Der Redox-Begriff am Beispiel der Redoxpaare

Kupfer/Kupferoxid,
Wasserstoff/Wasser,
Magnesium/ Magnesiumsalz


Übersicht

0. Didaktische Anmerkungen zur Unterrichtsthematik des Redox-Prozesses

1. Magnesium reagiert mit verdünnter Essigsäure. Mit dem gebildeten Wasserstoff kann man die Knallgasprobe einüben.

2. Das gebildete Wasserstoffvolumen ist proportional der eingesetzte Magnesiumportion. Die Beziehung kann genutzt werden um

  1. das Arbeiten mit Tabellen einzuüben,
  2. das Erstellen von Diagrammen zu erlernen,
  3. das grafische Interpolieren und Extrapolieren zu erlernen,
  4. die Molmasse von Magnesium zu bestimmen,
  5. analog die molaren Massen anderer Metalle (Ca, Fe, Zn, ...) zu bestimmen.

3. Kupfer wird mit Luftsauerstoff zu schwarzem Kupferoxid oxidiert. Diese Reaktion wird Oxidation genannt.

4. Die Rückführung des Kupfers kann mit Kohlenstoff (Holzkohle) mit dem Lötrohr oder im Reagenzglas durchgeführt werden. Hierbei entsteht auch Kohlenstoffdioxid. Versuche hierzu beim Thema "Kohlenstoffdioxid".

5. Die Reduktion kann auch mit Erdgas durchgeführt werden.

6. In dieser Versuchsreihe soll Wasserstoff als Reduktionsmittel eingesetzt werden. Dabei entsteht neben dem Kupfer auch Wasser.

Anschließend können die Begriffe Oxidation, Reduktion, Oxidationsmittel, Reduktionsmittel, Redoxprozess eingeführt werden. Besondere Bedeutung hat die Verbalisierung der Gleichung

CuO + H2 --> Cu + H2O;

7. Halbquantitative Bestimmung des Sauerstoffgehaltes von Luft durch Oxidation mit einer abgemessenen Luftportion und anschließender Reduktion mit Wasserstoff.

Literatur

 

  

0. Didaktische Anmerkungen zur Unterrichtsthematik "Redox-Reaktion"

Flash-Animation zur prinzipiellen Arbeitsweise beim Aufbau von Apparaturen mit der "Halbmikrotechnik nach Dr. Häusler". Das Beispiel zeigt den Aufbau einer Apparatur zur Untersuchung von Gas, das beim Glühen von Marmor (aus Leitseite Marmor) entsteht.

Der Typ der Redox-Reaktion ist eine der drei wesentlichen Stoffumsetzungen, die es im Anfangsunterricht der Chemie kennenzulernen gibt.

Die optisch gut zu verfolgende Reaktion von Kupfer mit Sauerstoff ist dabei häufig ein Einstiegsexperiment.

Im Kupferbriefchen-Experiment dient die Reaktion einmal zur Entdeckung des Sauerstoff in der Luft, zum anderen der Bildung von Kupferoxid und Unterscheidung von Ruß. Hieran wird auch die erste (vorläufige) Definition von Oxidation als Verbindungsbildung mit Sauerstoff definiert.

Der Versuch, aus Kupferoxid wieder Kupfer zurückzugewinnen, kann mit Erdgas, Kohlenstoff (Holzkohle) oder Wasserstoff erfolgen. Die Rückführung wird Reduktion genannt. Dabei ist aber zu erkennen, dass die Reduktion des Kupferoxids mit einer Oxidation eines anderen Stoffes verbunden ist. Diese Erkenntnis führt zur Begriffsbildung des "Redox-Begriffes".

Ein anderer Einstieg, sich dem Redox-Begriff zu nähern, ist die Reduktion von Wasserdampf mit Magnesium und die Knallgasreaktion als Oxidation des Wasserstoffs mit Sauerstoff.

Eine dritte und didaktisch bedeutende ist Nutzung der Elektrochemie (Hofmann-Elektrolyse mit wässrigem Kaliumsulfat ), weil hierbei die Redoxreaktion mit der Elektronen-Übertragung verknüpft wird und neu definiert wird. Die Versuchsreihe zur Einführung in die Ionentheorie ist in Vorbereitung und wird an anderer Stelle aufgezeigt.

Im Folgenden werden nun einige wesentlichen Experimente aus dem Bereich der Redox-Reaktionen mit Kupfer, Sauerstoff und Wasserstoff aufgeführt, wie sie in Mit halbmikrotechnischen Methoden in Schülerübungen durchgeführt werden können.

 

 

1. Magnesium reagiert mit verdünnter Essigsäure zu Wasserstoff und Magnesiumacetat.

Mit dem gebildeten Wasserstoff kann man die Knallgasprobe einüben.

Schülerübung Material

Bild: Einfache Apparatur zur Gasentwicklung aus einem Feststoff und einer Flüssigkeit

 

  
 

Knallgasprobe mit Filmdöschen (in Vorbereitung)
Bildreihe zur Präparation des Filmdöschens

Kopfloch bohren , Seitenloch bohren ;

Wasserstoff einfüllen (mit dem Kopfloch nach unten) ;

Wasserstoff zünden (mit dem Kopfloch nach oben)

 

Bild: Zünden von Wasserstoff in Filmdöschen als Versuch zur Demonstration der Explosionsgrenze

 

  
 

Beim Zünden hört man nur ein sehr leises ploppendes Geräusch, die Flamme sieht man zunächst nicht. Wasserstoff brennt mit einer unsichtbaren Flamme. Erst wenn der Kunststoff mit verbrennt, kann die Flamme aufleuchten.

Wenn man langsam mit viel Wasserstoff gefüllt hat, so dass der Inhalt weitgehend aus reinem Wasserstoff besteht, kann es bis zu 15 Sekunden dauern, bis es zu einer Verpuffung bzw. Explosion kommt. - Es muss erst der Wasserstoff, wegen seiner geringeren Dichte noch oben, brennend entweichen. Dadurch dringt durch das Seitenloch Luft von unten ein und bildet eine Luft/Wasserstoff-Grenzschicht. Wenn dieses Gemisch bis in die Nähe der oben brennenden Flamme steigt, kommt es zur Explosion.

Bild: Explosionsgrenzen von Wasserstoff/Luft-Gemischen

 
 

Schülerexperiment zu Bild 2

Die gezeigte Apparatur dient dazu, luftfrei Wasserstoff aus Magnesium und verdünnter Essigsäure zu gewinnen. Über ein Kunststoff-Kupplungsstück (E), ein Luer-Lock-Kupplungsstück (F) ist ein GL18-Glasrohr angeschlossen. Dieser Teil der Apparatur ist für alle Gasentwicklungen aus einer Flüssigkeit und einem Feststoff geeignet. (Allgemeine Beschreibung: Methode)

Bild: Apparatur zur Entwicklung von Wasserstoff mit verd. Essigsäure

 

 
2. Das gebildete Wasserstoffvolumen ist proportional der eingesetzten Magnesiumportion.

 

Durch die Umsetzung von Magnesiumband mit verdünnter Essigsäure wird Wasserstoff gebildet.

Die Bestimmung des gebildeten Wasserstoffvolumens kann auf einfache Weise zur Bestimmung der molaren Masse von Metallen genutzt werden.

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Die Beziehung kann genutzt werden um

Tabelle: Volumen von Wasserstoff nach der Umsetzung von Magnesiumband mit verd. Essigsäure
bei t=20°C und p=1013 hPa

Nr.

 Länge/[mm] Volumen/[mL]
1 23

24
2 35 36
3 46 44
4 48 47
5 36 38
6 28 26

 

  
 

 

  
 
  • das grafische Interpolieren und Extrapolieren zu erlernen (Methode in Vorbereitung: grafischer Geradenausgleich),
  • der algebraische Geradenausgleich nach Gauß (Methode in Vorbereitung: grafischer Geradenausgleich),

 

  
 
  • die molare Masse von Magnesium zu bestimmen (Methode in Vorbereitung: Bestimmung der molarem Masse durch Substitution von Wasserstoff),
  • analog die molaren Massen anderer Metalle (Ca, Fe, Zn, Na, ...) zu bestimmen.

 

...mehr dazu

 

  
   

 

  

3. Kupfer wird mit Luftsauerstoff zu schwarzem Kupfer(II)-oxid oxidiert.

Diese Reaktion wird Oxidation genannt (Methode in Vorbereitung: Oxidation von Feststoffen mit Gasen).

 

    

4. Reduktion von Kupferoxid mit Kohlenstoff zu Kupfer und Kohlenstoffdioxid

Die Rückführung des Kupfers kann mit Kohlenstoff (Holzkohle, Methode in Vorbereitung: Lötrohrpraxis) mit dem Lötrohr oder im Reagenzglas durchgeführt werden. Hierbei entsteht neben dem Kupfer auch Kohlenstoffdioxid.

Schülerexperiment: Nachweis von Kohlenstoffdioxid bei der Reduktion von Kupfer(II)-oxid mit Aktivkohle

Versuche hierzu auch beim Thema "Metalle".

Soll das gebildete Kohlenstoffdioxid nachgewiesen werden, ist die nebenstehende Apparatur zu verwenden.

 

 

 

 

Bild: Apparatur zur Umsetzung von schwarzem Kupferoxid mit Kohlenstoff
(alternativ: rotes Kupfer(I)-oxid; Eisenoxide z.B. Fe3O4)

  
 

Bei der Reaktion von Kupferoxid mit Kohlenstoff werden hohe Temperaturen zur Aktivierung benötigt . Anschließend entsteht eine exotherme Reaktion. Die starkwandigen Gewinde-Gläser können dabei Schaden nehmen. Daher wird das Reaktionsgemisch aus Kupfer und Kohlenstoff in einem Quarzrohr zur Reaktion gebracht. Mit entsprechender Vorsicht (Unterstellen einer feuerfesten Unterlage) kann auch ein Borosilikatglas mit etwa 1,5 mm Wandstärke verwendet werden. Steht ein Gebläsebrenner zur Verfügung, kann das Rohr auch zu einer Kugel ausgeblasen werden. Da keine giftigen Stoffe bei der Reaktion verwendet oder freigesetzt werden, kann auch AR-Glas als Reaktionsröhrchen benutzt werden, wobei allerdings mit dem Erweichen des Röhrchens während zu rechnen ist.

AR-Glas hat den Vorteil, bei Schülerübungen im Glasblasen eingesetzt werden zu können, da es bereits in der rauschenden Gasbrennerflamme eines gut ziehenden Brenners erweicht.

Exkurs: Methode: Glasblasen einer Glühkugel in Schülerversuchen


Bilder: Zwischenstufen beim Anfertigen von Glühkugeln

 

5. Die Reduktion kann auch mit Erdgas oder Propan durchgeführt werden.

[ Methode in Vorbereitung: Oxidation von Feststoffen mit Gasen (g + f --> x + g) ]

 

 

Bild: Apparatur zur Umsetzung von schwarzem Kupferoxid mit Erdgas
(alternativ: rotes Kupfer(I)-oxid; Eisenoxide z.B. Fe3O4)

  

6. Wasserstoff als Reduktionsmittel für Kupferoxid

Experiment: Wasserstoff als Reduktionsmittel für Kupferoxid
und als Lehrerversuch

Dabei entsteht neben dem Kupfer auch Wasser.

Anschließend können die Begriffe Oxidation, Reduktion, Oxidationsmittel, Reduktionsmittel, Redoxprozess eingeführt werden. Besondere Bedeutung hat die Verbalisierung der Gleichung

CuO + H2 --> Cu + H2O;

Kupferoxid reagiert mit Wasserstoff zu Kupfer und Wasser. Dabei wird Kupferoxid durch Wasserstoff zu Kupfer reduziert und der Wasserstoff wird zu Wasser oxidiert. Wasserstoff ist also das Reduktionsmittel für das Kupferoxid. Kupferoxid das Oxidationsmittel für den Wasserstoff.

 

 

 

 

Bild: Apparatur zur Oxidation von Kupfer mit Luftsauerstoff zu Kupferoxid;
Darstellung von Wasserstoff aus Magnesium mit Essigsäure;
Umsetzung von Wasserstoff mit schwarzem Kupfer(II)-oxid zu Kupfer und Wasser


  
 

Lernkarteiblatt zum Schülerexperiment:

Metalle, Reduktion und Oxidation

Lernkartei Metall, Reduktion und Oxidation als .pdf

 

Lernkarteiblatt zum Schülerexperiment:

Redox-Prozess und Redoxbegriffe

Lernkartei Redox-Begriffe als .pdf

 

  

7. Halbquantitative Bestimmung des Sauerstoffgehaltes von Luft durch Oxidation mit einer abgemessenen Luftportion und anschließender Reduktion mit Wasserstoff.

Schülerexperiment (ohne Beobachtungen und Auswertung):

Halbquantitative Bestimmung des Sauerstoffgehaltes der Luft durch Oxidation von Kupfer (mit Zusatzversuch: Reduktion durch Wasserstoff)

 

 

Literatur

  

Autor:

 Klaus-G. Häusler; haeusler[at]muenster[dot]de

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