Atommasse - Chemie

Diesen aiMOOC als Battle spielen: Chemie, Klasse 7-8, G-Niveau

Einleitung

Die Atommasse beschreibt die Masse eines einzelnen Atoms. Weil Atome extrem klein sind, verwendet die Chemie meist nicht Kilogramm, sondern die atomare Masseneinheit $\mathrm{u}$. Im Periodensystem findest Du für jedes Element eine Atommasse. Bei vielen Elementen ist sie keine ganze Zahl, weil natürliche Elemente aus mehreren Isotopen bestehen.

In diesem aiMOOC lernst Du, wie Atommasse, Massenzahl, Isotope und Molare Masse zusammenhängen. Du übst außerdem, eine mittlere Atommasse aus Isotopenhäufigkeiten zu berechnen.

Video laden

YouTube

YouTube sammelt möglicherweise persönliche Daten. Datenschutzrichtlinie

Fortfahren Ausblenden

Lernziele

1. Atommasse: Du erklärst die Bedeutung der Atommasse.
2. Atomare Masseneinheit: Du beschreibst die Einheit $\mathrm{u}$.
3. Isotop: Du unterscheidest Isotope eines Elements.
4. Massenzahl: Du grenzt Massenzahl und Atommasse voneinander ab.
5. Gewichteter Mittelwert: Du berechnest eine mittlere Atommasse.
6. Molare Masse: Du stellst den Zusammenhang zwischen Atommasse und molarer Masse her.

Die Atommasse verstehen

Absolute und relative Atommasse

Die absolute Atommasse $m_{\mathrm{A}}$ ist die tatsächliche Masse eines Atoms. Sie kann in Kilogramm oder in $\mathrm{u}$ angegeben werden.

Die relative Atommasse $A_{\mathrm{r}}$ ist eine Verhältniszahl. Sie gibt an, wie oft die atomare Masseneinheit in der durchschnittlichen Masse eines Atoms enthalten ist. Deshalb hat $A_{\mathrm{r}}$ keine Einheit.

Der Zusammenhang lautet:

$m_{\mathrm{A}}=A_{\mathrm{r}}\cdot \mathrm{u}$

In Schulbüchern wird häufig verkürzt einfach von der Atommasse in u gesprochen.

Die atomare Masseneinheit u

Die Einheit $\mathrm{u}$ ist über das Kohlenstoffisotop ${}^{12}\mathrm{C}$ festgelegt:

$1\mathrm{u}=\frac{1}{12}\cdot m\left({}^{12}\mathrm{C}\right)$

Damit besitzt ein einzelnes Kohlenstoff-12-Atom genau die Masse $12\mathrm{u}$. Ein $\mathrm{u}$ entspricht ungefähr $\mathrm{1,66054}\cdot 10^{-27}\mathrm{k}\mathrm{g}$. Der alternative Name Dalton mit dem Zeichen $\mathrm{D}\mathrm{a}$ wird besonders in der Biochemie verwendet.

Video laden

YouTube

YouTube sammelt möglicherweise persönliche Daten. Datenschutzrichtlinie

Fortfahren Ausblenden

Massenzahl und Atommasse sind nicht dasselbe

Die Massenzahl $A$ ist die Anzahl der Protonen und Neutronen im Atomkern:

$A=Z+N$

Dabei ist $Z$ die Protonenzahl und $N$ die Neutronenzahl. Die Massenzahl ist immer eine ganze Zahl. Die gemessene Masse eines Isotops liegt meist nahe bei dieser Zahl, stimmt aber nicht genau mit ihr überein. Gründe dafür sind unter anderem die unterschiedlichen Massen von Protonen und Neutronen sowie der Massendefekt.

Beispiel: Kohlenstoff-14 besitzt 6 Protonen und 8 Neutronen. Seine Massenzahl ist daher 14.

Isotope und mittlere Atommasse

Was sind Isotope?

Isotope sind Atome desselben Elements mit gleicher Protonenzahl, aber unterschiedlicher Neutronenzahl. Sie haben deshalb dieselbe Ordnungszahl, jedoch verschiedene Massenzahlen.

Wasserstoff besitzt beispielsweise die Isotope Protium, Deuterium und Tritium. Chemisch verhalten sich Isotope eines Elements meist sehr ähnlich, ihre Massen unterscheiden sich jedoch.

Eine Isotopentabelle zeigt, wie viele unterschiedliche Nuklide bekannt sind. Für den Einstieg reicht die Idee: Eine Elementart kann aus mehreren Atomsorten mit unterschiedlichen Massen bestehen.

Warum steht im Periodensystem oft eine Kommazahl?

Ein natürlich vorkommendes Element ist häufig ein Gemisch aus mehreren Isotopen. Die Zahl im Periodensystem ist dann ein gewichteter Mittelwert. Häufige Isotope beeinflussen den Mittelwert stärker als seltene Isotope.

Für zwei Isotope gilt:

$\bar{m}=m_1\cdot h_1+m_2\cdot h_2$

Dabei sind $m_1$ und $m_2$ die Isotopenmassen. Die Größen $h_1$ und $h_2$ sind die Häufigkeiten als Dezimalzahlen. Ihre Summe beträgt $1$.

Video laden

YouTube

YouTube sammelt möglicherweise persönliche Daten. Datenschutzrichtlinie

Fortfahren Ausblenden

Rechenbeispiel Chlor

Natürliches Chlor besteht überwiegend aus den Isotopen Chlor-35 und Chlor-37. Mit gerundeten natürlichen Häufigkeiten und genaueren Isotopenmassen erhältst Du:

$A_{\mathrm{r}}(\mathrm{C}\mathrm{l})\approx \mathrm{34,9689}\cdot \mathrm{0,7576}+\mathrm{36,9659}\cdot \mathrm{0,2424}$

$A_{\mathrm{r}}(\mathrm{C}\mathrm{l})\approx \mathrm{35,45}$

Der Wert liegt näher bei 35 als bei 37, weil Chlor-35 deutlich häufiger vorkommt.

Rechenweg in vier Schritten:

1. Wandle Prozentangaben in Dezimalzahlen um.
2. Multipliziere jede Isotopenmasse mit ihrer Häufigkeit.
3. Addiere die Teilwerte.
4. Runde erst am Ende sinnvoll.

Video laden

YouTube

YouTube sammelt möglicherweise persönliche Daten. Datenschutzrichtlinie

Fortfahren Ausblenden

Atommasse im Periodensystem

Eine Elementkarte lesen

In einer Elementkarte des Periodensystems findest Du meist die Ordnungszahl, das Elementsymbol, den Elementnamen und die relative Atommasse. Die Ordnungszahl gibt die Protonenzahl an. Die Atommasse beschreibt dagegen die durchschnittliche Masse der Atome des natürlichen Elements.

Bei einigen Elementen kann die Isotopenzusammensetzung natürlicher Proben leicht schwanken. Deshalb werden präzise Standard-Atommassen teilweise als Wertebereich angegeben. Für die meisten Schulaufgaben verwendest Du den gerundeten Tabellenwert.

Zusammenhang mit der molaren Masse

Für schulische Rechnungen haben die relative Atommasse und die molare Masse praktisch denselben Zahlenwert, aber eine andere Bedeutung.

Beispiel Magnesium:

$A_{\mathrm{r}}(\mathrm{M}\mathrm{g})\approx \mathrm{24,305}$

$M(\mathrm{M}\mathrm{g})\approx \mathrm{24,305}\frac{g}{mol}$

Die Atommasse bezieht sich auf ein Atom. Die Molare Masse bezieht sich auf ein Mol Teilchen. Dieser Zusammenhang ist wichtig für die Stöchiometrie.

Video laden

YouTube

YouTube sammelt möglicherweise persönliche Daten. Datenschutzrichtlinie

Fortfahren Ausblenden

Messung mit Massenspektrometrie

Grundprinzip

Mit einem Massenspektrometer lassen sich Isotope und ihre Häufigkeiten bestimmen. Vereinfacht läuft eine Messung so ab:

1. Teilchen werden ionisiert.
2. Die Ionen werden beschleunigt.
3. Sie werden nach ihrem Verhältnis von Masse zu Ladung getrennt.
4. Ein Detektor misst die Häufigkeit der Ionen.

Das Ergebnis ist ein Massenspektrum. Jeder Peak steht für Ionen mit einem bestimmten Masse-zu-Ladung-Verhältnis. Aus Lage und Höhe der Peaks können Isotopenmassen und Isotopenhäufigkeiten ermittelt werden.

Geräte und Anwendungen

Massenspektrometer werden unter anderem in der Umweltanalytik, Medizin, Geologie, Lebensmittelchemie und Forensik eingesetzt. Isotopenmessungen helfen beispielsweise dabei, Stoffe zu identifizieren, Altersbestimmungen vorzunehmen oder die Herkunft von Proben zu untersuchen.

Merksätze

1. Atommasse ist die Masse eines einzelnen Atoms.
2. Ein u ist ein Zwölftel der Masse eines Kohlenstoff-12-Atoms.
3. Massenzahl bedeutet Protonen plus Neutronen.
4. Isotope haben gleich viele Protonen, aber unterschiedlich viele Neutronen.
5. Kommazahlen im Periodensystem entstehen häufig durch gewichtete Mittelwerte der Isotope.
6. Atommasse und molare Masse haben in Schulrechnungen passende Zahlenwerte, aber unterschiedliche Einheiten und Bedeutungen.

Interaktive Aufgaben

Quiz: Teste Dein Wissen

Was beschreibt die Atommasse? (Die Masse eines einzelnen Atoms) (!Die elektrische Ladung eines Atoms) (!Die Anzahl aller Elektronen eines Stoffes) (!Das Volumen eines Atomkerns)

Worauf ist die atomare Masseneinheit u bezogen? (Auf ein Zwölftel der Masse eines Kohlenstoff-12-Atoms) (!Auf die Masse eines Elektrons) (!Auf die Masse eines Sauerstoffmoleküls) (!Auf ein Gramm Wasserstoff)

Welche Aussage zur relativen Atommasse ist richtig? (Sie ist eine dimensionslose Verhältniszahl) (!Sie wird immer in Kilogramm angegeben) (!Sie ist immer eine ganze Zahl) (!Sie gibt nur die Neutronenzahl an)

Wie wird die Massenzahl eines Atoms bestimmt? (Durch Addition von Protonen und Neutronen) (!Durch Addition von Protonen und Elektronen) (!Durch Subtraktion der Neutronen von den Elektronen) (!Durch Division der Atommasse durch die Ordnungszahl)

Was unterscheidet Isotope desselben Elements? (Die Anzahl der Neutronen) (!Die Anzahl der Protonen) (!Das Elementsymbol) (!Die Ordnungszahl)

Warum besitzt Chlor im Periodensystem eine Atommasse von ungefähr 35 Komma 45? (Weil die Isotopenmassen nach ihrer Häufigkeit gemittelt werden) (!Weil jedes Chloratom 35 Komma 45 Neutronen besitzt) (!Weil Chlor aus halben Protonen besteht) (!Weil die Ordnungszahl aufgerundet wird)

Welches Isotop beeinflusst einen gewichteten Mittelwert am stärksten? (Das häufigste Isotop) (!Das seltenste Isotop) (!Das Isotop mit den wenigsten Elektronen) (!Jedes Isotop beeinflusst ihn immer gleich stark)

Welche Information liefert ein Massenspektrum? (Masse-zu-Ladung-Verhältnisse und relative Häufigkeiten) (!Nur die Farbe einer Probe) (!Nur die Temperatur einer Probe) (!Nur die Zahl der chemischen Bindungen)

Welche Aussage verbindet Atommasse und molare Masse für Schulrechnungen korrekt? (Ihre Zahlenwerte stimmen praktisch überein) (!Beide Größen werden in Kilogramm angegeben) (!Beide beziehen sich immer auf ein einzelnes Atom) (!Die molare Masse ist immer kleiner als die Atommasse)

Welche Einheit passt zur molaren Masse? (Gramm pro Mol) (!Mol pro Gramm) (!Atomare Masseneinheit pro Liter) (!Newton pro Mol)

Memory

Atommasse	Masse eines einzelnen Atoms
Atomare Masseneinheit	Ein Zwölftel der Masse von Kohlenstoff-12
Isotop	Atomsorte mit bestimmter Protonen- und Neutronenzahl
Massenzahl	Summe aus Protonen und Neutronen
Gewichteter Mittelwert	Häufige Isotope zählen stärker
Massenspektrometer	Gerät zur Trennung von Ionen nach Masse und Ladung

Drag and Drop

Ordne die richtigen Begriffe zu.	Beschreibung
Absolute Atommasse	Tatsächliche Masse eines einzelnen Atoms
Relative Atommasse	Verhältnis der mittleren Atommasse zur atomaren Masseneinheit
Ordnungszahl	Anzahl der Protonen im Atomkern
Isotopenhäufigkeit	Anteil einer Atomsorte am natürlichen Element
Molare Masse	Masse eines Mols eines Stoffes

...

Kreuzworträtsel

Kohlenstoff	Welches Element mit der Massenzahl zwölf legt die Einheit u fest?
Isotop	Wie heißt eine Atomsorte mit festgelegter Protonen- und Neutronenzahl?
Dalton	Welcher alternative Name wird für die atomare Masseneinheit verwendet?
Massenzahl	Welche Größe ist die Summe aus Protonen und Neutronen?
Spektrometer	Welches Gerät trennt Ionen nach ihrem Masse-zu-Ladung-Verhältnis?
Mittelwert	Welche Rechengröße entsteht durch die Gewichtung der Isotopenmassen?

Lückentext

Vervollständige den Text.

Die Atommasse beschreibt die Masse eines einzelnen . Die atomare Masseneinheit trägt das Zeichen . Sie ist als ein Zwölftel der Masse von festgelegt. Die Massenzahl ist die Summe aus Protonen und . Atome desselben Elements mit unterschiedlicher Neutronenzahl heißen . Die Atommasse eines natürlichen Elements ist oft ein gewichteter . Ein Massenspektrometer trennt Ionen nach dem Verhältnis von Masse zu . Atommasse und molare Masse besitzen in Schulrechnungen praktisch denselben . Die molare Masse wird häufig in Gramm pro angegeben.

Offene Aufgaben

Leicht

1. Elementkarte untersuchen: Wähle drei Elemente aus und notiere jeweils Ordnungszahl, Symbol und Atommasse. Erkläre, welche der Zahlen eine Kommazahl ist.
2. Isotopenmodell zeichnen: Zeichne zwei Isotope eines Elements mit gleich vielen Protonen und unterschiedlich vielen Neutronen.
3. Lernkarte gestalten: Erstelle eine Lernkarte, die Atommasse, Massenzahl und Ordnungszahl voneinander abgrenzt.
4. Größenvergleich: Stelle zeichnerisch dar, warum Kilogramm für einzelne Atome unpraktisch ist und u besser passt.

Standard

1. Münzmodell entwickeln: Nutze zwei Sorten Münzen oder Plättchen als Isotope und zeige mit einer Stichprobe, wie ein gewichteter Mittelwert entsteht.
2. Rechenplakat erstellen: Gestalte ein Plakat mit dem Rechenweg zur mittleren Atommasse von Chlor.
3. Erklärvideo planen: Entwirf ein einminütiges Erklärvideo über Ionisation, Trennung und Detektion im Massenspektrometer.
4. Begriffe vergleichen: Erstelle eine Tabelle, die Atommasse, relative Atommasse, Molekülmasse und molare Masse gegenüberstellt.

Schwer

1. Unbekannte Häufigkeit bestimmen: Erfinde ein Element mit zwei Isotopen und berechne aus einer vorgegebenen mittleren Atommasse die unbekannte Häufigkeit.
2. Spektrum auswerten: Zeichne ein vereinfachtes Massenspektrum für zwei Isotope und erkläre die Bedeutung von Peaklage und Peakhöhe.
3. Abweichung untersuchen: Recherchiere, warum Isotopenmassen nicht exakt mit ihren Massenzahlen übereinstimmen, und erkläre den Zusammenhang in eigenen Worten.
4. Anwendung beurteilen: Entwickle einen Fall, in dem Isotopenmessungen zur Herkunftsbestimmung einer Probe beitragen, und nenne Grenzen der Aussagekraft.

Lernkontrolle

1. Zusammenhänge darstellen: Erstelle ein Begriffsnetz mit Atommasse, Massenzahl, Ordnungszahl, Isotop, molarer Masse und Massenspektrometrie. Beschrifte jede Verbindung.
2. Fehler finden: Eine Person behauptet, jedes Chloratom habe 35,45 Neutronen. Erkläre den Denkfehler und formuliere eine korrekte Aussage.
3. Isotopendaten deuten: Zwei Proben desselben Elements besitzen leicht unterschiedliche mittlere Atommassen. Nenne eine mögliche Ursache und erläutere sie.
4. Münzmodell bewerten: Beurteile, welche Aspekte eines Isotopengemisches durch ein Münzmodell gut und welche nur unzureichend dargestellt werden.
5. Molekülmasse ableiten: Zeige an einem selbst gewählten Molekül, wie Du aus Atommassen eine Molekülmasse und anschließend eine molare Masse bestimmst.
6. Messverfahren erklären: Begründe, weshalb sowohl die Lage als auch die Höhe eines Peaks für die Berechnung einer mittleren Atommasse benötigt werden.

Lernnachweis

Für einen erfolgreichen Lernnachweis solltest Du zeigen, dass Du:

1. Atommasse, relative Atommasse und Massenzahl sicher unterscheidest.
2. die Definition der atomaren Masseneinheit $\mathrm{u}$ erklären kannst.
3. Isotope anhand von Protonen- und Neutronenzahlen erkennst.
4. einen gewichteten Mittelwert aus Isotopenmassen und Häufigkeiten berechnest.
5. Informationen aus einer Elementkarte und einem einfachen Massenspektrum deutest.
6. den Zusammenhang zwischen Atommasse und molarer Masse anwendest.
7. einen chemischen Sachverhalt nachvollziehbar mit Fachbegriffen, Rechnung und Einheit darstellst.

Verknüpfte Lernbereiche

Atommasse - Chemie Atom Isotop Massenzahl Ordnungszahl Atomare Masseneinheit Periodensystem Massenspektrometrie Molare Masse Stöchiometrie