Schwerer oder leichter als Luft?
Kommt man bei einem Einsatz in Kontakt mit einem Gas ist es immer wichtig zu wissen, ob das Gas am Boden bleibt oder in die Höhe steigt. Um dies zu wissen, muss ermittelt werden, ob die Dichte des Gases geringer als die Umgebungsluft ist und damit das Gas gen Himmel steigt oder ob die Dichte höher ist und das Gas sich in Mulden und Schächten ansammelt. Leider gibt es bei der Verwendung der Dichte zwei Problme:
- Es werden unzählige Substanzen in Deutschland transportiert, gelagert oder verarbeitet. Für alle dieser Substanzen die Dichte auswendig zu lernen oder aufzuschreiben ist ziemlich aufwendig.
- Die Dichte ist abhängig von der Temperatur des Gases. Ohne eine Vorlesung in Thermodynamik besucht zu haben, steht man auch hier auf verlorenem Posten.
Aus diesem Dilemma kommt man mit einer anderen Einheit heraus: Die Molare Masse des Gases.
Herleitung
Mol, die unbekannte Größe
Eine Größe, die man vielleicht noch aus dem Chemieunterricht kennt, ist die SI-Einheit Mol, die definiert ist als
Im SI-Einheitensystem ist das Mol eine Basiseinheit und so definiert: “Das Mol ist die Stoffmenge eines Systems, das aus ebenso viel Einzelteilchen besteht, wie Atome in 12 Gramm des Nuklids Kohlenstoff-12 (12C) enthalten sind.” Die Einheit Mol gibt also die Anzahl der Atome bzw. Moleküle eines Stoffs an.
Molares Volumen
Für ideale Gase gilt, dass ein Mol bei Normalbedingungen (273,15 K, 1013,25 Pa) ein Volumen von 22,414 Litern einnimmt. Für reale Gase, Feststoffe und Flüssigkeiten ist das molare Volumen hingegen stoffabhängig. Für eine grobe Abschätzung reicht die Betrachtung als ideales Gas.
Somit klar, dass ein Mol von jedem Atom und jedem Molekül das gleiche Volumen einnimmt. Daraus folgt: Allein die Masse pro Mol ist entscheidend für die Dichte des Stoffes.
Masse pro Mol
 |
| Periodensystem, Helium |
Wirft man einen Blick auf das Periodensystem der Elemente, bekommt man die Masse pro Mol direkt geliefert. Diese Masse wird in der atomaren Masseneinheit u (engl. unified atomic mass unit, 1u = 1g/mol) angegeben. Die Masse von 1u bedeutet hierbei, dass 1 mol des Stoffes 1g wiegt.
Helium hat eine atomare Masse von 4,0026u (2 Protonen mit 1u, 2 Neutronen mit je 1u und 2 Elektronen mit je 0,0013u). Helium kommt in der Natur 1-Atomar vor, das heißt, bei einem Helium-Gas gehen die Atome untereinander keine Verbindung ein. Somit ist die Masse pro mol Helium 4,0026g.
 |
| Periodensystem, Stickstoff |
Nicht jedes Atom kommt 1-Atomar vor. Stickstoff bildet beispielsweise Moleküle aus 2 Atomen: N2. Ein einzelnes Stickstoff-Atom wiegt 14,007u, das Molekül N2 wiegt somit 28,014. Ein Mol Stickstoff wiegt demnach ca. 28g. Somit gilt: Die Masse von einem Mol eines beliebigen Stoffes lässt sich durch die Summierung der Atommassen bestimmen
Luft als Referenz
Um zu bestimmen, ob ein Gas aufsteigt oder absinkt, fehlt noch die Referenzmasse von Luft.
Luft besteht bekanntlich aus 78,084% Stickstoff, 20,942% Sauerstoff, 0,934% Argon und 0,038% Kohlenstoffdioxid (alle Prozentzahlen sind auf das Volumen bezogen). Sämtliche weiteren Bestandteile kommen im ppm-Bereich (engl. parts per million) in der Luft vor und können ignoriert werden. Somit ergibt sich (Atommassen gerundet):
| Bestandteil | Vol % | Vorkomen | Atommasse |
|---|---|---|---|
| Stickstoff | 78,084% | N2 | 2 * 14u = 28u |
| Sauerstoff | 20,942% | O2 | 2 * 16u = 32u |
| Argon | 0,934% | Ar | 40u |
| Kohlenstoffdioxid | 0,038% | CO2 | 12 + 2 * 16u = 44u |
Summiert man die Atommassen auf, ergibt sich: 0,78084 * 28u + 0,20942 * 32u + 0,00934 * 40u + 0,00038 * 44u = 28,95528u Um das ganze etwas einfacher zu machen, kann man nun sagen: Alles mit der Atom- bzw. Molekülmasse von weniger als 29u steigt auf, alles mit 29u oder mehr sinkt ab.
Häufig vorkommende Gase
| Stoff | Summenformel | Masse | leichter/schwerer | Wirkung | Gefahren |
|---|---|---|---|---|---|
| Acetylen | C2H2 | 2*12u + 2*1u = 26u | leichter | Blut, Nerven, Zellen |  |
| Ammoniak | NH3 | 14u + 3*1u = 17u | leichter | Reizend |   |
| Benzol | C6H6 | 6*12u + 6*1u = 78u | schwerer | Blut, Nerven, Zellen | |
| Blausäure (Cyanwasserstoff) | HCN | 1u + 12u + 14u = 27u | leichter | Blut, Nerven, Zellen | |
| Brom | Br2 | 2*80u = 160u | schwerer | Reizend |  |
| Butan | C4H10 | 4*12u + 10*1u = 58u | schwerer | Blut, Nerven, Zellen | |
| Chlor | Cl2 | 2*25,5u = 71u | schwerer | Reizend | |
| Chlorwasserstoff | HCL | 1u + 35,5u = 36,5u | schwerer | Reizend | |
| Diethylether | (C2H5)2O | (2*12u + 5*1u)*2 + 16 = 74u | schwerer | Blut, Nerven, Zellen |  |
| Kohlenstoffmonoxid | CO | 12u + 16u = 28u | leichter | Blut, Nerven, Zellen | |
| Helium | He | 4u | leichter | Erstickend | |
| Kohlenstoffdioxid | CO2 | 12u + 2*16u = 44u | schwerer | Blut, Nerven, Zellen | |
| Methan | CH4 | 12u + 4*1u = 16u | leichter | Erstickend | |
| Neon | Ne | 20,1u | leichter | Erstickend | |
| Phosgen | COCl2 | 12u + 16u + 2*35,5u = 99u | schwerer | Blut, Nerven, Zellen | |
| Salpetersäure | HNO3 | 1u + 14u + 3*16u = 63u | schwerer | Reizend |  |
| Schwefeldioxid | SO2 | 32u + 2*16u = 64u | schwerer | Reizend | |
| Schwefelkohlenstoff | CS2 | 12u + 2*32u = 76u | schwerer | Blut, Nerven, Zellen | |
| Schwefelsäure | H2SO4 | 2*1u + 32u + 4*16u = 98u | schwerer | Reizend | |
| Stickstoff | N2 | 2*14u = 28u | leichter | Erstickend | |
| Tetrachlorkohlenstoff | CCl4 | 12u + 4*35,5u = 154u | schwerer | Blut, Nerven, Zellen | |
| Wasserstoff | H2 | 2*1u = 2u | leichter | Erstickend | farblose Flamme |
Quellen
- IDF NRW, Lehrunterlage LU 11-015, www.idf.nrw.de
- Wikipedia DE, de.wikipedia.org