Gesetz von den konstanten Proportionen
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Lerntext zum Thema Gesetz von den konstanten Proportionen
Die Geschichte des Gesetzes von den konstanten Proportionen
Die Vorgeschichte
Seit mindestens der Antike beschäftigt sich der Mensch mit der Zusammensetzung der uns umgebenden Stoffe.
Schon im 11. Jahrhundert, im damaligen Andalusien, wurde im Buch Der Rang der Weisen (arab. Rutbat al-Hakim) ein Experiment zur Herstellung von Quecksilberoxid beschrieben und die Beobachtung festgehalten, dass die Masse des nach der Reaktion erhaltenen Produkts der Summe der Massen der eingesetzten Stoffe entspricht.
1789 formulierte dann der französische Chemiker Lavoisier das Massenerhaltungsgesetz in seinem Hauptwerk Grundlegende Abhandlung der Chemie (frz. Traitè Élementaire de Chimie).
Das Massenerhaltungsgesetz sagt aus, dass während einer chemischen Reaktion kein Stoff verloren geht oder verbraucht wird. Allerdings wurden bisher noch keine Aussagen über die eigentliche Zusammensetzung der einzelnen chemischen Verbindungen getroffen.
Der Chemiker Proust, sein Experiment und die Entdeckung
Der im Jahr 1754 geborene französische Chemiker Joseph Louis Proust widmete sich nach seiner Ausbildung zum Apotheker der Analytik von chemischen Verbindungen. Ihn interessierte besonders die Zusammensetzung der Stoffe.
In den Jahren 1797 bis 1809 untersuchte er verschiedene Stoffe auf ihre Bestandteile und notierte die Massenanteile der in den Verbindungen enthaltenen Elemente.
Zu den untersuchten Stoffen gehörten verschiedene Eisensulfid- und Zinnoxidverbindungen, die er anhand ihrer optischen Eigenschaften wie Farbe und Beschaffenheit unterscheiden konnte, sowie Kupfercarbonat.
Zuerst stellte Proust das Kupfercarbonat selbst her, indem er ungefähr $\pu{45 kg}$ Kupfer $\ce{(Cu)}$ mit Kaliumcarbonat $\ce{(K2CO3)}$ zur Reaktion brachte. Aus der Reaktion erhielt er ungefähr $\pu{82 kg}$ Kupfercarbonat $\ce{(CuCO3)}$.
Dann untersuchte Proust natürlich vorkommendes Kupfercarbonat $\ce{(CuCO3)}$. Nach der Destillation und Reduktion von ungefähr $\pu{82 kg}$ Kupfercarbonat $\ce{(CuCO3)}$ erhielt er ungefähr $\pu{45 kg}$ Kupfer $\ce{(Cu)}$ zurück.
Er wiederholte die Experimente mehrmals. Dabei erhielt er immer wieder die gleichen Ergebnisse:
Man kann zusammenfassen, dass ungefähr $\pu{82 kg}$ Kupfercarbonat $\ce{(CuCO3)}$ immer ungefähr $\pu{45 kg}$ Kupfer $\ce{(Cu)}$ enthalten.
Das Gesetz der konstanten Proportionen
Die Formulierung des Gesetzes
Aus den Ergebnissen seiner Experimente schlussfolgerte Proust dann im Jahr 1799, dass in einer Verbindung die Anteile der chemischen Elemente immer gleich sein müssen.
In einer Verbindung kommen die chemischen Elemente immer im gleichen Massenverhältnis vor.
Mit genaueren Messmethoden und Experimenten erhält man für Kupfercarbonat $\ce{(CuCO3)}$ die in der Tabelle gelisteten prozentualen Massenanteile für Kupfer $\ce{(Cu)}$, Kohlenstoff $\ce{(C)}$ und Sauerstoff $\ce{(O)}$.
| Kupfer | Kohlenstoff | Sauerstoff | |
|---|---|---|---|
| Kupfercarbonat | ${~51\,\%}$ | ${~10\,\%}$ | ${~39\,\%}$ |
In $\pu{1 000 g}$ Kupfercarbonat $\ce{(CuCO3)}$ sind also ungefähr $\pu{510 g}$ Kupfer $\ce{(Cu)}$, $\pu{100 g}$ Kohlenstoff $\ce{(C)}$ und $\pu{390 g}$ Sauerstoff $\ce{(O)}$ enthalten.
Aus diesen gemessenen Massen kannst du nun mithilfe der Atommassen die Summenformel für Kupfercarbonat aufstellen.
Bilde dazu jeweils den Quotienten aus der gemessenen Masse durch die Atommasse.
| Element | Gemessene Masse (in $\pu{g}$) | Atommasse (in $\pu{u}$) | Quotient |
|---|---|---|---|
| Kupfer | ${~510}$ | ${~64}$ | ${~8}$ |
| Kohlenstoff | ${~100}$ | ${~12}$ | ${~8}$ |
| Sauerstoff | ${~390}$ | ${~16}$ | ${~24}$ |
Das Verhältnis der Atomanzahl von Kupfer zu Kohlenstoff zu Sauerstoff beträgt also $\ce{Cu : C : O = 8 : 8 : 24}$. Wenn du das Verhältnis durch ${8}$ teilst, dann erhältst du $\ce{Cu : C : O = 1 : 1 : 3}$. Das untersuchte Kupfercarbonat besteht also aus einem Atom Kupfer, einem Atom Kohlenstoff und drei Atomen Sauerstoff.
Die Summenformel für Kupfercarbonat lautet somit $\ce{CuCO3}$.
Die Proportionen, also das Verhältnis der Massen, von Kupfer zu Kohlenstoff und zu Sauerstoff ist in der Verbindung $\ce{CuCO3}$ immer gleich, also konstant. Daher heißt das Gesetz Gesetz von den konstanten Proportionen.
Auch das Verhältnis der Atomanzahl in einer Verbindung bleibt konstant.
Mit der Formulierung des Gesetzes von den konstanten Proportionen wurde der Grundstein für die Stöchiometrie gelegt.
Mischungen
Der französische Chemiker Claude-Louis Berthollet allerdings widersprach Proust, da er in seinen Experimenten verschiedene Ergebnisse erhielt und so nicht das Gesetz von den konstanten Proportionen bestätigen konnte.
Proust wiederum antwortete auf die Bedenken von Berthollet damit, dass die von Berthollet untersuchten Proben Mischungen verschiedener Verbindungen der gleichen Elemente seien.
Das Eisensulfid zum Beispiel kommt in zwei verschiedenen Formen vor. Proust nannte sie zunächst Eisensulfid I und Eisensulfid II. Die Massenverhältnisse von Eisen zu Schwefel im Eisensulfid I und im Eisensulfid II sind jedoch jeweils immer gleich.
Aus Experimenten erhält man die in der Tabelle gelisteten prozentualen Massenanteile.
| Eisen | Schwefel | |
|---|---|---|
| Eisensulfid I | ${~64\,\%}$ | ${~36\,\%}$ |
| Eisensulfid II | ${~47\,\%}$ | ${~53\,\%}$ |
In der Tabelle stehen die Ergebnisse für $\pu{1 000 g}$ Eisensulfid I.
| Element | Gemessene Masse (in $\pu{g}$) | Atommasse (in $\pu{u}$) | Quotient |
|---|---|---|---|
| Eisen | ${~640}$ | ${~56}$ | ${~11}$ |
| Schwefel | ${~360}$ | ${~32}$ | ${~11}$ |
Das Verhältnis von Eisen zu Schwefel ist in Eisensulfid I ${1 : 1}$, also lautet die Summenformel dieser Verbindung $\ce{FeS}$.
Die Ergebnisse für $\pu{1 000 g}$ Eisensulfid II sind in der Tabelle festgehalten.
| Element | Gemessene Masse (in $\pu{g}$) | Atommasse (in $\pu{u}$) | Quotient |
|---|---|---|---|
| Eisen | ${~470}$ | ${~56}$ | ${~8}$ |
| Schwefel | ${~530}$ | ${~32}$ | ${~16}$ |
Das Verhältnis von Eisen zu Schwefel ist in Eisensulfid II ${1 : 2}$, also lautet die Summenformel dieser Verbindung $\ce{FeS2}$.
Auch in Mischungen aus $\ce{FeS}$ und $\ce{FeS2}$ bleiben die jeweiligen Massenverhältnisse gleich.
Zusammenfassung – Gesetz von den konstanten Proportionen
- Das Gesetz von den konstanten Proportionen besagt, dass die chemischen Elemente einer chemischen Verbindung immer im gleichen Massenverhältnis vorkommen.
- Das Gesetz von den konstanten Proportionen gilt auch in Mischungen.
Häufig gestellte Fragen zum Thema Gesetz von den konstanten Proportionen
Gesetz von den konstanten Proportionen Übung
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Formuliere das Gesetz von den konstanten Proportionen.
TippsProust fand bei der Untersuchung eines Stoffes immer wieder dieselbe prozentuale Zusammensetzung.
LösungDieses Gesetz formulierte Joseph Luis Proust im Jahr 1797. Es ist eines der grundlegenden Gesetze der Chemie, wie der Massenerhaltungs- und der Ladungserhaltungssatz. Nach diesem Gesetz ist ein Stoff immer aus Elementen aufgebaut, die in festen Zahlenverhältnissen zueinander stehen, wie zum Beispiel $CO_2$.
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Ermittle die Formel des Schwefeloxids.
TippsWie viele Atome der Elemente werden benötigt, damit jedes 50% der Masse der Verbindung ausmacht?
Da die Atommasse der Elemente nicht gleich ist, kann das Verhältnis nicht 1 zu 1 sein.
LösungEin Atom Schwefel hat die doppelte Masse eines Sauerstoffatoms. Das heißt, ein Atom Sauerstoff wiegt nur halb so viel wie ein Atom Schwefel. Damit nun jedes Element die Hälfte des Gewichts der Verbindung ausmacht, müssen folglich doppelt so viele Sauerstoffatome wie Schwefelatome vorliegen. Das Verhältnis von Schwefel zu Sauerstoff ist damit 1 zu 2.
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Benenne die gegebenen chemischen Verbindungen.
TippsVorsilben im Namen geben die Anzahl der Atome des Elements in der Verbindung an.
Mono- steht für 1 und di- für 2.
LösungKupfercarbonat $CuCO_3$ ist ein Salz der Kohlensäure. Es ist ein blaugrünes Salz. Zinnmonoxid $SnO$ ist ein grau-brauner Feststoff, während das Zinndioxid $SnO_2$ ein weißer Feststoff ist. Zinksulfid $ZnS$ wird unter anderem in der Lackindustrie als Weißpigment benutzt.
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Erkläre, wie aus der Zusammensetzung eines Stoffes seine Formel gebildet wird.
TippsWelches Ziel verfolgt Ben mit der Untersuchung?
Das Elementsymbol für Stickstoff wird von seinem lateinischen Namen Nitrogenium abgeleitet. Sauerstoff heißt im lateinischen Oxigenium.
LösungWenn man die prozentuale Massenverteilung eines Stoffes kennt, kann man daraus immer schließen, wie seine Formel aussieht. Dafür muss man auf das Periodensystem schauen und die Atomgewichte der Elemente, die in diesem Stoff enthalten sind, ins Verhältnis zueinander setzen. In diesem Fall hatten die Elemente annähernd das gleiche Atomgewicht. Aus dem Verhältnis 30% zu 70% kann man also schlussfolgern, dass die Verteilung 1 zu 2 ist, da $30\cdot 2=60$. Das Doppelte von 30 ist also nah an 70. Die erhaltene Formel ist damit $NO_2$.
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Benenne die Entdeckungen der Alchemisten.
TippsDurch Versuche mit verschiedenen Substanzen entdeckten die Alchemisten unter anderem neue Elemente.
LösungEin großes Ziel der Alchemie war die Herstellung von Gold aus anderen Metallen. Als Nebenprodukt dieser Suche wurde das Porzellan gefunden. Außerdem gehen auch die Entdeckungen des Phosphors und des Schwarzpulvers auf die Alchemisten zurück.
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Ermittle die Formel des Kupferoxids.
TippsDie Prozentzahlen geben den Anteil des einzelnen Elements in der Verbindung an.
Die Elemente sind aber nicht alle gleich schwer. Deswegen musst du ihr Atomgewicht berücksichtigen.
LösungDurch die Prozentzahlen weißt du, dass fast 9 Teile der gesamten Masse aus Kupfer bestehen. Nur ein Teil der Masse ist Sauerstoff.
Ein Atom Kupfer ist 4 mal so schwer wie ein Atom Sauerstoff.
Du kannst nun überlegen, wenn die Verbindung zu 11% aus Sauerstoff besteht und Kupfer 4 mal so schwer wie Sauerstoff ist, müsste bei einem Verhältnis von 1 zu 1 (also $CuO$) Kupfer 44% der Masse ausmachen.
Dies ist aber nicht der Fall. Der prozentuale Anteil an Kupfer ist mit 89% mehr als doppelt so hoch ($44\cdot 2=88%$).
Das Verhältnis der beiden Elemente in der Verbindung ist also 2 zu 1 ($Cu$ zu $O$). Somit lautet die Formel $Cu_2O$.
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