Wasserstoff aus Magnesium und Säure;
Wasserstoff reduziert Kupfer(II)-oxid

exp37.htm 27.10.2011

Gliederung:

1. Ziel und Zweck
2. Vorwissen
3. Experiment
  3.1. Skizze
  3.2. Geräte
  3.3. Chemikalien
  3.4. Sonstige Hilfsmittel
  3.5. Aufbau, Sicherheit und Entsorgung
4. Durchführung und Beobachtung
5. Auswertung
6. Ergebnis
7. Folgerung
8. Ausblick
9. Literatur

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1. Ziel und Zweck:

Magnesium reagiert mit verdünnter Salzsäure zu Wasserstoff. - Wasserstoff reduziert Kupfer(II)-oxid. 

Am Beispiel Kupfer/Kuferoxid und Wasserstoff/Wasser sollen Redoxreaktionen durchgeführt werden, um den Zusammenhang von Oxidation und Reduktion zu Redox-Prozessen erkennen zu können.
Zunächst wird Kupfer durch Luftsauerstoff oxidiert, anschließend wird das Kupferoxid durch Wasserstoff wieder reduziert. Durch das Arbeiten mit kleinen Portionen Wasserstoff in Schülerübungen soll den Umgang mit gefährlichen Gasen erlernt werden.

 

 

2. Vorwissen:

Magnesium wikipedia ist ein sehr unedles Element. Es kommt daher in der Natur nur in Verbindungen vor. Das Magnesiumoxid, Magnesia genannt, ist aus dem Sportunterricht zum Abstumpfen der Handflächen bekannt. Magnesium ist Bestandteil von Gesteinen, Gebirgsbildend ist der Dolomit. Die Salze des Magnesiums sind in der Regel gut wasserlöslich, daher sind Magnesium-Ionen im Trinkwasser zu finden. Auch für den Organismus ist Magnesium von großer Bedeutung. Magnesium-Mangel äußert sich in Krämpfen. Im Chlorophyll, dem grünen Blattfarbstoff, besetzt das Magnesium-Ion die Stelle des Zentralatoms ähnlich wie das Eisen-Ion im roten Blutfarbstoff Häm.

Wasserstoff ist ein sehr unedles Element. Die wichtigste Verbindung ist Wasser, das Oxid des Wasserstoffs. Wasserstoff ist ein Gas und das leichteste aller Elemente. Wasserstoff ist so leicht, dass er von der Erdschwerkraft nicht in der Atmosphäre gehalten werden kann.

Kupfer wikipedia ist ein halbedles Element.

a. Kupfer reagiert beim Erhitzen leicht mit Luftsauerstoff zu Kupferoxid. Das gebildete Kupferoxid ist ein mildes Oxidationsmittel.
b. Magnesium ist ein starkes Reduktionsmittel und entwickelt mit verdünnten Säuren gasförmigen Wasserstoff.
c. Wasserstoff reagiert mit Sauerstoff zu Wasser (Knallgasreaktion).
d. Wasserstoff soll zur Reduktion des Kupferoxids eingesetzt werden.

Sauerstoff ist Bestandteil der Luft und bewirkt die Verbrennung (Oxidation).


 

3. Experiment:

Das Experiment als WORD-Dokument

 

3.1. Skizze:

Bild: Gasentwicklung von Wasserstoff aus Magnesium und Säure sowie
Umsetzung des Wasserstoffs mit Kupferoxid


3.2. Geräte:

A Pipette mit Luer-Lock-Anschluss
B Dreiwegehahn
C Kunststoff-Kolbenprober
D Kunststoff- Kupplung
E T-Stück
F Luer-Lock- Adapter
G Reaktionsrohr (Quarz)
H gerades Verbindungsstück
I Glasrohr mit Spitze
J Stativwinkel
K Gefäß
L Gasbrenner

 

3.3 Chemikalien und Hilfsstoffe:

(1) ca. 200 mg Magnesium,
(2) 50 mL verd. Salzsäure   (Salpetersäure ist wegen der Bildung nitroser Gase ungeeignet!)
(3) Wasserstoff
(4) Kupfer(II)-oxid
(5) Quarzwolle
(6) Kupferspäne (Rückschlagsicherung)
(7) Abgas

3.4 Sonstiges:

[ in (H) evt. Nachweismittel für Wasser z.B. weißes, pulvriges Kupfersulfat, sicc.]

3.5. Aufbau:

Die Apparatur besteht aus

  • einem Gasentwickler [einer Pipette mit Luer-Lock-Anschluss (A), einem Dreiwegehahn (B), einem Kunststoff-Kolbenprober (C),Vorratsflasche (K)],
  • einer Verbindungseinheit [Kunststoff-Kupplung (D), einer Luer-Lock.-Adapter (E), einem T-Stück (F)],
  • einem Reaktionsrohr aus Quarzglas (G) und
  • einer Analyse- und Entsorgungseinheit [bestehend aus einem Verbindungsstück (H),
    einem Glasrohr mit Spitze(I), lose gefüllt mit Rückschlagsicherung nach Davy (6) (Kupferdrehspäne oder Eisenwolle)]. 

Für die Reaktion im Quarzrohr wird ein Laborgasbrenner (L) eingesetzt.

Die Apparatur wird ohne die Vorratsflasche zuerst komplett liegend auf dem Tisch zusammengebaut. Anschließend wird die gesamte Apparatur von der Rückseite her mit Federklammern (runde Kunststoffseite) versehen. In die Stahlseite der Federklammern wird das Alu-Vierkantrohr eingelegt bis die Federklammern einrasten. Die Apparatur wird als Ganzes mit einem Alu-Stativwinkel (J) und einer Alu-Vierkantmuffe an einem Bunsenstativ befestigt. (Stativ und Muffe sind nicht gezeichnet!).

Sicherheit:

Wasserstoff ist ein brennbares Gas. Mit Luftsauerstoff bildet es in weiten Grenzen ein explosives Gemisch. Daher sind bei Reaktionen, bei denen Wasserstoff eingesetzt oder freigesetzt wird, besondere Vorsichtsmaßnahmen zu treffen (Knallgasprobe).
Persönliche Schutzmaßnahmen: Beim Umgang mit Gefahrstoffen ist immer eine Schutzbrille zu tragen.
Es ist vorteilhaft, wegen der Säure einen Schutzkittel zu tragen.

Einfüllen der Chemikalien:

Geht man von Kupferdraht im Reaktionsrohr (G) aus, so muss man dieses im ersten Schritt zu Kupfer(II)oxid (4) oxidieren. Bei direkter Verwendung von Kupfer(II)-oxid in Drahtform kann der folgende Anschnitt übersprungen werden.

Dazu wird der Dreiwegehahn (B) so gestellt wird, dass der Kolbenprober (C) über das Reaktionsrohr (G) mit dem Ausgang, dem Glasrohr mit Spitze (I), verbunden ist. Dann wird das Kupfer im Reaktionsrohr mit dem Laborgasbrenner (L) hoch erhitzt. Dabei wird mit dem Kolbenprober langsam Luft von außen eingesaugt. Dabei wird das Kupfer zum schwarzen Kupferoxid oxidiert. Die eingesaugte Luft wird wieder auf gleichem Wege herausgedrückt. Um das Kupfer weiter zu oxidieren, wird der Vorgang vier Mal wiederholt. - Die größte Menge an Reaktionswasser erhält man, wenn man von handelsüblichem Kupferoxid in Drahtform ausgeht, wie es für die organische Verbrennungsanalyse nach Liebig eingesetzt wird.

Zur Entwicklung von Wasserstoff wird der Kolben aus dem Kolbenprober entfern und etwa 100mg Magnesium als Band oder grobe Späne in den Zylinder geben. Danach wird der Kolben wieder eingesetzt und die Luft möglichst vollständig herausgedrückt. Der Dreiwegehahn (B) verbindet nun den Kolbenprober (C) mit der Luer-Lock-Pipette (A). Unter die Pipette stellt man das Gefäß (K) mit mindestens 80 mL verdünnter Säure (1).

Entsorgung:

Die unverbrauchte Säure, die mit dem Magnesiumsalz verunreinigt ist, kann für den ähnliche Versuche wiederverwendet werden (etikettieren und verschlossen aufbewahren). Unverbrauchtes Magnesium kann nach dem Abspülen mit Wasser und Trocknung an der Luft weiterverwendet werden.

Ist die Säurelösung verbraucht, kann sie mit dem Abwasser entsorgt werden, wenn das Säure-Anion ungefährlich ist. (z.B. Bei Salzsäure, Schwefelsäure, Essigsäure, Citronensäure)

Das Gas kann über ein Glasrohr mit Kupferwolle aus Rückschlagsicherung  abgebrannt werden.

 

 

4. Durchführung und Beobachtung:

1. Beim Ansaugen der Säure (1) mit dem Kolbenprober (C) kommt es in Kontakt mit dem Magnesium (2).

Es entsteht ein Gas (3). Dabei wird die Säure aus dem Kolbenprober in das Vorratsgefäß(A) zurückgedrückt. Die Gasentwicklung ist automatisch beendet, wenn die Säure komplett aus dem Kolbenprober herausgedrückt ist. Die Gasentwicklung ist auch beendet, wenn entweder das Magnesium oder die Säure verbraucht sind. Dann muss die im Kolbenprober verbliebene Säure erst mit den Kolben in das Vorratsgefäß(K) herausgedrückt werden, bevor das Gas verwendet werden kann. Um das Gas mit dem Kupferoxid reagieren zu lassen, muss der Dreiwegehahn (B) den Kolben mit den Reaktionsrohr verbinden. Dann wird die Apparatur zunächst mit etwas Wasserstoff gespült und die Knallgasprobe durchgeführt werden.

2. Mit einem Teil des Gases wird die Knallgasprobe durchgeführt. 

Sie verläuft positiv (brennbares Gas). Verbrennt das Gas mit einem Knall, muss die Apparatur mit weiterem Wasserstoff gespült werden, bis sich bei der Knallgasprobe ein leises, ruhiges Abbrennen ergibt. Eventuell muss erneut Wasserstoff entwickelt werden, ohne dazu die Apparatur zu öffnen.
Das farblose Gas kann in einer  pneumatischen Wanne über Wasser in Reagenzgläser umgefüllt oder in eine Gasometer gespeichert werden.

3. Wird der gebildete Wasserstoff über das erhitzte Kupferoxid geleitet, so bildet sich rotes Kupfer zurück. Gleichzeitig kondensiert im geraden Verbindungsstück (H) ein Belag aus kleinen farblosen Tröpfchen. - Reicht der Wasserstoff nicht aus , so kann erneut Wasserstoff erzeugt werden, ohne die Apparatur zu öffnen, wenn sich noch genügend Magnesium im Kolbenprober befindet. Das Kondensat kann mit weißem (grauen) Kupfersulfat auf Wasser geprüft werden.

 

 

5. Auswertung:

Beim Kontakt der Säure mit dem Magnesium entwickelt sich Wasserstoff.

Mg(s) + 2 HCl(aq) -> MgCl2 + H2(g)

Glühendes Kupfer reagiert mit Luftsauerstoff zu schwarzem Kupferoxid.

2 Cu(s) + O2(g) -> 2 CuO(s)

Wasserstoff reduziert schwarzes Kupferoxid zu rotem Kupfer und bildet dabei ein farbloses Kondensat (Wasser).

H2(g)  + CuO(s)  -> H2O(g,l)  + Cu(s)

Wasserstoff reagiert mit Luftsauerstoff zu Wasser.

2 H2(g) + O2(g) -> 2 H2O(l)

M(Cu)= 63,55g/mol; M(O2)= 32g/mol; Daraus folgt: ca. 0,63 g Kupferdrehspäne binden ca. 0,15g Sauerstoff, das sind bei 24°C und 1013hPa ca. 113ml.

 

 

6. Ergebnis:

Das halbedle Kupfer lässt sich in der Hitze durch Luftsauerstoff leicht oxidieren und durch Wasserstoff wieder reduzieren.

 
 

7. Folgerung:

Reduktion und Oxidation sind immer miteinander gekoppelte Reaktionen, wofür der Begriff Redox-Reaktion steht.

Am Beispiel der Oxidation des Kupfers durch Sauerstoff wird Kupfer oxidiert und der Sauerstoff reduziert, der Sauerstoff ist Oxidationsmittel, das Kupfer ist das Reduktionsmittel.

Am Beispiel der Reduktion des Kupferoxids durch Wasserstoff ist Wasserstoff das Reduktionsmittel und Kupferoxid ist das Oxidationsmittel.

Jede chemische Reaktion, bei der ein chemisches Element eine Verbindung eingeht oder ein Element freigesetzt wird ist eine Redoxreaktion.

 

 

8. Ausblick:

Lässt sich Kupferoxid auch durch andere Gase reduzieren. Geeignet dazu müssten Gase sein, die sich an der Luft leicht entzünden (z.B. Erdgas, Propan, Butan)?

Kann man auch andere unedle Elemente zur Reduktion von Kupferoxid verwenden?

 

 

9. Literatur:

Autor: Klaus-G. Häusler

quantitative Umsetzung von Magnesiumband mit Säure

quantitative Auswertung des Stoffumsatzes mit Wasserstoff

Knallgas-Dose

Explosionsgrenzen von Wasserstoff (Diagramm)

Umgang mit brennbaren Flüssigkeiten und Gasen (BUK)

Darstellung und Verbrennung von Wasserstoff an der Luft

 

 

Magnesium wikipedia

Wasserstoff wikipedia

Kupfer wikipedia

Sauerstoff wikipedia