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Das Mol, die molare Masse und chemische Formeln

Atome sind viel zu klein, um sie einzeln zu zählen. Deshalb zählen Chemiker sie durch Wiegen. Atommassen werden in u angegeben; 1 u ist ein Zwölftel der Masse eines Kohlenstoff-12-Atoms. Ein Mol sind 6.022 × 10²³ Teilchen, und seine Masse in Gramm hat denselben Zahlenwert wie die Formelmasse in u. Mit dem Mol berechnen wir den Massenanteil jedes Elements in einer Verbindung und schließen von Prozentwerten zurück auf die Verhältnisformel und die Molekülformel.

🎬 Geschichte Schritt für Schritt

  1. Lege ein Kohlenstoff-12-Atom auf eine Waage. Es wiegt genau 12 u. Ein Zwölftel davon ist 1 u. Wasserstoff hat etwa 1 u und Sauerstoff etwa 16 u.
  2. Baue ein Wassermolekül: 2 Wasserstoffatome und 1 Sauerstoffatom. Addiere die Massen: 2 × 1 + 16 = 18 u.
  3. Ein Dutzend heißt 12 Stück. Ein Mol heißt 6.022 × 10²³ Stück. Ein Mol Wasser wiegt 18 g, also dieselbe Zahl wie 18 u, nur jetzt in Gramm.
  4. Teile 18 g Wasser in seine Bestandteile: 2 g Wasserstoff und 16 g Sauerstoff. In Prozent sind das 11.1 % und 88.9 %.
  5. Glucose ist C₆H₁₂O₆. Teilst du jede Zahl durch 6, erhältst du CH₂O. Dieses einfachste Verhältnis ist die Verhältnisformel; das echte Molekül ist das 6-Fache davon.
  6. Freies Spiel: Wähle einen Stoff und eine Masse. Beobachte, wie sich Stoffmenge und Teilchenzahl ändern. Jeder grüne Würfel steht für 0.25 mol.

Tipp: Zieh die 3D-Szene, um sie zu drehen. Mit zwei Fingern zoomst du.

🤔 Häufige Zweifel, geklärt

Warum wurde Kohlenstoff-12 als Standard gewählt?

Kohlenstoff-12 ist häufig, stabil und lässt sich mit Massenspektrometern sehr genau messen. Setzt man es auf genau 12 u, liegen die meisten anderen Atome nahe an ganzen Zahlen.

Was ist der Unterschied zwischen Molekülmasse und molarer Masse?

Die Molekülmasse ist die Masse eines Moleküls in u (Wasser 18 u). Die molare Masse ist die Masse von einem Mol in Gramm (Wasser 18 g). Dieselbe Zahl, aber andere Einheit und anderer Maßstab.

Warum ist 6.022 × 10²³ so eine seltsame Zahl?

Es ist die Anzahl der Kohlenstoff-12-Atome in genau 12 g. Man hat sie so gewählt, dass u-Werte und Gramm-Werte zusammenpassen. Seit 2019 ist sie exakt festgelegt.

Ergeben die Prozentwerte immer zusammen 100?

Ja, wenn du alle Elemente mitzählst. Fehlt etwas, ist der fehlende Teil meist Sauerstoff, den man oft über die Differenz bestimmt.

Können zwei verschiedene Verbindungen dieselbe Verhältnisformel haben?

Ja. Acetylen C₂H₂ und Benzol C₆H₆ sind beide CH. Um sie zu unterscheiden, brauchst du die molare Masse.

Hat 1 mol Wasser dieselbe Masse wie 1 mol Salz?

Nein. Beide haben 6.022 × 10²³ Teilchen, aber Wasser wiegt 18 g und NaCl 58.5 g. Wechsle im Freispiel den Stoff und vergleiche.

Atommasse und die atomare Masseneinheit

Ein einzelnes Atom ist viel zu leicht, um es in Gramm zu wiegen (ein Wasserstoffatom hat etwa 1.67 × 10⁻²⁴ g). Deshalb vergleichen wir Atome mit einem Standard: dem Kohlenstoff-12-Atom, dem wir die Masse von genau 12 u geben (u = atomare Masseneinheit, früher amu).

1 u = ein Zwölftel der Masse eines Kohlenstoff-12-Atoms = 1.66 × 10⁻²⁴ g.

Auf dieser Skala gilt H = 1.008 u, O = 16.00 u, Na = 23 u, Cl = 35.5 u.

Mittlere Atommasse

Die meisten Elemente sind ein Gemisch aus Isotopen (Atome desselben Elements mit unterschiedlicher Masse). Die Atommasse in der Tabelle ist ein gewichteter Mittelwert. Chlor: 75 % ³⁵Cl und 25 % ³⁷Cl → (0.75 × 35) + (0.25 × 37) = 35.5 u. Darum ist 35.5 keine ganze Zahl.

Molekülmasse und Formelmasse

Molekülmasse = Summe der Atommassen aller Atome in einem Molekül.

Ionenverbindungen wie NaCl bilden keine einzelnen Moleküle, sondern ein großes dreidimensionales Gitter aus Ionen. Für sie benutzen wir die Formelmasse: NaCl = 23 + 35.5 = 58.5 u.

Das Mol und die Avogadro-Konstante

Das Mol ist die SI-Einheit für die Stoffmenge. Ein Mol enthält genau 6.022 140 76 × 10²³ Teilchen (Atome, Moleküle, Ionen oder Elektronen). Diese Zahl heißt Avogadro-Konstante, NA.

Es ist nur ein Zählwort, wie Dutzend (12) oder Gros (144), aber riesig. 6.022 × 10²³ Sandkörner würden ganz Deutschland viele Kilometer hoch bedecken.

Sage immer, welches Teilchen gemeint ist: 1 mol O₂-Moleküle enthalten 2 mol O-Atome.

Molare Masse

Die molare Masse (M) ist die Masse von einem Mol eines Stoffes in Gramm. Ihr Zahlenwert ist derselbe wie bei der Atom-, Molekül- oder Formelmasse in u.

Die drei wichtigsten Formeln

n = m ÷ M (Stoffmenge = Masse ÷ molare Masse)
N = n × NA (Teilchenzahl = Stoffmenge × Avogadro-Konstante)
Bei einem Gas unter Standardbedingungen (273 K, 1 bar) nimmt ein Mol 22.7 L ein (22.4 L bei 1 atm, in älteren Büchern üblich).

Massenanteil (Prozentzusammensetzung)

Die Prozentzusammensetzung sagt, wie viel von jedem Element in 100 g einer Verbindung steckt. Man nutzt sie, um die Reinheit zu prüfen.

Massenanteil eines Elements in % = (Masse dieses Elements in 1 mol ÷ molare Masse) × 100

Wasser: H = (2 ÷ 18) × 100 = 11.11 %, O = (16 ÷ 18) × 100 = 88.89 %. Die Prozentwerte ergeben immer zusammen 100.

Ethanol C₂H₅OH (M = 46): C = 24/46 = 52.2 %, H = 6/46 = 13.0 %, O = 16/46 = 34.8 %.

Verhältnisformel und Molekülformel

Die Verhältnisformel (empirische Formel) gibt das einfachste ganzzahlige Verhältnis der Atome an. Die Molekülformel gibt die tatsächliche Zahl der Atome in einem Molekül an.

VerbindungMolekülformelVerhältnisformel
GlucoseC₆H₁₂O₆CH₂O
BenzolC₆H₆CH
WasserH₂OH₂O

Schritte: von Prozent zur Formel

  1. Nimm 100 g, dann wird jedes Prozent zu Gramm.
  2. Rechne Gramm in Mol um: teile durch die Atommasse.
  3. Teile alle Molwerte durch den kleinsten.
  4. Bei Werten wie 1.5 oder 1.33 multiplizierst du alles mit 2 oder 3, bis ganze Zahlen herauskommen. Das ist die Verhältnisformel.
  5. Bestimme n = molare Masse ÷ Masse der Verhältnisformel. Molekülformel = n × Verhältnisformel.

Probiere es aus

Wähle im 3D-Freispiel Wasser und stelle 18 g ein, dann 36 g. Sage die Stoffmenge voraus, bevor du hinschaust. Wiege dann zu Hause einen Teelöffel Zucker ab (etwa 4 g C₁₂H₂₂O₁₁, M = 342) und berechne, wie viele Moleküle du in der Hand hast: etwa 7 × 10²¹.

Wichtige Formeln und Definitionen

Gelöste Beispiele

1. Chlor besteht zu 75.77 % aus ³⁵Cl (34.97 u) und zu 24.23 % aus ³⁷Cl (36.97 u). Berechne die mittlere Atommasse.

Zeile 1: 0.7577 × 34.97 = 26.50. Zeile 2: 0.2423 × 36.97 = 8.96. Zeile 3: Summe = 35.46 u ≈ 35.5 u.

2. Berechne die Molekülmasse von Glucose C₆H₁₂O₆ und die Formelmasse von CaCO₃ (Ca = 40).

Zeile 1: C₆H₁₂O₆ = 6 × 12 + 12 × 1 + 6 × 16 = 72 + 12 + 96 = 180 u. Zeile 2: CaCO₃ = 40 + 12 + 3 × 16 = 100 u.

3. Wie viele Mol und wie viele Moleküle stecken in 36 g Wasser?

Zeile 1: M(H₂O) = 18 g mol⁻¹. Zeile 2: n = 36 ÷ 18 = 2 mol. Zeile 3: N = 2 × 6.022 × 10²³ = 1.2044 × 10²⁴ Moleküle.

4. Welche Masse haben 3.011 × 10²³ Kohlenstoffatome?

Zeile 1: n = N ÷ N_A = 3.011 × 10²³ ÷ 6.022 × 10²³ = 0.5 mol. Zeile 2: m = n × M = 0.5 × 12 = 6 g.

5. Wie viele Sauerstoffatome stecken in 88 g CO₂?

Zeile 1: n(CO₂) = 88 ÷ 44 = 2 mol. Zeile 2: Jedes CO₂ hat 2 O-Atome → n(O) = 4 mol. Zeile 3: O-Atome = 4 × 6.022 × 10²³ = 2.409 × 10²⁴.

6. Bestimme die Prozentzusammensetzung von Ethanol, C₂H₅OH.

Zeile 1: M = 2(12) + 6(1) + 16 = 46 g mol⁻¹. Zeile 2: %C = 24/46 × 100 = 52.17 %. Zeile 3: %H = 6/46 × 100 = 13.04 %. Zeile 4: %O = 16/46 × 100 = 34.78 %. Kontrolle: Summe = 100 %.

7. Eine Verbindung enthält 4.07 % H, 24.27 % C und 71.65 % Cl. Ihre molare Masse beträgt 98.96 g. Bestimme Verhältnisformel und Molekülformel.

Zeile 1: In 100 g: H 4.07 g, C 24.27 g, Cl 71.65 g. Zeile 2: Stoffmengen: H 4.07/1.008 = 4.04; C 24.27/12.01 = 2.021; Cl 71.65/35.45 = 2.021. Zeile 3: Teile durch 2.021: H 2, C 1, Cl 1 → Verhältnisformel CH₂Cl (Masse 49.48). Zeile 4: n = 98.96 ÷ 49.48 = 2. Zeile 5: Molekülformel = C₂H₄Cl₂.

8. Ein Kohlenwasserstoff enthält 85.7 % C und 14.3 % H. Seine molare Masse beträgt 42 g mol⁻¹. Bestimme seine Formeln.

Zeile 1: C 85.7/12 = 7.14 mol; H 14.3/1 = 14.3 mol. Zeile 2: Teile durch 7.14: C 1, H 2 → Verhältnisformel CH₂ (Masse 14). Zeile 3: n = 42 ÷ 14 = 3. Zeile 4: Molekülformel = C₃H₆.

Häufige Fehler

Übungsquiz

1. 1 u ist definiert als:
2. Anzahl der Moleküle in 1 mol eines Stoffes:
3. Stoffmenge in 22 g CO₂:
4. Die Verhältnisformel von Benzol C₆H₆ ist:
5. Der Massenanteil von Sauerstoff in Wasser beträgt etwa:

Üben: Beantworte diese selbst

Tippe oder wähle deine Antwort und drücke dann Prüfen. Nutze einen Tipp, wenn du nicht weiterkommst; die ganze Lösung erscheint nach deiner Antwort.

Häufig gestellte Fragen

Was ist ein Mol in einfachen Worten?

Eine Zähleinheit für winzige Teilchen: ein Mol = 6.022 × 10²³ Teilchen, so wie ein Dutzend = 12 Stück.

Wie rechne ich Gramm in Mol um?

Teile die Masse in Gramm durch die molare Masse: n = m ÷ M.

Was ist der Unterschied zwischen Verhältnisformel und Molekülformel?

Die Verhältnisformel ist das einfachste Verhältnis der Atome; die Molekülformel ist die tatsächliche Zahl der Atome in einem Molekül, ein ganzzahliges Vielfaches davon.

Wo das unterrichtet wird

Canada (Ontario)Grade 11D. Quantities in Chemical Reactions
Canada (Ontario)Grade 12E. Chemical Calculations
NetherlandsHAVO 4 (bovenbouw, 2e fase)Chemical processes and cycles (part 1)
NetherlandsVWO 4 (bovenbouw, 2e fase)Chemical processes (part 1)
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