Gaswaschflasche mit Kalkwasser geleitet werden, wobei eine Trübung auftritt. Doch wo kommt das Kohlenstoffdioxid normalerweise vor? Die Lehrkraft bläst ausgeatmete Luft aus der Lunge in einen Luftballon und lässt sie dann mit einem Glasröhrchen durch Kalkwasser in einem Reagenzglas strömen. Das Kalkwasser trübt sich ebenfalls.
Im Anschluss daran wird gezeigt, dass das Verbrennungsgas der Kerze eine feststellbare Masse besitzt. Man füllt Seifenblasen mit Kohlenstoffdioxid aus der Gasflasche und lässt diese an den Boden fallen. Mit etwas Fingerspitzengefühl gelingt eine weitere, wunderschöne Demonstration: Ein Behälter aus Glas oder aus Plexiglas, beispielsweise ein kleineres Aquarium, wird mit einer Glasplatte abgedeckt. Dann füllt man mit einem Schlauch vorsichtig Kohlenstoffdioxid aus der Gasflasche in den Behälter bis er ganz voll gefüllt ist. Nun zieht man die Glasplatte vorsichtig ab und stellt Seifenblasen aus Luft her, die in den Behälter „gelegt“ werden. Die Seifenblasen schwimmen wie von Zauberhand abgebremst auf dem unsichtbaren (schwereren) Kohlenstoffdioxid. Der Versuch gelingt nur, wenn im Raum keine Luftbewegungen vorhanden sind: Türen und Fenster geschlossen halten! Raumlüftung ausschalten! Die Demonstration verdeutlicht, dass das Kohlenstoffdioxid schwerer als Luft ist und eine Masse besitzt.
Film
Taucht man eine Kerze in den Behälter, geht sie aus. Der gleiche Effekt kann auch dadurch verdeutlicht werden, in dem man mehrere Kerzen auf unterschiedlich hohen Treppenstufen in den mit Luft gefüllten Behälter stellt und danach das Kohlenstoffdioxid einleitet.
Film
Möglicher Erklärungsversuch: Beim Verbrennen von Kerzenwachs entsteht als Verbrennungsgas Kohlenstoffdioxid, das eine feststellbare Masse besitzt und die Verbrennung nicht mehr unterhält. Wir vermuten, dass der Hauptanteil der beim Verbrennen der Kerze „verlorenen“ Masse in dem Kohlenstoffdioxid vorhanden ist.
Demonstration 2 Dichtebestimmung mit Gaswägekugel und Kolbenprober
Sicherheit: Bei Versuchen mit einem Vakuum müssen alle Beteiligten eine Schutzbrille tragen. Die ausführende Person trägt zusätzlich Schutzhandschuhe. Bei einer Implosion besteht Splittergefahr!
Hat man eine 100ml-Gaswägekugel zur Verfügung, pumpt man mit einer Handpumpe nicht mehr als 500 mbar aus der Kugel und wiegt diese dann auf 0,001 g genau. Bei einer 250ml-Gaswägekugel dürfen bei der Verwendung eines 100ml-Kolbenprobers nicht mehr als 200 mbar abgesaugt werden! Die Wägung erfolgt stets auf einem dicken Korkring, damit ein gewisser Abstand von der Kugel zur Wägeschale gewährleistet ist. Die Kugel darf nicht angefasst werden, weil jede zugeführte Wärme die Messung massiv beeinflusst.
Dann verbindet man die Kugel über ein kurzes Siliconschlauchstück mit einem Kolbenprober mit Hahn, der 100 ml des zu prüfenden Gases enthält. Durch vorsichtiges Öffnen der beiden Hähne gelangt das Gas in die Kugel, während man gleichzeitig das in die Gaswägekugel eingeströmte Gasvolumen durch die Volumenabnahme am Kolbenprober ablesen kann. Bei der erneuten Wägung ergibt sich eine Differenz. Auf diese Art und Weise lässt sich die Masse (und Dichte) von Luft und auch eines Gases wie Kohlenstoffdioxid annähernd genau bestimmen.
Hinweise: Viele Gaswägekugeln haben nur sehr ungenau das angegebene Volumen. Die Gasbestimmung funktioniert nur nach der oben beschriebenen Methode unter Zuhilfenahme eines Kolbenprobers. Die Messung gelingt auch mit einem gewöhnlichen Rundkolben, auf den ein durchbohrter Stopfen mit Hahn gesteckt wird. Hat man auch keinen Kolbenprober zur Verfügung, kann man in den evakuierten Rundkolben vorsichtig Wasser einströmen lassen. Das Wasservolumen entspricht dem abgepumpten Gasvolumen. Das Wasservolumen im Rundkolben lässt sich danach in einem 100ml-Messzylinder relativ genau messen.
Demonstration 3 Streichhölzer verbrennen in offenem und geschlossenem System
Achtung: Diese Demonstration darf nur mit Reagenzgläsern aus Quarzglas und mit Schutzbrille durchgeführt werden. In einem bekannten Fall verlor eine Lehrerin ihr Augenlicht, weil das Reagenzglas platzte! Der Ballon wird vor der Durchführung des Versuchs zur Dehnung mehrmals aufgeblasen und wieder entspannt. Für exaktere Ergebnisse verwendet man zwei ineinander gestülpte Ballons.
Stülpt man den Luftballon über ein Reagenzglas, in dem sich drei Streichhölzer befinden, dann lassen sich die Verbrennungsgase beim Abbrennen der Streichhölzer auffangen und mit einer Präzisionswaage wiegen. Der Versuch wird zuerst ohne Ballon vorgeführt. Man wiegt das Reagenzglas mit den Streichhölzern vor und nach dem Abrennen der Streichhölzer. Mit einem Brenner erhitzt man das Reagenzglas, bis die Streichhölzer zünden.
Dann wird der Ballon auf das Reagenzglas gestülpt, so dass es dicht verschlossen ist. Wieder äußern die Schüler Vermutungen, was passieren wird, wenn jetzt Wägungen erfolgen. Wie ändert sich die Masse, wenn die Streichhölzer im Reagenzglas ohne Ballon gezündet werden und wie mit Ballon?
Die Ergebnisse werden diskutiert und auf mögliche Fehlerquellen untersucht. Auch wenn das geschlossene System mit Ballon nach der chemischen Reaktion seine Masse deutlich besser erhält, als das System ohne Ballon, kann es sein, dass die Waage trotz des scheinbar geschlossenen Systems immer noch eine geringere Masse anzeigt. Wo liegen die möglichen Fehler?
Der Ballon ist eventuell nicht hundertprozentig dicht, Gase können durch Kunststoffe diffundieren.
Das entstehende Gas ist sehr warm und könnte einen Auftrieb durch Wärme erzeugen.
Ist das Reagenzglas vorher fettig oder feucht, verdampft durch das Erhitzen die Feuchtigkeit oder das Fett. Dies führt ebenfalls zu einer Massenabnahme.
Ausblick: Die genauen Vorgänge bei einer Verbrennung werden erst beim Thema Oxidation behandelt. Die Fragestellung, was mit der Masse passiert, wird dort nochmals aufgegriffen. Führt man das Gesetz der konstanten Massenverhältnisse nach Proust und das Volumengesetz von Gay-Lussac mit Hilfe von Knallgasreaktionen im Eudiometer ein, dann sollte das Gesetz der Massenerhaltung auf jeden Fall bekannt sein.