Quantitative Bestimmung des Sauerstoffgehaltes in Raumluft durch Oxidation mit Kupfer

 HMTC GmbH

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d-a007.lbi

Ziel und Zweck:

Quantitative Untersuchung des Sauerstoffanteils von Raumluft durch Oxidation von Kupferspänen

Vorwissen:

  • Luft ist ein Gasgemisch
  • Kupfer reagiert mit Sauerstoff der Luft zu Kupferoxid ("Kupfer-Briefchen-Versuch")

Experiment:
 

Bild 1 : Quantitative Sauerstoffbestimmung in Raumluft

Geräte:

Artikel-Nr. Funktionsname Preis
(€, netto)
2201 Verbindungsstück, gerade; 2*GL18 9,90
2203 T-Stück, 3* GL18 22,70
4300 Kolbenprober-Ansatz, LuerLock Kunststoff-Glas di=1,2mm da=8mm 8,10
4301 Pipetten-Ansatz, Luer-Lock PE-Glas, di=5mm, da=8mm

4,31
6901 Quarzrohr mit Einschnürung, 150*8mm 13,10
4204 Kunststoffspritze, 3-teilig; für wässrige Lösungen und Gase, 50mL;
Luer-Lock; Silikonelastomerkolben		 2,90
4202 Kunststoffspritze, 3-teilig; für wässrige Lösungen und Gase, 10mL;
Luer-Lock; Silikonelastomerkolben		 0,89
4446 Dreiwegehahn, Kunststoff, Luer-Lock 2,45
3001 GL18 Schraubkappe mit Loch 1,38
3106 Dichtung GL18, Loch GL16x8; PTFE-U-Stulpe 3,03

1003 Federklammer, d=27-35mm, Edelstahl, Federn gegeneinander drehbar 5,46
1002 Federklammer, d=16-18mm, Federn gegeneinander drehbar, kunststoffummantelt, bis 60°C 5,06
1013 Alu-Vierkantrohr, L-förmig; 280*90*10 mm 14,30
1030 Alu-Vierkantmuffe, bis 14mm Spannweite 13,10

Sonstige Hilfsmittel:

1100 MBM-Fußwangensatz (paarweise) 36,45
1101 MBM-Verlängerungswange 23,64
1102 MBM-Dreifachschiene 25cm 13,44

a002

 Gasbrenner mit Sparflamme und Zündmittel  
a001 Schutzbrille  
a006 Gefäß zur Vereinigung der Rest-Chemikalien und Vorbereitung der Entsorgung  
Chemikalien und Hilfsstoffe:

alle Angaben sind als ungefähre Maßangaben anzusehen.

  • 1,4 Raumluft (in A,E)
  • 3 Kupfer-Draht (in C)
  • 5 Leitungswasser (in G)

 

Aufbau, Sicherheitsmaßnahmen und Entsorgung:

Beim Umgang mit Gefahrstoffen ist immer eine Schutzbrille zu tragen.

Die Apparatur besteht aus zwei Kunstsstoff-Kolbenprobern (A, E, V=50 mL), die über ein gerades Verbindungsstück(B) und ein T-Stück (D) mit einem Quarz-Reaktionsrohr (C) verbunden sind. An das T-Stück (D) ist noch über einen Dreiwegehahn eine "Tauchung" zur Druckeinstellung angeschlossen. Die Tauchung besteht aus einem Becherglas mit Wasser, in das ein kleiner Kunststoff-Kolbenprober (V=10mL, ohne Kolben) eintaucht. Über den Dreiwegehahn wird das zu untersuchenede Gasvolumen, hier Raumluft, eingefüllt.

Die Apparatur wird zuerst komplett liegend auf dem Tisch zusammengebaut. Anschließend wird die gesamte Apparatur von der Rückseite her mit Federklammern (runde Kunststoffseite) versehen. Das Alu-Vierkantrohr wird in die Stahlseiten der Federklammern eingelegt bis die Federklammern einrasten.

Die Apparatur wird zunächst auf Dichtigkeit geprüft. Das geschieht durch Luft Absperren des Reaktionsvolumens von der Tauchung nach allen Seiten hin. Nun wird mit einem Kolenprober (A) 50mL Unterdruck erzeugt und für etwa 15 Sekunden gehalten. Die Apparatur ist dicht, wenn der Kolbenprober druckfrei wieder in die Ausgangslage zurückbewegen lässt.

geplante Entsorgung:

keine Entsorgung der Gase notwendig. Das Kupferoxid kann nach der Readuktion mit Wasserstoff oder Erdgas wieder verwendet werden.
Man kan jedoch auch im Anschluss an die Sauerstoffaufnahme die gleiche Apparatur mit Wasserstoff füllen und in die Reduktion des Kupferoxids mit Wasserstoff quantitativ bestimmen. Man erhält dann einen Wasserstoffverbruch, der doppelt so groß ist wie die Sauerstoffschwund zuvor.

 
Durchführung und Beobachtung:
 

Kurzfassung:

Die Apparatur wird zuerst komplett liegend auf dem Tisch zusammengebaut. Anschließend wird die gesamte Apparatur von der Rückseite her mit Federklammern (runde Kunststoffseite) versehen. In die Stahlseiten der Federklammern wird das Alu-Vierkantrohr eingelegt bis die Federklammern einrasten. Dabei soll das Reaktionsrohr frei hängen, damit es dort problemlos mit dem Gasbrenner erhitzt werden kann.

  1. Nun füllt man über den Dreiwegehahn 50 mL Raumluft in die Apparatur und verbindet das Reaktionsvolumen mit der Tauchung. Dadurch stellt sich in der Tauchung (G) die Sperrflüssigkeit Wasser (5) im Kolben und Außengefäß gleich hoch ein. Nun sperrt man die Tauchung vom Reaktionsvolumen ab.
  2. Dann erhitzt man das Kupfer an einer Seite und schiebt ganz langsam die Luft über das glühende Kupfer, wobei man mit dem leeren Kolbenprober auf der anderen Seite einen leichten Sog ausübt, damit kein wesentlicher Über- oder Unterdruck entsteht.
  3. Anschließend erhitz man eine ander Stelle des Kupfers und schiebt das Gas langsm wieder zurück. Auf diese eise verfährt man drei- bis viermal, bis das letzte Kupfer seine Farbe kaum noch verändert.
  4. Nun lässst man das Gas abkühlen. Nach dem Abkühlen bringt man das verbleibene Gas nach Gefühl in eine drucklosen Zustand und öffnet den Dreiwegehahn durch Drehung so, dass er mit der Tauchung verbunden ist ohne dass Raumluft zutreten kann!
  5. Zuletzt gleicht man die Flüssigkeitsfüllhöhen in der Tauchung durch leichete Bewegen des Kolbenprobers aneinander an und liest am Kolbenprober das verbliebene Gasvolumen ab.

 

 

Auswertung:

[I]: class="formel_chem"2 Cu,s + O2,g -> CuO,s

Bei Vorgabe von 50 mL Raumluft verbleiben noch 40 mL Restgas nach der Reaktion mit Kupfer zu Kupferoxid. 10 Ml Sauerstoff waren in 50 mL Raumluft enthalten. Der Sauerstoffanteil der Raumluft beträgt daher 20%.

 

Ergebnis:

Raumluft besteht zu 20% aus Sauerstoff. Das Restgas reagiert nicht mit Kupfer.

Folgerung:

  • Man kann das Restgas in ein Reagenzglas überführen und die Glimmstabprobe durchführen.

Ausblick:

Wie kann man das Kupferoxid wieder vom Sauerstoff befreien (reduzieren)?

Wieviel Reduktionsmittel benötigt man, um 10 mL Sauerstoff aus der Kupferverbindung zu entfernen?

 

Literatur:

 

Copyright 2005-2015 HMTC Halbmikrotechnik Chemie GmbH; www.halbmikrotechnik.de

; sauerstoff_luft_exp.htm