Über diesen Rechner Der Rechner für die Stoffmenge verwandelt die Gramm auf der Waage in „Portionen“ der chemischen Reaktionsgleichung: n = m / M n = m/M n = m / M – aus der Masse m m m (g) und der molaren Masse M M M (g/mol) ergibt sich die Stoffmenge n n n (mol); multipliziert mit der Avogadro-Konstante N A N_A N A erhält man die Teilchenzahl N = n N A N = n N_A N = n N A . Wie viele Mol sind 18 g Wasser, und wie viele Moleküle stecken darin? Wie viel Mol sind 2.922 g Kochsalz? Und wie viele Atome enthalten 1 g Gold bzw. 1 g Wasserstoff? Auch umgekehrt geht es: Wie viel Gramm sind 0.25 mol Kochsalz, und welche molare Masse hat ein Stoff, von dem 10 g genau 0.2 mol sind?
Das ist der erste Schritt der Stöchiometrie. Reaktionen laufen nach der Anzahl der Teilchen ab, die Waage kennt aber nur Massen; M M M ist der Umrechnungsfaktor zwischen beiden: Gramm pro Mol . Was das Mol ist, warum nach Teilchen und nicht nach Massen dosiert wird und wie Konzentrationssysteme umgerechnet werden, steht ausführlich auf der Ankerseite des Chemie-Clusters, dem Molaritätsrechner ; wer n n n bestimmt hat und eine Lösung ansetzen will, geht dorthin, zum Verdünnen zum Verdünnungsrechner . Diese Seite behandelt nur die drei Besonderheiten ihres Themas: wie sich die molare Masse aus den Atommassen ergibt, warum N A N_A N A seit 2019 ein exakter Wert ist und wem man trauen sollte – den angezeigten 8 Nachkommastellen oder den eigenen signifikanten Stellen.
Was er nicht tut: Er schlägt keine molaren Massen nach (die sind aus der Summenformel und den Atommassen selbst zu addieren; die Seite nennt Verfahren und gängige Werte), er rechnet nicht zwischen kg und g oder mg und g um, er unterscheidet nicht zwischen Molekülen, Ionen und Atomen – N N N zählt die „Formeleinheit“, für die die Summenformel steht – und er berechnet keine Lösungskonzentrationen.
Rechenbeispiele Alle vier Beispiele wurden mit compute aus der Engine chem-moles nachgerechnet; die Anzeige erfolgt für n n n , m m m und M M M mit höchstens 8 Nachkommastellen ohne abschließende Nullen und für N N N in Exponentialschreibweise mit 7 signifikanten Stellen; die Einheiten sind g, g/mol und mol.
Beispiel 1: Warum 18 g Wasser nicht genau 1 mol sind
Voreingestellt m = 18 m = 18 m = 18 , M = 18.015 M = 18.015 M = 18.015 : n = 18 / 18.015 = 0.99916736 n = 18 / 18.015 = 0.99916736 n = 18/18.015 = 0.99916736 , N = 0.99916736 × 6.02214076 × 10 23 = 6.017126 × 10 23 N = 0.99916736 \times 6.02214076 \times 10^{23} = 6.017126 \times 10^{23} N = 0.99916736 × 6.02214076 × 1 0 23 = 6.017126 × 1 0 23 . Anzeige: Stoffmenge n 0.99916736 , Teilchenzahl N 6.017126e+23 .
Ändert man die Masse auf 18.015, zeigt die Oberfläche n 1 und N 6.022141e+23 – genau 1 mol, die Teilchenzahl ist dann N A N_A N A . Die Abweichung von 0.08% zwischen 18 und 18.015 liegt daran, dass die molare Masse von H₂O mit 2 × 1.008 + 15.999 = 18.015 2 \times 1.008 + 15.999 = 18.015 2 × 1.008 + 15.999 = 18.015 keine ganze Zahl ist: Die Atommassen von Wasserstoff und Sauerstoff sind selbst nicht ganzzahlig (Isotopengemisch und Kernbindungsenergie), „18 g Wasser = 1 mol“ ist also eine gerundete Lehrbuchaussage.
Diese 6.017 × 10 23 6.017 \times 10^{23} 6.017 × 1 0 23 Moleküle passen in einen gehäuften Esslöffel. Zählte man sie mit einer Milliarde pro Sekunde, wäre man rund 1900 Millionen Jahre beschäftigt – deshalb hat die Chemie das Mol als „Großpackung“ erfunden: um die Anzahl auf menschenlesbare Zahlen zu bringen.
Abbildung 1: die zweistufige Umrechnung aus Beispiel 1. Links steht die wägbare Menge, rechts die dosierbare Menge; M und N_A sind die beiden Umrechnungsfaktoren
Beispiel 2: Kochsalz und Würfelzucker – von der Lösung zurück zur Einwaage
2.922 g Kochsalz (die Menge, die in Beispiel 2 des Molaritätsrechners abgewogen wird), M NaCl = 22.990 + 35.45 = 58.44 M_\text{NaCl} = 22.990 + 35.45 = 58.44 M NaCl = 22.990 + 35.45 = 58.44 . Mit m = 2.922 m = 2.922 m = 2.922 und M = 58.44 M = 58.44 M = 58.44 zeigt die Oberfläche n 0.05 und N 3.011070e+22 – also 3.0 × 10 22 3.0 \times 10^{22} 3.0 × 1 0 22 NaCl-Formeleinheiten, das sind 3.0 × 10 22 3.0 \times 10^{22} 3.0 × 1 0 22 Na⁺ plus ebenso viele Cl⁻. NaCl ist ein Ionenkristall, es gibt keine „NaCl-Moleküle“; N N N zählt die Formeleinheiten.
Masse zurückrechnen : Wie viel Gramm sind 0.25 mol Kochsalz? m m m leeren, n = 0.25 n = 0.25 n = 0.25 und M = 58.44 M = 58.44 M = 58.44 eintragen: m = 14.61 m = 14.61 m = 14.61 . Anzeige: Masse m 14.61 , N 1.505535e+23 .
Ein Würfelzucker : 4 g Saccharose C₁₂H₂₂O₁₁, M = 12 × 12.011 + 22 × 1.008 + 11 × 15.999 = 342.297 M = 12 \times 12.011 + 22 \times 1.008 + 11 \times 15.999 = 342.297 M = 12 × 12.011 + 22 × 1.008 + 11 × 15.999 = 342.297 . Mit m = 4 m = 4 m = 4 und M = 342.297 M = 342.297 M = 342.297 zeigt die Oberfläche n 0.01168576 und N 7.037328e+21 . Bei ähnlich wenigen Gramm ist die Stoffmenge umso kleiner, je größer das Molekül – das ist der Grund für den Vergleich in Beispiel 3 des Molaritätsrechners , wonach 9 g Glucose 0.05 mol und 9 g Kochsalz 0.154 mol sind.
Beispiel 3: dieselbe Masse von 1 g, 200-facher Unterschied bei der Atomzahl
1 g Gold , M Au = 196.96657 M_\text{Au} = 196.96657 M Au = 196.96657 : Mit m = 1 m = 1 m = 1 und M = 196.96657 M = 196.96657 M = 196.96657 zeigt die Oberfläche n 0.005077 und N 3.057443e+21 .
1 g Wasserstoffatome , M H = 1.008 M_\text{H} = 1.008 M H = 1.008 : Anzeige n 0.99206349 , N 5.974346e+23 . Bei derselben Masse von 1 g ist die Anzahl der Wasserstoffatome etwa 195-mal so groß wie die der Goldatome, weil ein einzelnes Goldatom rund 195-mal schwerer ist. Es gilt n ∝ 1 / M n \propto 1/M n ∝ 1/ M – bei fester Masse ist die Stoffmenge umgekehrt proportional zur molaren Masse.
100 g Kupfer , M Cu = 63.546 M_\text{Cu} = 63.546 M Cu = 63.546 : Anzeige n 1.57366317 , N 9.476821e+23 .
44 g Kohlendioxid , M = 12.011 + 2 × 15.999 = 44.009 M = 12.011 + 2 \times 15.999 = 44.009 M = 12.011 + 2 × 15.999 = 44.009 : Mit m = 44 m = 44 m = 44 zeigt die Oberfläche n 0.9997955 und N 6.020909e+23 – wie bei 18 g Wasser ist das „ein kleines bisschen weniger“ als 1 mol. Erst mit m = 44.009 m = 44.009 m = 44.009 ergibt sich genau 1 .
Beispiel 4: molare Masse, Gramm und Kilogramm sowie eine Anzeigefalle
Unbekannten Stoff identifizieren : 10 g einer Probe ergeben 0.2 mol. M M M leeren, m = 10 m = 10 m = 10 und n = 0.2 n = 0.2 n = 0.2 eintragen: M = 50 M = 50 M = 50 . Anzeige: molare Masse M 50 , N 1.204428e+23 . Mit 50 g/mol lässt sich bereits ein Großteil der Kandidaten-Summenformeln ausschließen.
Masse aus n n n bestimmen : Wie schwer sind 2 mol Wasser? m m m leeren, n = 2 n = 2 n = 2 und M = 18.015 M = 18.015 M = 18.015 eintragen: Anzeige m 36.03 , N 1.204428e+24 .
Kilogramm-Falle : 18 g als 0.018 (kg) eingetragen: Mit m = 0.018 m = 0.018 m = 0.018 und M = 18.015 M = 18.015 M = 18.015 zeigt die Oberfläche n 0.00099917 und N 6.017126e+20 – um den Faktor 1000 zu klein. Die Feldeinheit ist g.
Anzeigefalle : Im Vorgabezustand (m = 18 m = 18 m = 18 , M = 18.015 M = 18.015 M = 18.015 ) zusätzlich 2 in „Stoffmenge n“ eintragen: Alle drei Felder sind nun Eingaben, und die Teilchenzahl wird 1.204428e+24 – die Engine rechnet N N N aus den eingetragenen 2 mol und sieht 18/18.015 nicht mehr an. Dass sich die drei Zahlen widersprechen, wird nicht gemeldet.
8 Nachkommastellen sind nicht 8 signifikante Stellen
Die Anzeige 0.99916736 ist die Konvention der Engine, keine Messgenauigkeit. Die „18 g“, die eine Küchenwaage anzeigt, haben meist nur zwei signifikante Stellen, die zugehörige Stoffmenge wäre also mit 1.0 mol anzugeben; erst eine Analysenwaage mit einer Auflösung von 0.0001 g, die 18.0000 g anzeigt, rechtfertigt 0.999167. Auch die molare Masse selbst ist mit Unsicherheit behaftet: Die IUPAC gibt für Elemente wie H, C und O Bereiche an (für O etwa 15.99903–15.99977); für Unterricht und Routineaufgaben werden die vereinbarten Werte 1.008, 12.011 und 15.999 verwendet. Die signifikanten Stellen des Ergebnisses richten sich nach der ungenauesten Eingabe.
Die Eingaben aus Beispiel 1 lassen sich direkt in das Panel übernehmen; mit der Masse 18.015 wird n zu 1 und N zu N_A, und mit einer molaren Masse von 58.44 (Kochsalz) oder 196.96657 (Gold) lässt sich beobachten, wie die Stoffmenge bei ebenfalls 18 g umgekehrt proportional zu M sinkt.
Grundlagen und Herleitung Wie die molare Masse berechnet wird
M M M ist die Summe der Standard-Atommassen aller Atome der Summenformel, in g/mol. Die Standard-Atommassen werden von der IUPAC-Kommission für Isotopenhäufigkeiten und Atommassen (CIAAW) gepflegt; gängige Werte:
Element
vereinbarte Atommasse
Element
vereinbarte Atommasse
H
1.008
Na
22.990
C
12.011
Cl
35.45
N
14.007
Cu
63.546
O
15.999
Au
196.966 570
Damit gilt H₂O = 2 × 1.008 + 15.999 = 18.015 = 2 \times 1.008 + 15.999 = 18.015 = 2 × 1.008 + 15.999 = 18.015 , NaCl = 22.990 + 35.45 = 58.44 = 22.990 + 35.45 = 58.44 = 22.990 + 35.45 = 58.44 , CO₂ = 12.011 + 2 × 15.999 = 44.009 = 12.011 + 2 \times 15.999 = 44.009 = 12.011 + 2 × 15.999 = 44.009 und C₆H₁₂O₆ = 6 × 12.011 + 12 × 1.008 + 6 × 15.999 = 180.156 = 6 \times 12.011 + 12 \times 1.008 + 6 \times 15.999 = 180.156 = 6 × 12.011 + 12 × 1.008 + 6 × 15.999 = 180.156 . Die Atommassen sind nicht ganzzahlig, weil natürliche Elemente Gemische mehrerer Isotope sind (Chlor besteht zu etwa 76% aus ³⁵Cl und zu 24% aus ³⁷Cl, Mittelwert 35.45) und weil die Kernbindungsenergie die Kernmasse etwas kleiner macht als die Summe der Nukleonen. Schweres Wasser D₂O hat M = 20.03 M = 20.03 M = 20.03 ; dieselbe Summenformel mit anderen Isotopen ergibt also eine andere molare Masse.
Warum g/mol und die relative Molekülmasse denselben Zahlenwert haben
Der Maßstab der relativen Atommasse ist „1/12 der Masse eines ¹²C-Atoms gleich 1“. Von 1971 bis 2019 lautete die Definition des Mol „die Anzahl der Atome in 0.012 kg ¹²C“; beide Festlegungen zusammen garantieren, dass die Masse von 1 mol eines Stoffes (in g) zahlenmäßig seiner relativen Molekülmasse entspricht. Genau deshalb wurde das Mol so dimensioniert – es ist keine Naturkonstante, sondern eine menschliche Festlegung, damit „Gramm“ und „relative Masse“ zusammenpassen. Seit 2019 ist N A N_A N A exakt definiert; die Gleichheit gilt daher nur noch auf etwa 10 − 9 10^{-9} 1 0 − 9 genau, was für jede praktische Rechnung ohne Bedeutung ist.
N A N_A N A : vom Messwert zum Definitionswert
1811 stellte Avogadro die These auf, dass gleiche Volumina verschiedener Gase bei gleicher Temperatur und gleichem Druck dieselbe Anzahl Moleküle enthalten – wie groß diese Zahl ist, wusste er nicht. 1909 erhielt Perrin mit mehreren unabhängigen Verfahren, darunter die Brownsche Bewegung, übereinstimmende Werte zwischen 6.5 6.5 6.5 und 7 × 10 23 7 \times 10^{23} 7 × 1 0 23 , nannte sie „Avogadro-Zahl“ und lieferte damit den entscheidenden Nachweis für die reale Existenz von Molekülen (Nobelpreis für Physik 1926). Ein weiteres Jahrhundert lang wurde N A N_A N A immer genauer gemessen, zuletzt über die Röntgendichte an Einkristallkugeln aus Silicium-28 mit einer relativen Unsicherheit von 10 − 8 10^{-8} 1 0 − 8 ; die am 20. Mai 2019 in Kraft getretene 9. Auflage des SI definierte sie schließlich als exakten Wert 6.022 140 76 × 10 23 mol − 1 6.022\,140\,76 \times 10^{23}\ \text{mol}^{-1} 6.022 140 76 × 1 0 23 mol − 1 , sodass das Mol nicht mehr von den 12 g Kohlenstoff-12 abhängt. Genau dieser Wert ist in der Engine hinterlegt.
Warum die zwei Umrechnungsschritte getrennt geschrieben werden
N = m N A / M N = m N_A / M N = m N A / M ließe sich in einem Schritt ausrechnen, doch in der Chemie wird N N N fast nie gebraucht – die Koeffizienten einer Reaktionsgleichung sind Molverhältnisse, und Lösungsansatz, Titration und Gasvolumen (22.4 L/mol) arbeiten mit n n n . Der Sinn von N N N ist, die Größe des Mol sichtbar zu machen: Eine Anzahl in der Größenordnung von 10 23 10^{23} 1 0 23 ist der unmittelbare Ausdruck dafür, dass makroskopische Materie aus mikroskopischen Teilchen besteht. Die Konvention der Engine für N N N spiegelt das: Sie verwendet „das eingetragene n n n , sonst m / M m/M m / M “, n n n ist also das Hauptergebnis und N N N nur die mitgelieferte Umrechnung.
Signifikante Stellen
Der Hinweis nach den Beispielen hat es bereits gesagt: Die angezeigten 8 Nachkommastellen sind eine Software-Konvention. Ergebnisse der Stöchiometrie werden mit der kleinsten Anzahl signifikanter Stellen der Eingaben angegeben; die molare Masse genügt eine Stelle genauer als die Masse. Die IUPAC gibt seit 2009 für Elemente wie H, Li, B, C, N, O, Si, S, Cl und Tl Atommasse-Bereiche statt einzelner Werte an, weil die Isotopenzusammensetzung je nach Herkunft der Probe tatsächlich schwankt; für Routineaufgaben reichen die vereinbarten Werte, nur die Isotopenanalytik braucht die Bereiche.