Mol: die Einheit der Stoffmenge

Die physikalische Größe der Stoffmenge mit dem Formelzeichen n ist eine Basisgröße im Internationalen Einheitensystem (SI). Mit Hilfe der Stoffmenge kann man ermitteln, wie viele Teilchen sich in einer vorliegenden Substanz befinden.

Arbeitsmittel

Eine neue Einheit stellt sich vor

Aus einer Reaktionsgleichung kann man das vorliegende Teilchenverhältnis der beteiligten Substanzen herauslesen. Beispielsweise werden bei der Synthese von Ammoniak (NH3) dreimal so viele Moleküle Wasserstoff (H2) wie Stickstoff (N2) benötigt.

Stickstoff und Wasserstoff reagieren im Verhältnis 1:3.

Atome sind so klein, dass man sie nicht einzeln zählen kann. Daher hat man Anfang des 20. Jahrhunderts in der Chemie eine neue Einheit eingeführt, die es ermöglicht, von gut vorstellbaren „Packungen” zu sprechen. Ähnliche Bezeichnungen kennst du bestimmt auch aus dem Alltag. Zwei zusammengehörige Dinge werden als Paar bezeichnet (z. B. ein Paar Socken), 12 Stück sind ein Dutzend (z. B. ein Dutzend Eier). Ähnlich geht man in der Chemie vor. Hier wird eine bestimmte Menge an Atomen zu einer Mengeneinheit, dem Mol, zusammengefasst.

Das Zusammenfassen in bestimmte Packungsgrößen erleichtert den Alltag und das Arbeiten in der Chemie.
Bezeichnung Menge
1 Paar 2 Stück
1 Dutzend 12 Stück
1 Mol 6,02 ∙ 10$$^{23}$$ Teilchen

Ein Mol eines Stoffes beinhaltet 6,02 ∙ 10$$^{23}$$ Teilchen, das sind 600 000 000 000 000 000 000 000 bzw. 600 Trilliarden Teilchen.

Die physikalische Größe der Einheit mol bezeichnet man als Stoffmenge. Die Teilchenzahl für ein Mol wurde experimentell ermittelt und wird auch als Avogadro-Zahl N$$_A$$ bezeichnet.

Die Stoffmenge …
… und ihre Einheit mol.

Eine Reaktionsgleichung kann auch mit Hilfe der Stoffmenge gelesen werden. Bei chemischen Reaktionen reagieren Teilchen immer in einem bestimmten Stoffmengenverhältnis miteinander. Bei der Ammoniaksynthese reagieren …

… 3 mol Wasserstoff mit 1 mol Stickstoff zu 2 mol Ammoniak.

Wie man im Beispiel der Ammoniaksynthese sieht, bezieht sich die Stoffmenge immer auf die Anzahl der vorliegenden Teilchen. Diese können unterschiedlich sein: man kann damit einzelne Atome oder Verbindungen meinen.

Gleich viele, aber nicht gleich schwer

Eine wichtige Tätigkeit, um Mengen im Labor zu bestimmen, ist das Wiegen. Deshalb wurde die Stoffmenge so festgelegt, dass es einen klaren Zusammenhang mit der Masse der vorliegenden Atome oder Verbindungen gibt. Im Periodensystem kann man die experimentell ermittelte Atommasse ablesen. Die Einheit dazu ist g/mol [Gramm pro Mol]. Da man sich dabei immer auf die gleiche Anzahl an Teilchen bezieht (pro Mol), spricht man von der molaren Masse: man vergleicht immer die gleiche Anzahl an Teilchen, die Masse ist aber unterschiedlich.

Die molare Masse

Beispielsweise wiegt 1 mol (also 6,02 ∙ 10$$^{23}$$) Helium-Atome ca. 4 g. 1 mol (also 6,02 ∙ 10$$^{23}$$) Kohlenstoff-Atome wiegt hingegen ca. 12 g. Die Information über die Masse von 1 mol eines Elements kann man auch im Periodensystem der Elemente ablesen.

1 mol Helium hat eine molare Masse von 4,00 g.
1 mol Kohlenstoff hat eine molare Masse von 12,01 g.

D. h. vergleicht man jeweils 1 mol unterschiedlicher Stoffe, dann unterscheiden sich diese in Masse und Volumen – die Anzahl der Teilchen ist aber gleich. Um die molare Masse einer Verbindung zu ermitteln, muss man die molaren Massen der beteiligten Elemente addieren. Beispielsweise liegt bei Wasser (H2O) eine molare Masse von 18,02 g/mol vor.

Bei jedem dieser Stoffe liegt 1 mol vor. Finde heraus, wie viel sie wiegen!

Über die Masse lassen sich auch Rückschlüsse auf die Anzahl der beteiligten Atome ziehen. Hat man 12 g Kohlenstoff (z. B. als Grafit) vorliegen, befinden sich darin ca. 6,02 ∙ 10$$^{23}$$ Atome. In 6 g Kohlenstoff liegen 3,01 ∙ 10$$^{23}$$ Atome vor.

Eine Reaktion genauer betrachten

Wenn man die Reaktionsgleichung einer Reaktion und die Stoffmenge einer beteiligten Substanz kennt, kann man Aussagen über die anderen, an der Reaktion beteiligten, Stoffe machen.

Betrachten wir dazu ein Beispiel genauer: Verbrennt man ein Magnesiumband in Kohlenstoffdioxid (CO$$_2$$), entstehen Kohlenstoff und Magnesiumoxid (MgO). Das verwendete Magnesiumband kann man vor der Reaktion abwiegen. Die dadurch bekannte Masse von Magnesium ermöglicht, dass man Aussagen zur Reaktion treffen kann.

Kohlenstoffdioxid reagiert mit Magnesium…
… zu Magnesiumoxid und Kohlenstoff.

In folgende Übersicht kannst du die Masse an Magnesium eingeben. Daraus kann ermittelt werden, wie viele CO$$_2$$-Moleküle für die Reaktion benötigt werden und wie viele Teilchen bei der Reaktion entstehen.

CO2 + 2 Mg C + 2 MgO
vorliegende Masse 1 g 1 1
vorliegende Teilchen 3 ⋅ 1023 6 ⋅ 1023 3 ⋅ 1023 6 ⋅ 1023

Beispielsweise kann man ablesen, dass bei der Reaktion doppelt so viele Teilchen Mg wie CO2 beteiligt sind. Bei der Reaktion entstehen so viele Kohlenstoff-Atome, wie CO2-Moleküle am Beginn der Reaktion vorliegen.

17. Mol: die Einheit der Stoffmenge
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