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Die Chemie-Schule

Thema: Modellvorstellungen

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6. Atome und Moleküle

Vom Atom zum Molekül

Nach Dalton besteht jeder Stoff aus ungeheuer kleinen Teilchen, die er wie Demokrit als Atome bezeichnete. Einzelne Atome kommen in der Natur nur sehr selten vor, denn meistens verbinden sich verschiedene oder gleiche Atome zu einem Verband, den man in der Chemie als Molekül bezeichnet. Beispielsweise wird ein Molekül des Gases Sauerstoff von zwei Sauerstoffatomen gebildet. Methan ist ein Bestandteil von Erdgas und besteht immer aus vier Wasserstoffatomen und einem Kohlenstoffatom, also aus fünf Atomen.

 
Der Durchmesser eines Atoms wird in der Einheit Nanometer (nm) angegeben
 
1 nm = 0,000 000 001 m

Größe und Masse der Atome und Moleküle

Atome unterscheiden sich in ihrer Größe und Masse, die beide unvorstellbar klein sind. Der Durchmesser eines Atoms bertägt nur wenige Nanometer (nm). 1 nm = 10-9 m = 0,000 000 001 m. Entsprechend gering ist die Masse eines Atoms. Beispielsweise hat ein Wasserstoffatom die Masse
0,000 000 000 000 000 000 001 673 mg = 1,673 · 10-21 mg.

Veranschaulichung des Atomdurchmessers
Bild 1. Veranschaulichung des Atomdurchmessers
 
Die atomare Masseneinheit u ist der zwölfte Teil der Masse eines Kohlenstoffatoms
 
Moleküle bestehen aus zwei oder mehreren miteinander verbundenen Atomen

Solche Zahlen kann man sich nicht mehr vorstellen. Schon kleine Stoffmengen bestehen aus einer unvorstellbaren Zahl von Atomen vorhanden. Die Masse eines Moleküls ergibt sich aus der Summe der Massen der im Molekül vorhandenen Atome. Würde man die Atom- und Molekülmassen in der Einheit Gramm oder Milligramm angeben, so würden bereits einfache Berechnungen die tägliche Arbeit von Chemikern und Chemikerinnen erschweren. Daher hat man eine sehr kleine Masseneinheit geschaffen, die man als atomare Masseneinheit u bezeichnet. 1 u ist der zwölfte Teil der Masse eines Kohlenstoffatoms.

Die Angabe der Masse in u hat den Vorteil, dass das Wasserstoffatom, das das leichteste Atom ist, recht genau die Masse 1 u hat und man somit die Massen aller anderen Atome gut miteinander vergleichen kann. Beispielsweise ist ein Schwefelatom mit der Masse 32 u doppelt so schwer wie ein Sauerstoffatom. Darüberhinaus kann man mit solchen zahlen sehr leicht rechnen.

Masse eines Wasserstoffatoms: 1 u
Masse eines Kohlenstoffatoms: 12 u
Masse eines Eisenatoms: 56 u
Atom- bzw. Molekülmassen in g und u
Atom-
bzw. Molekül-
masse
in g in u
für Sauerstoff 16 · 1,660 · 10-24 16
für Kohlenstoff 12 · 1,660 · 10-24 12
für Methan 16 · 1,660 · 10-24 16

Den Zahlenwert für eine Atommasse in der Einheit u nennt man relative Atommasse und den Zahlenwert für eine Molekülmasse in der Einheit u relative Molekülmasse. Mit relativen relativen Atom- oder Molekülmassen kann man Massen unterschiedlicher Atome oder Moleküle miteinander vergleichen, worauf es in der Chemie bei der täglichen Arbeit ankommt. Die Werte findet man in Atommassentabellen.

 
1 Mol ist die Menge eines Stoffes von 6,023 · 1023 Teilchen

Das Mol

Im Alltagsleben gibt man bestimmte Stoffportionen meist in der Masseneinheit Gramm oder in ihrer Menge an (Stückzahl). Es gibt verschiedene Masseneinheiten und verschiedene Mengeneinheiten, etwa Stück, Dutzend (12 Stück), Gros (144 Stück) beziehungsweise Kilogramm, Gramm oder Karat (=0,200 g)

Auch in der Chemie können Stoffportionen entweder in Masseneinheiten (z.B. g oder u) oder in Mengeneinheiten angegeben werden. Eine praktische Einheit der Stoffmenge ist das Mol (Kurzzeichen: mol), mit der Chemiker und Chemikerinnen sehr praktisch arbeiten können. Ein Mol die Anzahl von Teilchen, die in 12 g Kohlenstoff enthalten sind. Mit verschiedenen Methoden konnte man diese Anzahl bestimmen. Sie beläuft sich auf 6,023 · 1023 Teilchen.

Hilfsvorstellung
Bild 2. Angenommener Ersatz der Masseneinheit Gramm (Kilogramm) durch eine gedachte Babyeinheit (B). 1 Babyeinheit = 7kg
 
Absolute Atom- und Molekülmasse sind Zahlenwerte für die Atom- bzw. Molekülmasse in der Masseneinheit u
 
Wieviel mol Wasser enthält 1 Liter Wasser (=1 kg Wasser)? Wieviele Teilchen sind dies?
 
Wie geht man vor, wenn man gleich viele Teilchen Schwefel und Eisen miteinander mischen will?

1 mol Eisen besteht also aus 6,023 · 1023 Eisenteilchen, ebenso wie z.B 1 mol Wasserstoff oder 1 mol Sauerstoff aus ebenfalls 6,023 · 1023 Wasserstoff- bzw. Sauerstoffteilchen bestehen.

Manchmal fragt man sich, ob es zwischen der Mengeneinheit »Mol« und der Masseneinheit »Gramm« eine Verbindung gibt. Für Kohlenstoff gilt beispielsweise, dass 12 g Kohlenstoff aus 6,023 · 1023 Teilchen bestehen. Doch welche Masse haben 1 mol Eisen oder 1 mol Sauerstoff ? Hier kommt eine Atommassentabelle zum Einsatz, aus der man ablesen kann, dass die Masse eines Wasserstoffatoms 1 u beträgt, eines Kohlenstoffatoms 12 u und eines Eisenatoms 56 u.

Somit sind in 100 u Wasserstoff genausoviele Teilchen enthalten wie in 1200 u Kohlenstoff oder in 5600 u Eisen, nämlich 100 Stück. Daraus kann man folgern, dass sichsich in 1 g Wasserstoff oder in 56 g Eisen genausoviele Teilchen wie in 12 g Kohlenstoff, nämlich genau 6,023 · 1023 Teilchen befinden.

Bei der täglichen Arbeit in der Chemie haben sich diese Überlegungen als sehr hilfreich erwiesen, denn um die 1 Mol eines Elementes oder einer Verbindung zu erhalten, müssen muß man nun keine Atome zählen, sondern man führt eine Wägung durch. 1 mol Eisen entspricht also 56 g Eisen. Die Masse von 1 mol eines Stoffes nennt man molare Masse oder Molmasse.

465 mal Erde - Sonne und zurück
Bild 4. Ein Eisenwürfel mit einer Kantenlänge von knapp 2 cm enthält 1 Mol Eisenatome. Ein Eisenatom hat einen Radius von 0,116 nm. Könnte man die Atome dieses Würfels nebeneinander aufreihen, dann erhielte man eine Kette aus Eisenatomen, die 465 mal von der Erde zur Sonne und zurück gespannt werden könnte.