Massenerhaltung

Massenerhaltung

Stoffe:	Kohlenstoffdioxid aus der Gasflasche, Kalkwasser, Seifenblasenlösung, Streichhölzer
Geräte:	Mehrere Kerzen, Präzisionswaage 0,01g, Trichter, Gaswaschflasche, Schlauchstücke, Wasserstrahlpumpe, Reagenzgläser - eines davon aus Quarzglas, Reagenzglashalter, Glasröhrchen, große Wanne (kleines Aquarium) mit Glasplatte, Unterlegklötze, Brenner, Luftballons
	Vorschriften beim Umgang mit Gasflaschen beachten. Bei der Demonstration 2 sollte eine Schutzbrille getragen werden!

Didaktische Bemerkungen:
Das Gesetz zur Erhaltung der Masse ist ein chemisches Gesetz, das schon von Antoine Lavoisier und Michail W. Lomonossow im 18. Jahrhundert aufgestellt wurde. Heute weiß man, dass die Masse geringfügig abnehmen kann, während gleichzeitig Energie nach E=mc² (Albert Einstein) freigesetzt wird, auch wenn dies bei chemischen Reaktionen noch nicht mit Waagen messbar ist. Doch soweit wollen wir zunächst nicht gehen. Die hier vorgestellten Demonstrationen eignen sich als Vorbereitung für das Thema Oxidation.

Demonstration 1: Verbrennen einer Kerze in einem offenen System
Dass bei chemischen Reaktionen nichts von der Masse der beteiligten Stoffen verloren geht, ist nicht unbedingt eine primäre Alltagserfahrung. Beim Verbrennen einer Kerze sieht man zunächst, wie das Wachs immer weniger und die Kerze "leichter" wird. Zum Einstieg in die Problematik wird eine Kerze auf eine Waage gestellt. Nun äußern die Schüler Vermutungen, wie sich die Waage verändern wird. Sie versuchen die Vermutungen zu begründen.

Wie verändert sich die Waage? Lösung: 2x klicken

Beim Verbrennen wird die Kerze leichter, dies entspricht in der Regel auch den genannten Erwartungen. Was aber wird aus der fehlenden Masse? Haben die Schüler bei den (früheren) Experimenten mit der Kerze genau aufgepasst, dann äußern sie die Vermutung, dass beim Verbrennen von Wachsdampf zunächst Ruß entsteht, der in der leuchtenden Zone zu Kohlenstoffdioxid verbrennt.

Dieses Gas kann durch das Absaugen mit einem Trichter und einer Wasserstrahlpumpe in eine Gaswaschflasche mit Kalkwasser geleitet werden, wobei eine Trübung auftritt. Doch wo kommt das Kohlenstoffdioxid normalerweise vor? Eine Versuchsperson bläst durch ein Glasröhrchen ausgeatmete Luft aus der Lunge in Kalkwasser, das sich ebenfalls trübt. Filme mit Kohlenstoffdioxid


CO₂-Nachweis	CO₂ in Seifenblasen	Seifenblasen auf CO₂	CO₂ löscht Kerzen

Klicken Sie zum Abspielen der Filme auf die Bilder
Im Anschluss daran wird gezeigt, dass das Verbrennungsgas der Kerze eine feststellbare Masse besitzt. Man füllt Seifenblasen mit Kohlenstoffdioxid aus der Gasflasche und lässt diese an den Boden fallen. Mit etwas Fingerspitzengefühl gelingt eine weitere, wunderschöne Demonstration: Ein großer Behälter aus Glas oder aus Plexiglas, z.B. ein kleineres Aquarium wird mit einer Glasplatte abgedeckt. Dann füllt man mit einem Schlauch vorsichtig Kohlenstoffdioxid aus der Gasflasche in den Behälter bis er ganz voll gefüllt ist. Nun zieht man die Glasplatte vorsichtig ab und stellt Seifenblasen aus Luft her, die in den Behälter "gelegt" werden. Die Seifenblasen schwimmen wie von Zauberhand abgebremst auf dem unsichtbaren (schwereren) Kohlenstoffdioxid. Der Versuch gelingt, wenn im Raum keine großen Luftbewegungen vorhanden sind (Türen und Fenster schließen, Raumlüftung ausschalten!). Die Demonstration verdeutlicht, dass das Kohlenstoffdioxid schwerer als Luft ist und eine Masse besitzt.

Taucht man eine Kerze in den Behälter, geht sie aus. Der gleiche Effekt kann auch dadurch verdeutlicht werden, in dem man mehrere Kerzen auf unterschiedlich hohen Treppenstufen in den mit Luft gefüllten Behälter stellt und danach das Kohlenstoffdioxid einleitet.

Wir fassen zusammen: Beim Verbrennen von Kerzenwachs entsteht als Verbrennungsgas Kohlenstoffdioxid, das eine feststellbare Masse besitzt und die Verbrennung nicht mehr unterhält. Wir vermuten, dass der Großteil der beim Verbrennen der Kerze "verlorenen" Masse in dem Kohlenstoffdioxid vorhanden ist.

Demonstration 2: Abbrennen von Streichhölzern in einem offenen und in einem geschlossenen System

Achtung: Diese Demonstration darf nur mit Reagenzgläsern aus Quarzglas und mit Schutzbrille durchgeführt werden. In einem bekannten Fall verlor eine Lehrerin ihr Augenlicht, weil das Reagenzglas platzte! Der Ballon wird vor der Durchführung des Versuchs zur Dehnung mehrmals aufgeblasen und wieder entspannt.

Stülpt man den Luftballon über ein Reagenzglas, in dem sich drei Streichhölzer befinden, dann lassen sich die Verbrennungsgase beim Abbrennen der Streichhölzer auffangen und mit einer Präzisionswaage wiegen. Der Versuch wird zuerst ohne Ballon vorgeführt. Man wiegt das Reagenzglas mit den Streichhölzern vor und nach dem Abrennen der Streichhölzer. Mit einem Brenner erhitzt man das Reagenzglas, bis die Streichhölzer zünden.

Dann wird der Ballon auf das Reagenzglas gestülpt, so dass es dicht verschlossen ist. Wieder äußern die Schüler Vermutungen, was passieren wird, wenn jetzt Wägungen erfolgen. Wie ändert sich die Masse, wenn die Streichhölzer im Reagenzglas ohne Ballon gezündet werden und wie mit Ballon?

Die Ergebnisse werden diskutiert und auf mögliche Fehlerquellen untersucht. Auch wenn das geschlossene System mit Ballon nach der chemischen Reaktion seine Masse deutlich besser erhält, als das System ohne Ballon, kann es sein, dass die Waage trotz des scheinbar geschlossenen Systems immer noch eine geringere Masse anzeigt. Wo liegen die möglichen Fehler?

Der Ballon ist eventuell nicht hundertprozentig dicht, Gase können durch Kunststoffe diffundieren.
Das entstehende Gas ist sehr warm und könnte einen Auftrieb durch Wärme erzeugen.
Ist das Reagenzglas vorher fettig oder feucht, z.B. durch die Hand, verdampft durch das Erhitzen die Feuchtigkeit oder das Fett. Dies führt ebenfalls zu einer Massenabnahme.

Ausblick:
Die genauen Vorgänge bei einer Verbrennung erschließen sich erst beim Thema Oxidation. Die Fragestellung, was mit der Masse passiert, wird dort nochmals aufgegriffen. Führt man das Gesetz der konstanten Massenverhältnisse (Proust) und das Volumengesetz von Gay-Lussac mit Hilfe von Knallgasreaktionen in Eudiometern ein, dann sollte das Gesetz der Massenerhaltung auf jeden Fall bekannt sein.

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