Diagramme auswerten und interpretieren

Der Italienier Amadeo Avogardo war Professor für mathematische Phsik und untersuchte im 19. Jahrhundert Gase und stieß dabei auf eine Besonderheit bei der Anzahl der Gasteilchen pro Volumeneinheit.

AKTIVITÄT (Freiwillig) - Entdecke den Satz von Avogadro über die Dichte

Auf → dieser Unterseite kannst du mit Hilfe von recht einfachen Berechnungen die Entdeckung des Satzes von Avogadro nachvollziehen.

Avogadros Überlegungen

Ende des 18. Jahrhunderts hatte man endlich ausreichend gute Waagen, um die Dichte von Gasen zu bestimmen. Dazu gehört auch die bei der Elektrolyse von Wasser gewonnenen zwei Gasarten Sauerstoff und Wasserstoff.

Ein wichtiger Chemiker zur Zeit Avogadros war der Franzose Antoine de Lavoisier. Er stellte fest, dass alle chemischen Stoffe aus den Elementarstoffen, den Elementen, aufgebaut sind. Die damals bekannten Metalle wie Silber, Kupfer, Blei, Zinn wurden von Lavoisier als Elemente eingeordnet. Und diese Elemente konnten mit dem Gas der Luft – Oxygène, also Sauerstoff – Verbindungen eingehen, wodurch zusammengesetzte Stoffe wie Bleioxid, Zinnoxid oder Kupferoxid entstanden. Lavoisier nannte die Stoffe, die wir heute als Elemente bezeichnen würden, als Substances simples (einfache Substanzen), weil sie sich nach Lavoisier nicht weiter mit chemischen Mitteln zerlegbar liesen.

Bei einigen Stoffen war also klar, was Elemente und was Verbindungen waren. Aber nicht bei allen! So fragten sich die Chemiker damals, welche Stoffe Elemente waren und welche Stoffe zusammengesetzt waren? Die Gase waren dabei der Schlüssel zur Bestimmung der Elemente.

Da sich Sauerstoff und Wasserstoff von Wasserdampf unterschieden, musste das Wasser, das ja bei einer Knallgasexplosion aus Sauerstoff und Wasserstoff entstand, ein zusammengesetzter Stoff sein.

Avogadro leitete sein Gesetz aus den von Gay-Lussac gefundenen gesetzmäßigen Beziehungen bei gasförmigen Stoffen ab.

Gesetze von Gay-Lussac

1. Gesetz: Der Quotient aus Volumen und Temperatur bei einem Gas ist bei gleichbleibender Menge und Druck gleich:

$\frac{V}{T} = \text{konst} \qquad \qquad \frac{V_1}{V_2} = \frac{T_1}{T_2}$

2. Gesetz: Der Druck von Gasen ist bei gleichbleibendem Volumen und gleichbleibender Teilchenanzahl direkt proportional zur Temperatur, weswegen der Quotient gleich bleibt.

$\frac{p}{T} = \text{konst} \qquad \qquad \frac{p_1}{p_2} = \frac{T_1}{T_2}$

Daraus folgerte Avogadro seinen Satz, wobei er auch Begriffe wie molécules élémentaires (Atome) und molécules intégrantes (Moleküle) verwendete, sein Gesetz galt aber auch Gasgemische. Bei seinen Überlegungen nahm Avogadro an, dass auch die Elemente zusammengesetzt sein können. Denn jedes Molekül eines Elementes in der Gasphase sollte aus zwei Atomen des Elementes bestehen, was wir ja von Sauerstoff O₂, Stickstoff N₂ Wasserstoff H₂ usw. kennen.

Die Idee Avogadros war nicht unumstritten, denn einige Chemiker waren der Meinung, dass die von ihm quasi eingeführten "Moleküle" aus mindestens 8 Atomen bestehen müssten. Dies konnte aber widerlegt werden. Stattdessen wurde mit Hilfe der Dichte von Gasen und dem Satz von Avogadro durch Jean Baptiste Dumas die Molekülmassen einer Vielzahl von gasförmigen Stoffen bestimmt und Charles Frédéric Gerhardt formulierte mit Hilfe der Dichte und den Molekülmassen Formeln für Chlorwasserstoff, Wasser, Ammoniak, Kohlenstoffdioxid. Dabei ergaben sich allerdings Widersprüche zu den Atommassen, die von Berzelius in einer erste Liste von Elementen mit ihren Symbolen und Massen aufgestellt hatte.

Es folgten viele weitere Experimente und Untersuchungen an Gasen und erst ein halbes Jahrhundert später gelangten Avogadros Ansichten nach ihrer ersten Formulierung wirklich zur Geltung. Avogadros Gesetz war damit von großer Bedeutung, insbesondere für die Chemie. Es ist aber auch für die Physik bedeutend, vor allem für die kinetische Gastheorie, die von James Clerk Maxwell weiterentwickelt wurde. Der Satz von Avogadro ist auch – wenn auch versteckt – in der allgemeinen Gasgleichung enthalten.

$p \cdot V = n \cdot R_m \cdot T$

Der Satz von Avogadro

Das Gesetz von Avogadro sagt aus, dass zwei gleich große Gasvolumina, die unter demselben Druck stehen und die dieselbe Temperatur haben, auch dieselbe Teilchenzahl einschließen. Dies gilt sogar dann, wenn die Volumina verschiedene Gase enthalten, also gemischt sind. Umgekehrt kann man daraus schließen, dass ein Gaspaket in einem bestimmten Volumen auch eine bestimmte Anzahl von Teilchen hat, die unabhängig von der Stoffart ist.

Satz von Avogadro

Alle Gase enthalten bei gleicher Temperatur und gleichem Druck in gleichen Volumina die gleiche Teilchenzahl.

Für was ist der Satz von Avogadro wichtig?

Was die Chemiker im 19. Jahrhundert mit Hilfe des Satzes von Avogadro gefunden haben, können wir nun auch umgekehrt nutzen und damit von Volumina auf die Anzahl der Teilchen und damit auf mögliche Formeln von Verbindungen schließen.

Bei der Elektrolye von Wasser entstehen Wasserstoff und Sauertoff immer im Volumen-Verhältnis 2 zu 1. Daraus kann man die Formel von Wasser herleiten, wenn man den Satz von Avogadro kennt.

$H_2O \; \longrightarrow \; 2 H_2 \;+\; O_2$

Wir wissen auch, in welchen Volumina gasförmige Verbindungen mit einander reagieren.

Zur Herstellung von Ammoniak braucht man Wasserstoff und Stickstoff. Denn die Formel von Ammoniak ist NH₃ und somit braucht man ein dreimal so großes Volumen an Wasserstoff wie an Stickstoff.

$N_2 \; + \; 3 H_2 \; \longrightarrow \; 2 NH_3$

Der erste Ammoniak-Reaktor, der bei BASF eingesetzt wurde. Wegen dem großen Volumen muss man viel Druck verwenden, um die Atome zu dem einen Molekül zu verbinden!

Übungen zum Satz von Avogadro

Übungen zum Satz von Avogadro haben immer mit Volumenverhältnissen zu tun. Dabei hat man meist keine bestimmte Anzahl an Teilchen - wie in den Darstellungen zu sehen ist - sondern es geht um Volumen und Vielfache davon. Das gilt aber nur für gasförmige Stoffe. Wir können natürlich nicht die Volumen von gasförmigen Stoffen und flüssigen Stoffen vergleichen, aber auch flüssige Stoffe untereinander können wir nicht vergleichen, denn es gibt keinen vergleichbaren Satz für Flüssigkeiten, wie den Satz von Avogadro.