Stell dir vor, du könntest Atome wiegen! Das klingt nach einer Aufgabe für Superhelden, denn Atome sind so winzig, dass sie mit herkömmlichen Waagen nicht erfasst werden können. Aber keine Sorge, ich werde dir jetzt das Geheimnis verraten, wie man die Masse von Atomen und Molekülen bestimmen kann.
Die Masse von Makro- und Mikroobjekten
Wenn wir von der Masse eines Gegenstands sprechen, denken wir oft an unsere Waage. Diese misst jedoch nicht direkt die Masse, sondern die Gewichtskraft, die auf den Gegenstand wirkt. Die tatsächliche Masse ist eine physikalische Größe, die unabhängig von der Gravitation ist. Ein Beispiel dafür sind Astronauten auf dem Mond, die nur ein Sechstel ihres irdischen Gewichts haben, aber ihre Masse bleibt unverändert. Die Einheit für die Masse ist das Kilogramm (kg).
Die unglaublich kleine Masse von Atomen und Molekülen
Atome und Moleküle haben eine unvorstellbar geringe Masse. Eine Menge von 12 g Kohlenstoff entspricht einer Stoffmenge von 1 Mol. Ein Mol ist definiert als 6,022 x 10^23 Teilchen. Wenn wir diese 12 g (0,012 kg) durch die Avogadro-Zahl teilen, erhalten wir die Masse eines Kohlenstoffatoms, die 1,99 x 10^-26 kg beträgt. Selbst große Moleküle wie das Protein Insulin haben nur eine Masse von 9,53 x 10^-24 kg oder 9,53 x 10^-21 g.
Um uns die Größe eines Moleküls besser vorstellen zu können, lassen wir uns auf einen Größenvergleich ein: Das Verhältnis zwischen einem Ascorbinsäure-Molekül (Vitamin C) mit einer Größe von etwa 1 nm und einer Grapefruit mit einer Größe von etwa 10 cm beträgt etwa 1:100.000.000. Das Verhältnis dieser Grapefruit zur Erde ist ebenfalls 1:100.000.000. Du siehst, Atome und Moleküle sind unglaublich winzig!
Die Grenzen des Wiegens
Mit herkömmlichen Waagen können wir Moleküle nicht wiegen. Empfindliche Laborwaagen können vielleicht noch 1 µg (Mikrogramm, 10^-6 g) erfassen, aber bis zur Masse von Molekülen ist es noch ein weiter Weg. Um dir eine Vorstellung davon zu geben, zähle ich einmal herunter: 1 ng (Nanogramm, 10^-9 g), 1 pg (Pikogramm, 10^-12 g), 1 fg (Femtogramm, 10^-15 g), 1 ag (Attogramm, 10^-18 g). Selbst dann sind wir immer noch tausendfach von der Masse des Insulinmoleküls entfernt. Das Wiegen von Molekülen ist also nicht möglich, da wir sie nicht einzeln auf eine Waage legen können.
Die Atommasseneinheit macht es handhabbar
Um die Masse von Atomen und Molekülen handlicher zu machen, verwenden wir die Atommasseneinheit (u), die definiert ist als 1/12 der Masse eines 12C-Atoms. Ein Kohlenstoffatom 12C hat also eine Masse von 12 u oder 1,99 x 10^-26 kg, und ein Insulinmolekül hat eine Masse von 5734 u oder 9,53 x 10^-24 kg. Die Verwendung der Atommasseneinheit erleichtert die Berechnungen erheblich und ermöglicht präzisere Messungen. Die genaue Messung der Masse von Atomen und Molekülen erfordert jedoch eine andere Methode: die Massenspektrometrie.
Eine Welt von gigantischen und winzigen Zahlen
In der Natur gibt es eine Vielzahl von Größenordnungen. Manchmal sind es Faktoren von einigen Milliarden, die über kleinere oder größere, schnellere oder langsamere Phänomene entscheiden. Ein Zuckermolekül (Saccharose) hat eine Masse von 342,3 u oder 5,72 x 10^-25 kg. Ein winziges Zuckerkörnchen mit einer Masse von 0,05 mg enthält 1,46 x 10^-5 mol oder 88 Billionen Moleküle. Alles, was außerhalb unserer Vorstellungswelt liegt, erscheint als etwas ganz Besonderes.
Jetzt bist du um ein kleines Geheimnis der Naturwissenschaften reicher und kannst mit deinem Wissen über die Masse von Atomen und Molekülen glänzen. 😉
