Stöchiometrie – die molare Masse (M)

Zum Verständnis solltest Du Dich unbedingt vorher mit der Avogadrokonstante
beschäftigt haben und wissen, was sie Stoffmenge (n) ist.

Dank Herrn Loschmidt wissen wir :
„22,4 Liter Gas enthalten  immer ein Mol dieser gasförmigen Substanz.“
So ergibt sich die Frage, nach einer Sammlung dieser Informationen.
Jemand müsste die Substanzen der Welt verdampfen und 22,4 Liter der idealen Gase wiegen.

Diese Masse eines Mols einer Substanz nennt man die molare Masse M [g/mol]

Man findet diese Angabe für alle Elemente als relative Atommasse im PSE!
1  mol   Stickstoffatome [ 7N ] wiegen also 14,007 g
(Uns reicht die gerundete Zahl ohne Kommastellen zum Rechnen)

Für alle wichtigen Verbindungen kann man die Molare Masse im Tafelwerk nachschauen!
Die molaren Massen aller weiteren Substanzen muss man errechnen:

Die Formel der Stoffe ist dafür die Berechnungsvorschrift:

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Stöchiometrie – die Avogadro Konstante

Bild von scott payne auf Pixabay

Schäfer haben mit der Erfahrung vieler Berufsjahre die Fähigkeit durch Clusterzählung ihre Herde auf „Vollzähligkeit“ zu prüfen. Bei Zählungen von bis zu 10.000 Tiere  umfassenden Herden in Afrika nutzt man Hubschrauber und erfahrene „Zähler“ oder man fotografiert die Tiere und zählt anschließend am PC…

Man zählt hier also keine Einzelbestandteile, sondern fasst „kleinere Gruppen“ (Cluster) zusammen!

So ähnlich funktioniert das auch in der Chemie…

Aber mal von vorn…

Alle Gase enthalten bei gleichen Bedingungen in einem Volumen  dieselbe  Anzahl Teilchen.

Diese Erkenntnis verdanken wir Graf Amadeo Avogadro(1776–1856).

Das leichteste Gas ist Wasserstoff!

Stellt man also einem Liter Wasserstoff (0,089g) einen
Liter Sauerstoff (1,429g) gegenüber, so findet man …

$$ \frac{mO}{mH} = \frac{1,429g}{0,089g} = 16,056 $$

Das Sauerstoffteilchen ist 16– mal so schwer wie ein Wasserstoffteilchen.

Später wurden diese Verhältnisse noch genauer bestimmt und heute weiß man
Wasserstoff– und Sauerstoffteilchen stehen im Verhältnis von 1,008 zu 15,999!

Wendet man dieses Verfahren auf alle verdampften Elemente an, so erhält man eine
Tabelle mit den Atom–Masseverhältnissen, wie im PSE zu sehen (relative Atommasse).

Ein gewisser Herr Josef Loschmidt (1821–1895) fand außerdem heraus, dass Wasserstoff (H2) bei 2g Masse aus genau 6,02214076 ×1023 Teilchen (hier Molekülen) besteht! Diese Vergleichsgröße ist in der Chemie unsere Clusterzahl … wir zählen Stoffe in  „mol“, also in 602.214.076.000.000.000.000.000 Teilchen
(»6,022 ×1023), der sogenannten Stoffmenge n.

Weil niemand diese Zahl gern ständig schreibt,
nennt man diese Anzahl Teilchen die
Stoffmenge „ein Mol“!

Uns reicht eine Angabegenauigkeit von 6 ×1023.

1  mol Wasserstoff        1 mol    H2                        enthält      6 ×1023          Teilchen

6 mol Argon                    6 mol  Ar                        enthalten 6 × 6 ×1023           Teilchen

20 mol Eisenoxid            20 mol   Fe                enthalten  20 × 6 ×1023          Teilchen

4,5 mol Kohlendioxid    4,5 mol   CO2                enthalten  4,5 x 6 ×1023           Teilchen

Teilchen heißt.. bei Metallen – Atome, beim Wasserstoff – Moleküle und in einer Verbindung wie Kochsalz (NaCl) – Formeleinheiten

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Die Nichtmetalle

Betrachten wir die „andere“ Seite des PSE. Hier finden wir die Elemente „rechts“ der Bor-Astat-Linie.
Die Nichtmetalle sind Atomarten, die Elementsubstanzen aufbauen, die immer etwas „nicht metallisches“ an sich haben. So sind einige gasförmig bei Raumtemperatur oder sie leiten keinen elektrischen Strom, glänzen nicht oder sind schlechte Wärmeleiter. Irgendwas fehlt immer …

Einige Beispiele:

Eigenschaften / VerwendungenKohlenstoffSchwefelPhosphorStickstoff
lateinischer Name/ NamensbedeutungCarboneum /
Holzkohle		Sulfur /
langsam brennen,
schwelen		Phosphorus /lichttragend, leuchtendNitrogenium/
salpeterbildend
Bau –
Struktur der Modifikationen		Riesenmoleküle
Graphit– geschichtet


Diamant – Tetraedrisch dicht gepackter Kristall
8-atomige
räumlich
orientierte
Moleküle


Moleküle
weiß
– tetraedrisch
4-atomige Moleküle


rot/schwarz – gewellte Doppelschichten
2-atomige
Moleküle

Dichte (g/cm³)2.2672.071.821.251
Schmelztemperatur (°C)355011544.2-210.1
Siedetemperatur (°C)4827444.6280-196
Löslichkeit in WasserUnlöslich in WasserUnlöslich in Wasser,Unlöslich in Wasser, Unlöslich in Wasser,
FarbeSchwarz, farblosGelbWeiß, rot, schwarzFarblos
Glanz Diamant – lichtbrechend
Graphit – grau glänzend		 nein nein nein
Geruchgeruchlosgeruchlosgeruchlosgeruchlos
Brennbarkeit
an der Luft		nicht brennbarbrennbarbrennbarnicht brennbar
elektrische LeitfähigkeitGraphit – ja
Diamant – nein		neinneinnein
Verformbarkeit in der Kälte neinnein nein ja (gasförmig)
Verwendung Schmuck (Diamant), Elektroden(Graphit), Kohlenstofffasern
Bohr– und Schneidwerkzeuge (Diamant)		Schwefelsäure- und Düngemittelherstellung, Düngemittel, Feuerwerkskörper, FlammenhemmerDüngemittel, Kühlmittel, Ammoniakherstellung
natürliches VorkommenDiamanten- vulkanische Schlote und in Vergesellschaftung mit dem Mineral Kimberlit
(Südafrika)		weltweit
1500 Fundorte
(Polen, Sizilien,…)		weltweit in Form von Mineralien
(Phosphate)		78,1% der Luft

Diese Atomarten bilden individuelle Elementsubstanzen von großer natürlicher, biologischer und technischer Bedeutung !

Beitrag: Kohlenstoff

Beitrag: Schwefel

Beitrag: Wasserstoff

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Beitrag: Phosphor

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Legierungen

…sind Gemische aus 2 oder mehreren Elementen, von denen mindestens eines ein Metall ist.

Arbeitsblatt Legierungen

Bronze

Bild von Thanasis Papazacharias auf Pixabay

Die wohl erste bewusst hergestellte und eingesetzte Legierung war Bronze, ein Gemisch aus Kupfer und Zinn.

Bronze ist härter als die beiden Einzelmetalle und kann je nach Kupferanteil von rotbraun bis rotsilbrig gefärbt sein. Damit eröffnete sich die Möglichkeit Schnittwerkzeuge, Alltagsgegenstände und Schmuck von großer Schönheit und Beständigkeit herzustellen.

Die Hochzeit der Benutzung dieser Legierung liegt mehr als 3000 Jahre zurück. Sie wurde die Bronzezeit genannt. In Mitteleuropa war das 2200 Jahre bis 800 vor dem Beginn unserer Zeitrechnung .

Bild von Lathish MV auf Pixabay

Gelangt kein Wasser an die Bronze, so überzieht eine dünne Schicht aus farblosem bis schwarzem Rost die gesamte Figur.

Bild von Couleur auf Pixabay

Wasser jedoch sorgt für die Bildung von weiteren nicht farblosen Substanzen und die bilden eine farbige Schicht (Patina) aus.

Messing – (Steckbrief im Video)

Kupfer färbt auch diese Legierung so charakteristisch. Hier sind goldfarbene Materialen gefragt und beliebt. Allerdings nicht immer bei Leuten, die es ehrlich mit uns meinen. So findet man immer wieder Schmuckstücke, die als „Gold“ angepriesen werden. Dieser Effekt ist jedoch nicht von Dauer und so färbt sich das gute Stück schon nach wenigen Wochen oder Monaten schwarz. Es rostet. Und das tut Gold nicht!

Messing ist eine meist goldfarbene Legierung aus Kupfer und Zink.

Bild von Christoph Schütz auf Pixabay
Bild von pasja1000 auf Pixabay
Bild von Steve Buissinne auf Pixabay

Wer mehr wissen will… Video – Begriffserweiterung

Eisenlegierungen – Stahl

Die ersten Eisenlegierung – so zeigen die frühesten Funde- enthielten immer wieder Nickel als 2. Komponente. So kann davon ausgegangen werden, dass die Menschen diesen metallischen Werkstoff an der Erdoberfläche fanden und formten. Die Sumerer – ein frühes Handelsvolk aus dem Mittelmeerraum- nannten das Eisen das „Himmelsmetall“.

https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/2/24/Iron_sickle%2C_torc_and_adze.JPG

Erst die selbst gewonnenen Eisenlegierungen sind Stähle, da sie durch die Verwendung von mit Kohle und Holz betriebenen Öfen das Element Kohlenstoff in das Eisen einschleusten. Eine Legierung aus zumindest Eisen und Kohlenstoff heißt Stahl.

Bild von Pexels auf Pixabay

Über die Stahlherstellung erfahren wir an anderer Stelle mehr … Hier!

Eine Liste von Legierung findest du bei:

https://www.chemie-schule.de/KnowHow/Liste_der_Legierungen
(entspricht der Wikipedia -Liste)

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Eigenschaften der Metalle

Durch die räumliche Anordnung der Atome der Metalle in einem stabilen Gitter , kommt es zu einem Besonderen Verhältnis zwischen den positiv geladenen Atomrümpfen (Atome ohne Außenelektronen) und der großen Anzahl Elektronen (Außenelektronen ) die sich um einen – im Gitter – liegenden Metallatomrumpf befinden.

Der Atomrumpf wird von den Elektronen praktisch umflossen. Und das in 6 Richtungen
(oben, unten, vorn, hinten, rechts und links).

Die Menge der frei beweglichen Außenelektronen wird in der Chemie als „Elektronengas“ bezeichnet.

Und dieses System ist in Bewegung. Je wärmer ein Metall ist, desto stärker schwingen die Rümpfe und die Elektronen sind nicht mehr zu einem Rumpf zuzuordnen. Bringt man das Metall zur „Weißglut“ so sind die Bewegungen bei dieser Temperatur so stark, dass die Elektronen ihre Bahnen verlassen. Das sehen wir als Licht. So entsteht durch die Menge an Elektronen der Eindruck des Glühens.

An der Oberfläche eines Metalles erzeugen die sich bewegenden Elektronen einen winzigen Lichtimpuls, der in den oberen Schichten des Metalls reflektiert wird. Dieses Licht erscheint uns als Glanz.

Elektrisch leitfähig bedeutet, Ladungen müssen transportiert werden. Wo, wenn nicht hier wäre das möglich?
Viele, viele frei bewegliche Elektronen in diesem Gitter und das schon bei Raumtemperatur.

Die Elektronen fließen praktisch durch das Metallgitter.

Die Wärmeleitfähigkeit ist die Möglichkeit Energie also …“Schwingungen“ zu übertagen.
Das funktioniert in einem schwingenden Gitter von Atomrümpfen natürlich hervorragend.
So kann sich Wärme ausbreiten.

Die Verformbarkeit (Duktilität)

Teile eines Metallgitters können sich verschieben, ohne dass sich die Abstände zwischen den Atomrümpfen großartig ändern, oder es sogar zu Abstoßungskräften durch Annäherung von gleichen Ladungen kommt. Die Rümpfe gleiten aneinander vorbei.
Damit lassen sich Metalle biegen, pressen, walzen …

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