Gesetz der Erhaltung der Masse

Zielsetzung: Das Arbeitsblatt vermittelt eines der fundamentalen Gesetze der Chemie: Das Gesetz der Erhaltung der Masse. Die Lernenden sollen verstehen, dass bei chemischen Reaktionen keine Masse verloren geht oder neu entsteht, sondern Atome lediglich neu angeordnet werden.

Inhalte und Methoden: Die Inhalte werden durch die Verknüpfung theoretischer Grundlagen mit praktischen Experimenten und mathematischen Übungen vermittelt: Ausgehend von der Einführung des Gesetzes der Massenerhaltung und der Bedeutung geschlossener Systeme wird das Prinzip durch anschauliche Modelle veranschaulicht und in einem Experiment überprüft. Anschließend vertiefen die Lernenden ihr Verständnis durch die Analyse offener und geschlossener Systeme sowie durch Rechenaufgaben zur Massenbestimmung, bevor eine abschließende Reflexion das Wissen sichert.

Kompetenzen:

Fachwissen Chemie: Verständnis der Massenerhaltung und der atomaren Neuordnung bei Reaktionen
Erkenntnisgewinnung: Durchführung und Protokollierung eines wissenschaftlichen Experiments unter Beachtung von Sicherheitsregeln (Schutzbrille, Laborkittel)
Abstraktionsvermögen: Transfer zwischen Alltagsmodellen (Pausenbrot) und chemischen Prozessen
Mathematische Kompetenz: Anwendung des Gesetzes zur Berechnung von Stoffmengenbilanzen

Zielgruppe und Niveau: Ab Klasse 8

Info: Die Bearbeitung der Aufgabe Den Atomen auf der Spur ist nur online möglich.

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Target group and level

ab Klasse 8

Subjects

Chemistry

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Gesetz der Erhaltung der Masse

Einleitung in die Thematik

1. Lies dir den Informationstext über die Entdeckung von Antoine de Lavoisier und die chemischen Grundlagen der Massenerhaltung aufmerksam durch.

2. Achte besonders darauf, unter welchen Bedingungen (offenes vs. geschlossenes System) dieses Gesetz messbar wird und warum Gase eine entscheidende Rolle spielen.

Das Gesetz der Erhaltung der Masse – Grundlagen und Beispiel

Das Gesetz der Erhaltung der Masse ist eine wichtige Grundlage der Chemie. Es wurde 1785 von Antoine de Lavoisier formuliert. Das Gesetz sagt aus, dass bei einer chemischen Reaktion die Gesamtmasse der Ausgangsstoffe (Edukte) gleich der Gesamtmasse der entstehenden Produkte ist.

Das bedeutet:

Es geht keine Masse verloren.
Es kommt keine neue Masse hinzu.
Die Atome werden nur neu angeordnet, aber nicht zerstört oder neu gebildet.

Wichtig ist, dass das System geschlossen ist, also nichts entweichen oder dazukommen kann. Das gilt besonders für Reaktionen mit Gasen, die leicht entweichen können. Auch wenn wir die Gase nicht sehen, haben sie eine Masse und müssen mitgerechnet werden.

Dieses Gesetz unterscheidet sich von anderen chemischen Gesetzen, zum Beispiel vom Gesetz der konstanten Proportionen. Dort geht es um die festen Mengenverhältnisse, in denen sich Elemente verbinden. Beim Gesetz der Erhaltung der Masse steht dagegen nur die Gesamtmasse im Mittelpunkt.

Beispiel: Reaktion von Wasserstoff und Sauerstoff

Wenn Wasserstoff (H₂) mit Sauerstoff (O₂) reagiert, entsteht Wasser (H₂O). Die Masse des entstandenen Wassers ist genau so groß wie die Masse von Wasserstoff und Sauerstoff zusammen, die vorher eingesetzt wurden.

Auch wenn sich die Stoffe dabei stark verändern – aus zwei Gasen wird eine Flüssigkeit – bleibt die Gesamtmasse gleich. Die Atome von Wasserstoff und Sauerstoff werden nur neu zu Wassermolekülen zusammengesetzt.

Zusammengefasst: In der Chemie gibt es keine „magische“ Vermehrung oder ein Verschwinden von Stoffen. Alles bleibt erhalten, nur in neuer Form.

Den Atomen auf der Spur – Visualisierung nur online

Einstieg:

Stell dir vor, du belegst ein Pausenbrot. Die einzelnen Zutaten (z. B. Brot, Käse, Wurst) stehen dabei für verschiedene Stoffe. Überlege, wie aus einzelnen Bestandteilen etwas Neues entsteht.

Übertragung auf die Chemie:

Nun betrachten wir eine chemische Reaktion: Wasserstoff und Sauerstoff reagieren miteinander zu Wasser.

Überlege, wie sich dieses „Zusammenfügen“ mit dem Beispiel des Pausenbrots vergleichen lässt.

Aufgabe:

Stelle die Reaktion von Wasserstoff und Sauerstoff zu Wasser dar (z. B. als Zeichnung oder Reaktionsgleichung).

Zusatzaufgabe (für Schnelle):

Versuche, das Quiz zur Reaktion zu lösen.

Stelle dein eigenes Sandwichrezept zusammen und finde heraus, wie viele Sandwiches du mit verschiedenen Zutaten machen kannst. Übertrage dieses Prinzip auf chemische Reaktionen und entdecke, wie viele Produkte du mit unterschiedlichen Mengen an Reaktanten herstellen kannst. Teste dein Wissen zu Reaktanten, Produkten und Überschussreagenzien in einem spannenden Spiel!

„Reaktanden, Produkte und Reste“, © PhET Interactive Simulations, University of Colorado Boulder, lizenziert unter CC BY 3.0

Das Hauptexperiment

Bereite deinen Arbeitsplatz vor und stelle sicher, dass alle benötigten Materialien bereitstehen.
Lies dir die Sicherheitshinweise aufmerksam durch und lege deine Schutzausrüstung (Schutzbrille, Kittel und Handschuhe) an, bevor du mit dem Experiment beginnst.
Lies dir die erste Seite des Protokolls genau durch und stelle vor dem Experiment eine Hypothese auf.
Führe den Versuch Schritt für Schritt nach der Anleitung durch.
Fülle das Protokoll mit den gewonnenen Informationen aus.

Info für die Lehrkraft:

Hier besteht die Möglichkeit das Experiment als Lehrerversuch durchzuführen oder als Schülerexperiment.

Experiment: Verbrennung von Eisenwolle – Nachweis des Gesetzes der Erhaltung der Masse

Beschreibung des Experiments:

Bei diesem Experiment wird Eisenwolle in einem geschlossenen System verbrannt, um zu zeigen, dass bei der Reaktion mit Sauerstoff die Gesamtmasse erhalten bleibt. Die Eisenwolle reagiert mit dem Sauerstoff der Luft zu Eisenoxid. Durch das Wiegen vor und nach der Reaktion kann das Gesetz der Erhaltung der Masse experimentell überprüft werden.

Durchführung:

Eine kleine Menge Eisenwolle wird mit einer Pinzette leicht auseinandergezogen und auf eine feuerfeste Unterlage gelegt.
Die Eisenwolle wird auf einer Waage gewogen und die Masse notiert.
Ein hitzebeständiges Glas (z. B. ein Becherglas oder eine große Uhrglasschale) wird über die Eisenwolle gestülpt, sodass ein möglichst geschlossenes System entsteht (alternativ kann ein Standzylinder verwendet werden).
Die Eisenwolle wird mit einer Zange an einem Ende mit einem Gasbrenner kurz entzündet, sodass sie glimmt.
Das Glas wird sofort darüber gestülpt, damit kein Sauerstoff nachströmen kann und die Reaktion im geschlossenen System abläuft.
Die Eisenwolle verbrennt und reagiert mit dem Sauerstoff zu Eisenoxid. Nach dem Erlöschen und Abkühlen wird das gesamte System erneut gewogen.
Die Masse vor und nach der Reaktion wird verglichen.

Erklärung:

Die Eisenwolle reagiert mit dem Sauerstoff der Luft zu Eisenoxid (Fe₃O₄). Es findet eine chemische Reaktion statt, bei der Atome neu angeordnet werden. Da das System geschlossen ist, kann kein Sauerstoff entweichen oder von außen hinzukommen. Die Gesamtmasse vor und nach der Reaktion bleibt daher gleich, was das Gesetz der Erhaltung der Masse beweist.

Materialien und Chemikalien:

Eisenwolle (fein, handelsüblich)
Pinzette
Feuerfeste Unterlage (z. B. Porzellantiegeldeckel)
Waage (mindestens 0,01 g Genauigkeit)
Hitzebeständiges Becherglas, Uhrglasschale oder Standzylinder
Gasbrenner oder Streichhölzer/Feuerzeug
Zange
Schutzbrille, Laborkittel, Schutzhandschuhe

Sicherheitshinweise:

Schutzbrille und Laborkittel tragen, um sich vor Funken und Hitze zu schützen.
Eisenwolle nicht in der Nähe von leicht entflammbaren Stoffen entzünden.
Das Experiment unter Aufsicht einer Lehrkraft und auf einer feuerfesten Unterlage durchführen.
Für ausreichende Belüftung sorgen.
Die heißen Materialien erst nach dem vollständigen Abkühlen anfassen.

Alle genannten Materialien und Chemikalien sind laut Sicherheitsdatenbank für den Chemieunterricht in der Schule zugelassen.

Materialien und Chemikalien

• Eisenwolle (fein)

• Pinzette

• Feuerfeste Unterlage (z.B. Porzellantiegeldeckel)

• Präzisionswaage (mindestens 0,01 g Genauigkeit)

• Hitzebeständiges Becherglas, Uhrglasschale oder Standzylinder

• Gasbrenner oder Streichhölzer/Feuerzeug

• Zange

• Schutzbrille

• Laborkittel

• Schutzhandschuhe

Sicherheitshinweise

ACHTUNG: Trage unbedingt eine Schutzbrille, einen Laborkittel und Schutzhandschuhe! Führe das Experiment nur auf einer feuerfesten Unterlage durch und achte darauf, dass keine brennbaren Stoffe in der Nähe sind. Arbeite nur unter Aufsicht einer Lehrkraft und sorge für gute Belüftung. Heiße Materialien erst nach dem vollständigen Abkühlen anfassen.

Durchführung

Ziehe die Eisenwolle mit der Pinzette etwas auseinander und lege sie auf die feuerfeste Unterlage.
Stelle die feuerfeste Unterlage mit der Eisenwolle auf die Waage und wiegt das gesamte System einmal vor dem Versuch. Notiert die Masse.
Nimm das Becherglas (oder die Uhrglasschale/den Standzylinder) bereit, um es später über die Eisenwolle zu stülpen.
Zünde mit Hilfe der Zange ein Ende der Eisenwolle mit dem Gasbrenner oder einem Streichholz an, sodass sie zu glimmen beginnt.
Stülpe sofort das hitzebeständige Glas über die glimmende Eisenwolle, damit ein möglichst geschlossenes System entsteht und kein neuer Sauerstoff von außen dazukommt.
Warte, bis die Eisenwolle vollständig abgebrannt ist und alles abgekühlt ist.
Stelle das gesamte System (feuerfeste Unterlage, Eisenoxid, Glas) erneut auf die Waage und wiege es. Notiere die Masse.
Vergleiche die Masse vor und nach der Reaktion.

Versuchsprotokoll

Dokumentiere den gesamten Versuchsablauf strukturiert und fachgerecht im vorgesehenen Protokoll. Bearbeite dabei alle folgenden Aufgaben vollständig:

1. Vorbereitung des Experiments

Beschreibe die Vorbereitung des Experiments. Formuliere eine passende Hypothese zum Versuch.

Fertige außerdem eine übersichtliche Skizze des Versuchsaufbaus an und beschrifte alle wichtigen Bestandteile.

2. Beobachtung und Messwerte

Halte während der Durchführung alle Beobachtungen sorgfältig fest und notiere die gemessenen Werte vollständig und übersichtlich.

Erstelle zusätzlich eine Skizze des Systems während der Reaktion, in der Veränderungen deutlich erkennbar sind.

3. Auswertung des Experiments

Vergleiche deine aufgestellte Hypothese mit den tatsächlichen Ergebnissen.

Erkläre anschließend kurz und fachlich korrekt, ob das Gesetz der Erhaltung der Masse durch dein Experiment bestätigt werden konnte.

1. Vorbereitung des Experiments

Hypothese

Lade Zeichenfeld...

2. Beobachtung und Messwerte

Schreibe deine Beobachtung und Messwerte hier auf.

Lade Zeichenfeld...

3. Auswertung des Experiments

Vergleiche deine Hypothese mit dem Ergebnis. Erkläre kurz, ob das Gesetz der Erhaltung der Masse durch dein Experiment bestätigt wurde.

Analyse der Systeme – offen vs. geschlossen

Entscheide, ob es sich um ein offenes oder ein geschlossenes System handelt, und erkläre, was mit der messbaren Masse passiert.

Untersuchung: Masse bei Verbrennung

Situation	System	Masse	Warum?
1. Ein brennendes Teelicht auf einer Waage		nimmt zu nimmt ab bleibt gleich
2. Eisenwolle verbrennt unter einem fest sitzenden Becherglas		nimmt zu nimmt ab bleibt gleich
3. Eisenwolle verbrennt an der freien Luft		nimmt zu nimmt ab bleibt gleich

Die Masse-Mathe

Rechne die fehlenden Werte mit dem richtigen Rechenweg aus (Gesetz der Erhaltung der Masse!).

Masseerhaltung bei chemischen Reaktionen

Edukt 1	Edukt 2	Produkt
10 g Eisen	4 g Sauerstoff	g Eisenoxid
g Wasserstoff	16 g Sauerstoff	18 g Wasser
12 g Kupferwolle	g Sauerstoff	15 g Kupferoxid

Reflexion und Abschluss-Quiz

Kreuze die richtige Antwort an.

Untersuchung: Masse bei Verbrennung

Situation	System	Masse	Warum?
1. Ein brennendes Teelicht auf einer Waage	offenes System	nimmt ab	Beim Verbrennen reagieren Wachs und Sauerstoff zu gasförmigen Produkten, die in die Umgebung entweichen. Da diese Gase nicht auf der Waage bleiben, wird nur der Verlust an Wachs messbar und die angezeigte Masse nimmt ab.
2. Eisenwolle verbrennt unter einem fest sitzenden Becherglas	geschlossenes System	bleibt gleich	Alle Stoffe, also Eisen, Sauerstoff und die entstehenden Reaktionsprodukte, bleiben unter dem Becherglas eingeschlossen. Es kann weder Masse entweichen noch hinzukommen, daher bleibt die Gesamtmasse des Systems unverändert.
3. Eisenwolle verbrennt an der freien Luft	offenes System	nimmt zu	Die Eisenwolle reagiert mit Sauerstoff aus der Luft und bildet Eisenoxid. Dabei lagert sich zusätzlicher Sauerstoff an das Eisen an, der als Masse im festen Produkt zurückbleibt. Deshalb ist die Masse der verbrannten Eisenwolle größer als vorher.

Masseerhaltung bei chemischen Reaktionen

Edukt 1	Edukt 2	Produkt
10 g Eisen	4 g Sauerstoff	14 g Eisenoxid
2 g Wasserstoff	16 g Sauerstoff	18 g Wasser
12 g Kupferwolle	3 g Sauerstoff	15 g Kupferoxid

Beim ersten Beispiel handelt es sich um ein geschlossenes System. Die messbare Masse bleibt konstant bei 14 g, da weder Eisen noch Sauerstoff entweichen können und vollständig im Eisenoxid enthalten sind.
Beim zweiten Beispiel liegt ein offenes System vor, wenn das entstehende Wasser als Dampf entweichen kann. Dann erscheint die gemessene Masse auf der Waage kleiner als die eingesetzten 18 g, obwohl die Gesamtmasse im System tatsächlich erhalten bleibt.
Beim dritten Beispiel handelt es sich um ein geschlossenes System, wenn die Reaktion in einem verschlossenen Gefäß stattfindet. Dann bleibt die messbare Masse bei 15 g, weil Kupferwolle und Sauerstoff vollständig im Kupferoxid gebunden sind und kein Gas entweichen kann.