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).

3.2. 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.]

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.

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