Wenn du schon einmal gegrillt hast, kennst du bestimmt das Phänomen: Von einem riesigen Berg Grillkohle, bleibt meist nur ein kleiner Haufen Asche übrig (Abb. 1). Was geschieht während der Verbrennung? Geht die Masse der Grillkohle verloren?
Chemische Reaktionen im offenen System
Da kann die Masse abnehmen
Du kannst Grillkohle in einem Reagenzglas verbrennen und dabei mit einer Waage ganz einfach das Gewicht beobachten. Du wirst sehen, wie die Waage immer weniger Gewicht anzeigt. Die Grillkohle reagiert mit dem Sauerstoff in der Luft überwiegend zu Kohlenstoffdioxid und gasförmigem Wasser:
\(\ce{Grillkohle (fest) + Sauerstoff (gasf\rm\ddot{o}rmig) -> Kohlenstoffdioxid (gasf\rm\ddot{o}rmig) + Wasser (gasf\rm\ddot{o}rmig)}\)
Wenn du dir die Reaktionsgleichung genau anschaust, kannst du erkennen, dass nur die Grillkohle ein Feststoff ist. Sauerstoff, Kohlenstoffdioxid und Wasser sind alle gasförmig. Diese gasförmigen Stoffe entweichen dem Reagenzglas und werden nicht mitgewogen. Vielleicht lässt sich noch etwas Wasser an der Reagenzglaswand beobachten, das in kühleren Bereichen wieder kondensiert, also flüssig wird. Während der chemischen Reaktion nimmt die angezeigte Masse auf der Waage ab, da immer weniger Grillkohle vorhanden ist. Wenn bei einer chemischen Reaktion Stoffe aus der Umgebung reagieren oder an die Umgebung abgegeben werden, sprechen wir von einem offenen System. In unserem Versuch nimmt der Sauerstoff aus der Umgebung an der chemischen Reaktion teil. Kohlenstoffdioxid und Wasser hingegen werden an die Umgebung abgegeben.
Und die Masse kann zunehmen
Es ist in einem offenen System auch möglich eine Massenzunahme auf der Waage zu betrachten: Bei der Reaktion von Eisenwolle mit Sauerstoff in einem Reagenzglas ist das der Fall.
\(\ce{Eisen (fest) + Sauerstoff (gasf\rm\ddot{o}rmig) -> Eisenoxid (fest) }\)
Betrachte hier die Stoffe, die gewogen werden. Zu Beginn zeigt die Waage nur das Gewicht des Eisens. Während der chemischen Reaktion reagiert das Eisen mit Sauerstoff aus der Luft. Es entsteht dabei der neue Stoff Eisenoxid. Dieses Produkt weist eine größere Masse auf, da zur Masse des Eisens noch die des Sauerstoffs hinzukommt. Nach der chemischen Reaktion steigt daher die Massenanzeige an der Waage.
Chemische Reaktionen im geschlossenen System
Die Masse bleibt gleich
Du kannst auch beide oben genannten Reaktionen in einem geschlossenen System durchführen. Das bedeutet, dass keine Stoffe an die Umgebung abgegeben und aus der Umgebung aufgenommen werden können. Bei den Beispielen erreichst du das, indem du einen Luftballon über die Öffnung des Reagenzglases stülpst. Spüle das Reagenzglas vorher mit reinem Sauerstoff. Stoffe können so weder rein noch raus und es kann alles gewogen werden, was sich im Reagenzglas befindet. Bei dem Versuch mit der Holzkohle kannst du beobachten, wie die Holzkohle im Reagenzglas verbrennt. Du siehst auch, dass sich der Luftballon aufbläht. Das liegt an der warmen Luft im geschlossenen System, die mehr Raum einnimmt als kalte Luft. Wenn sich das System wieder abkühlt, erschlafft der Ballon. Die Waage zeigt dasselbe Gewicht wie vor der Reaktion an. Das gleiche kannst Du auch bei dem Versuch mit der Eisenwolle beobachten. Die Masse des geschlossenen Systems ist vor und nach der Reaktion vergleichbar.
Zusammenfassung
Bei einer chemischen Reaktion ändert sich die Gesamtmasse aller beteiligten Stoffe nicht. Die Gesamtmasse bleibt immer gleich. Daher spricht man auch vom Satz von der Erhaltung der Masse. Wenn sich die Masseanzeige an der Waage bei chemischen Reaktionen ändert, dann liegt das ausschließlich daran, dass nicht alle Stoffe mitgewogen werden. In einem geschlossenen System ändert sich die Masse nämlich nie. Die Masse aller Produkte entspricht somit immer der Masse aller Edukte.