Reduktion von Kupferoxid quantitativ

Das Gesetz von den kon­stan­ten Pro­por­tio­nen (Gesetz der kon­stan­ten Mas­sen­ver­hält­nis­se) lässt sich expe­ri­men­tell auf ver­schie­dens­te Wei­se nach­wei­sen. Oft macht man beim Klas­si­ker im Schü­ler­ver­such (Bil­dung von Kup­fer­sul­fid) ein län­ge­res Gesicht, weil die Wer­te nicht beson­ders gut hinhauen.

Immer funk­tio­niert hin­ge­gen der fol­gen­de Ver­such, auch wenn die­ser etwas höhe­re Ansprü­che an den Expe­ri­men­ta­tor stellt und daher nur als Leh­rer­ver­such sinn­voll ist. Dabei wird Kupfer(II)oxid (schwarz) mit Hil­fe von Was­ser­stoff zu ele­men­ta­rem Kup­fer und Was­ser redu­ziert gemäß:

CuO + H₂ → Cu + H₂O

Das Was­ser ent­steht dabei in gas­för­mi­gem Aggre­gat­zu­stand und „nimmt“ den Sau­er­stoff dadurch mit, sodass man durch Mas­sen­ver­gleich vor und nach der Reak­ti­on das Mas­sen­ver­hält­nis von Kup­fer und Sau­er­stoff in der Ver­bin­dung Kupfer(II)oxid bestim­men kann.

Dazu ver­wen­de ich in der Luxus­aus­stat­tung fol­gen­de Apparatur:

Legen­de:

1. Magne­si­a­schiff­chen mit unter­schied­li­chen Stoff­por­ti­ons­mas­sen von Kupferoxid
2. Reak­ti­ons­rohr aus Quarzglas
3. Gas­bren­ner
4. Wasch­fla­sche
5. Was­ser­bad
6. Eisen­wol­le (locker gestopft)
7. gewin­kel­tes Glasrohr
8. Was­ser oder Schwe­fel­säu­re (konz.) wenn der Was­ser­stoff getrock­net wer­den muss
9. U‑Rohr

Zunächst wird das Leer­ge­wicht aller Schiff­chen auf der Fein­waa­ge (d=0,01g) bestimmt. Danach füllt man jedes Schiff­chen mit einer ande­ren Mas­se an Kup­fer­oxid und wiegt erneut, sodass die Mas­se des ein­ge­füll­ten Kup­fer­oxids jeweils bekannt ist. Anschlie­ßend wer­den alle Schiff­chen mit einer lan­gen Pin­zet­te in das schon waa­ge­recht ein­ge­spann­te Reak­ti­ons­rohr gescho­ben und die Appa­ra­tur verschlossen.

Nun muss gründ­lich mit Was­ser­stoff gespült wer­den (Knall­gas­pro­be mit Reagenz­glas am Aus­lass nicht ver­ges­sen!!!). Danach kann der Was­ser­stoff an der Aus­tritts­öff­nung ent­zün­det wer­den. Es soll­te eine Flam­me von unge­fähr 3–4cm Höhe mit dem Ven­til an der Gas­fla­sche ein­re­gu­liert werden.

Jetzt wer­den die Schiff­chen nach­ein­an­der mit der rau­schen­den Gas­bren­ner­flam­me erhitzt, wobei man mit dem Schiff­chen beginnt, wel­ches sich am dich­tes­ten an der Wasch­fla­sche befin­det. Irgend­wann wan­dert dabei eine glü­hen­de Front durch das Kup­fer­oxid, die ein rotes Pul­ver hin­ter­lässt. Gleich­zei­tig ent­steht im Reak­ti­ons­rohr ein durch­sich­ti­ger, kla­rer Beschlag (Was­ser), den man mit Hil­fe der Bren­ner­flam­me in Rich­tung U‑Rohr treibt, bevor man sich das nächs­te Schiff­chen vor­nimmt. Wäh­rend der Reak­ti­on wird die Was­ser­stoff­flam­me am Aus­lass merk­lich kleiner.

Nach­dem das letz­te Schiff­chen durch­ge­glüht ist, lässt man kurz abküh­len, ent­fernt danach die Schiff­chen aus der Appa­ra­tur und wiegt erneut, sodass man die Mas­se des umge­setz­ten Sau­er­stoffs erhält. Mit durch Dif­fe­renz­bil­dung mit der Mas­se des Kup­fer­oxids lässt sich die Mas­se des Kup­fers bestim­men. Im U‑Rohr setzt sich eine durch­sich­ti­ge, kla­re Flüs­sig­keit ab, die man z.B. mit wei­ßem Kup­fer­sul­fat als Was­ser iden­ti­fi­zie­ren kann.

Die gan­ze Geschich­te braucht min­des­tens zwei Unter­richts­stun­den (1x Ver­such, 1x Aus­wer­tung), die auch an ver­schie­de­nen Tagen statt­fin­den kön­nen. Bei Han­tie­ren mit Was­ser­stoff ist wie immer äußers­te Vor­sicht gebo­ten, z.B. eine Sicher­heits­schei­be vor das Expe­ri­ment zu stel­len und sei­tens des Leh­rers ein Schutz­bril­le zu tra­gen. Fol­gen­de Her­aus­for­de­run­gen kön­nen eintreten:

1. Das Reak­ti­ons­rohr kann rei­ßen (sel­ten). Dann gibt es kurz­zei­tig eine grö­ße­re und mit­tel­fris­tig eine klei­ne Wasserstoffflamme
2. Ver­wen­det man eine Wasch­fla­sche mit Schliff, muss die­ser fest sit­zen, da Was­ser­stoff sehr flüch­tig ist und man mit der Gas­bren­ner­flam­me doch sehr in Nähe sel­bi­ger kommt. Dann gibt es hüb­sche Was­ser­stoff­l­lam­men am Schliff mit der gerin­gen Gefahr, dass durch die Appa­ra­tur Luft nach­ge­zo­gen wird.
3. Gum­mi­stop­fen kön­nen dabei ger­ne ein­mal abrau­chen – da müs­sen die aber durch, nur bren­nen soll­ten sie nicht!

Eigent­lich ist die Appa­ra­tur durch die Sicher­heits­wasch­fla­sche (Schutz der Gas­fla­sche) und die Eisen­wol­le am Aus­lass (Rück­schlag­schutz und „Luft­sper­re“ im Not­fall) recht sicher, wenn man die Knall­gas­pro­be wirk­lich ernst nimmt.

Man kann bei Ein­füh­rung der Atom­mas­se sinn­voll erwei­tern, indem man das Anzahl­ver­hält­nis der an der Ver­bin­dung „Kup­fer­oxid“ betei­lig­ten Ato­me anhand der Atom­mas­se berech­nen lässt. Das geht auch ohne die Avogadro’sche Zahl – irgend­wann mehr dazu.

Ich wer­te das ger­ne mit einer via Bea­mer pro­je­zier­ten Open­Of­fice­Calc-Tabel­le (hier ein­mal mit rea­len Mess­wer­ten ver­se­hen) aus – jede ande­re Tabel­len­kal­ku­la­ti­on oder die gute, alte Tafel oder der gra­fik­fä­hi­ge Taschen­rech­ner der SuS mit Tabel­len­blatt­funk­ti­on (freut sich der Mathe­leh­rer) gehen natür­lich auch.