Wir kennen 92 natürlich vorkommende Atomsorten, die sich in unterschiedlichen, jedoch ganz bestimmten Massenverhältnissen miteinander verbinden und so sämtliche Materie und alle Stoffe bilden. Untersucht man den Stoff Wasser, so kommt man zu dem Schluss, dass die kleinste Baueinheit des Wassers, auch Wasser-Molekül genannt, aus zwei Wasserstoffatomen und einem Sauerstoff-Atom besteht. Dabei sind die drei Atome, aus denen ein Wasser-Molekül aufgebaut ist, über chemische Bindungen miteinander verknüpft. Aus den Summenformel H2O ist ersichtlich, dass im Wasser-Molekül Wasserstoff- und Sauerstoffatome im Verhältnis 2:1 vorkommen und das ist beim Wasser immer so. Doch wie viel Masse hat nun ein einzelnes Wasser-Molekül? Wie viel bringt es auf die Waage?
Atommasse und Molekülgewicht von Wasser
Um das Gewicht eines Wasser-Teilchens zu ermitteln, muss man die Atomgewichte aller an der Verbindung beteiligten Atome addieren. Die Atomgewichte entnimmt man dem Periodensystem der Elemente, dort wo alle Atomsorten nach Masse und chemischer Verwandtschaft in Gruppen und Perioden angeordnet sind. Atomgewichte werden in u (unit) angegeben. Zur Berechnung des Molekülgewichts von Wasser addiert man das Atomgewicht des beteiligten Sauerstoffs, welches gerundet 16 u beträgt, und zählt dann das Atomgewicht der zwei Wasserstoffatome, sie wiegen jeweils 1 u, hinzu. So kommt man zu dem Ergebnis: Ein Wasser-Molekül wiegt 18 u. Wollten wir nun ein Wasser-Molekül im Labor abwiegen, so hätten wir ein Problem, denn 18 u sind in Gramm ausgedrückt eine Zahl mit 23 Nullen hinter dem Komma. Diese kleine Masse kann man mit keiner Waage messen!
Die Stoffmenge in der Chemie: Was ist ein Mol?
Die Einheit „Mol“ wurde erfunden, um die Handhabung von Stoffmengen im Labor zu vereinfachen. Ein Mol enthält immer die gleiche Teilchenzahl, nämlich rund 6 mal 10²³ Teilchen. So wie in einem Dutzend immer 12 Stück enthalten sind und ein Paar aus zwei Stücken besteht, so ist auch das Mol eine konstante Menge, also eine Zahl. Ein Mol Wasser bedeutet, es handelt sich um eine Stoffportion, die aus 6 mal 10²³ Wasser-Molekülen besteht. Das sind ziemlich viele Wasser-Moleküle und die kann der Chemiker abwiegen, denn er kommt nun angesichts der großen Teichenzahl in den wägbaren Bereich. In der Chemie wird der Stoffmenge der Buchstabe n zugeordnet. Die Einheit der Stoffmenge ist mol.
Molgewicht: Berechnung molarer Massen
Die molare Masse ist die auf 1 Mol Stoff bezogene Masse. Anders ausgedrückt, wir fragen uns: Wie viel wiegt 1 Mol des betrachteten Stoffs in Gramm? Zur Berechnung der molaren Masse müssen wir lediglich gemäß dem obigen Beispiel das Molekülgewicht aus den Atommassen ermitteln und dann dieselbe Zahl in Gramm hinschreiben. So wiegt ein Wasser-Molekül 18 u (siehe Absatz 1), entsprechend wiegen 1 Mol Wasser-Moleküle 18 g. Wiege ich 18 g Wasser ab, dann habe ich genau 6 * 10²³ Wasser-Teilchen vorliegen. Die Beziehungen zwischen der Molaren Masse M (Einheit: g/mol), der Stoffportion m (Einheit: g) und der Stoffmenge n (Einheit: mol) lauten wie folgt:
M = m/n
Durch Umformen der Gleichung kann man nun aus der Stoffportion (eine bestimmte Masse Stoff) die Stoffmenge (Mol) ermitteln oder aus einer gegebenen Molzahl die Masse der Stoffportion ausrechnen.
n = m/M
und
m = M x n
Diese Formel ist für eine Vielzahl von Berechnungen in der Chemie wichtig. Zur Ermittlung der Molaren Massen (M) benötigt man lediglich das Periodensystem.
Beispiel: Rechnen mit Stoffmenge und Masse
a) Wie groß ist die Stoffmenge einer Stoffportion von Schwefel mit der Masse 64 g?
Lösung:
Dem Periodensystem entnehmen wir: Schwefel hat die molare Masse von 32 g/mol.
Einsetzten in die Formel:
n = 64/32 = 2 mol
Antwort: Eine Portion von 64 g Schwefel enthält die Stoffmenge 2 mol.
b) Wir benötigen im Labor für eine chemische Reaktion 3 mol Natrium. Welche Masse muss man einwiegen?
Natrium hat eine molare Masse von 23 g/mol.
Einsetzten in die Formel:
M = 23 x 3 = 69 g
Antwort: Die Stoffmenge von 3 mol Natrium entspricht einer Stoffportion von 69 g.
Bei den Rechnungen wurden die Atomgewichte der Einfachheit halber gerundet.