Versuch 118: Eisennagel in Kupfersulfatlösung - Einleitung

Folgendes Experiment soll die elektrochemische Spannungsreihe verdeutlichen. Doch was ist diese Spannungsreihe?

Etwas Nachhilfe zum Thema chemische Reaktionen gefällig? Bei chemischen Reaktionen reagieren Stoffe miteinander. Dabei werden (in aller Regel) Elektronen von einem Stoff abgegeben, die von einem anderen Stoff aufgenommen werden. Neue Stoffe bilden sich so. Manche Stoffe reagieren gar nicht miteinander. Vereinfachen wir das Ganze noch ein wenig und beschränken uns nur auf Metalle.

Gibt man bestimmte Metalle in Salzlösungen anderer Metalle tritt manchmal eine Reaktion ein. Das Metallsalz wird wieder zu einem Metall. Andere Metalle lösen diese Reaktion nicht aus. Man kann die Metalle sogar nach ihrer Fähigkeit andere Metalle durch chemische Reaktion (Reduktion) aus ihren wässrigen Lösungen auszuscheiden ordnen und erhält so die (hoer unvollständig wiedergegebene) Spannungsreihe der Metalle:

K-Ca-Na-Mg-Al / Mn-Zn-Cr-Fe-Cd-Co-Ni-Sn-Pb / H2 / Cu-Ag-Hg / Au-Pt

Die Metalle auf der linken Seite der Reihe bezeichnet man als unedel, die Metalle auf der rechten Seite als sehr edel. Alle Metalle reagieren mit den Ionen der weiteren rechts von ihnen liegenden Metalle, wobei letztere als Metall ausfallen. Wasserstoff ist zwar kein (klassisches) Metall, wird in der Spannungsreihe aber als Referenz verwendet. Mit ihm lässt sich die Spannungsreihe auch anschaulich erklären.

Alle Metalle links des Wasserstoffs reagieren mit einer Lösung seines Ions (also mit Protonen einer sauren Lösung) unter Bildung von Wasserstoff. Noch einfacher gesagt:

Gibt man K, Ca, Na, Mg, Al, Mn, Zn, Cr, Fe, Cd, Co, Ni, Sn oder Pb in eine saure Lösung, so entstehen Gasbläschen aus Wasserstoff. Um aus Protonen Wasserstoffgas zu machen werden zwei Elektronen benötigt (eines pro Proton), die von den Metallen "gespendet" werden. Man sagt die Protonen werden reduziert; sie nehmen Elektronen auf. Die Metalle selber werden dabei um Elektronen erleichtert. Man sagt sie werden oxidiert; sie geben Elektronen ab und liegen nun als Metallionen vor.

Die Metalle rechts des Wasserstoffs zeigen diese Reaktion nicht. Man könnte sagen, sie sind zu edel, um etwas abzugeben. Was für den Wasserstoff gilt lässt sich auch für alle anderen Metalle der Spannungsreihe aufstellen. Alle Metalle lassen Platin aus einer Platinsalzlösung ausfallen. Platin Gold und Silber kommen auf Grund ihres edlen Charakters auch nur sehr selten als Salze vor. Selbst die Protonen einer Säure können ihnen nichts anhaben. Alle Metalle links des Nickels müssen seinen Salzen Elektronen spenden, ein Kupferstab oder Silberstab würde keine Reaktion auslösen.

Genug der Theorie. Folgendes Experiment zeigt was passiert, wenn ein Eisennagel in eine Kupfersalzlösung getaucht wird. Damit dem Leser dieser Zeilen auch bestimmt nicht langweilig wird noch eine Frage: Was würde passieren, wenn man einen Kupferstab in eine Eisensalzlösung taucht?

Sicherheitssymbole

Als Schülerversuch geeignet. Schutzbrille tragen! Gesundheitsschädlich Wasser-/Umweltgefährdend Schwermetalle im Sammelgefäß sammeln oder umwandeln.

Chemikalien

  • Eisennagel
  • Kupfersulfat

Materialien

  • Becherglas
  • Stativ
  • Waage
  • durchbohrter Stopfen

Durchführung

Die Größe des verwendeten Becherglases und die Menge an Kupfersulfatlösung hängen in diesem Versuch von der Größe des verwendeten Eisennagels ab. Generell geht es im Versuch darum, einen Eisennagel in eine Kupfersulfatlösung zu tauchen. Hat man nur einen kleinen Eisennagel bedarf es natürlich auch nur eines kleinen Becherglases oder eines Reagenzglases.

Die Kupfersulfatlösung sollte möglichst hoch konzentriert sein, um im folgenden Versuch ein deutliches Ergebnis zu zeigen. Mit Hilfe einer Waage lässt sich eine Gewichtsveränderung vor und nach dem Versuch messen. Allerdings sollte man in diesem Falle schon einen großen Nagel verwenden, um einen aussagekräftigen Gewichtsunterschied messen zu können.

Ein Stativ kann optional verwendet werden, um den Nagel in die Lösung tauchen zu lassen. Vor Versuchsbeginn wiegt man den Nagel. Man spannt den Nagel dann mit Hilfe eines durchbohrten Stopfens in das Stativ ein und bereitet die Kupfersulfatlösung in einem Becherglas vor. Nun wird der Nagel in die Lösung getaucht und mindestens 30 Minuten gewartet. Nach Ablauf der Zeit entnimmt man den Nagel aus der Lösung und wiegt ihn abermals.

Entsorgung

Die Kupfersulfatlösung wird in den Sammelbehälter für Schwermetalle gegeben oder wie im Ergebnis beschrieben mit Eisenspänen umgesetzt.

Ergebnisse

Nach einigen Minuten ist schon eine rötliche Kupferschicht auf dem Nagel zu erkennen. Die Messung ergab eine Gewichtszunahme von 0.1g. Auf dem Eisenstab hat sich also elementares Kupfer abgesetzt.

Eisen ist nach der Spannungsreihe unedler als Kupfer. Alle Metalle links des Kupfers, zu denen auch das Eisen gehört, reduzieren die Salze des Kupfers, geben also Elektronen an das Kupferion ab.

Oxidation: Fe → Fe2+ + 2e-

Reduktion: Cu2+ + 2e- → Cu

Gesamt: Cu2+ + Fe → Cu + Fe2+

Diese Reaktion läuft an der Oberfläche des Nagels ab, bis diese vollständig mit Kupfer bedeckt ist. Ein Mol Kupfer (6.022 · 1023 Teilchen) wiegt ca. 7g mehr als ein Mol Eisenatome. Durch den Austausch von Kupfer und Eisenatomen nimmt der Nagel also an Gewicht zu.

Und wie steht es mit der Frage aus der Einleitung?

"Was passiert, wenn man einen Kupferstab in eine Eisensalzlösung hält?" Richtig ... nichts!

Jedes Metall kann die Salze eines edleren Metalls reduzieren und so jenes Metall elementar aus der Lösung fallen lassen.

Metallsalze eines unedleren Metalls zeigen keine Reaktion darauf. Eisensalze würden also z.B durch die Metalle K, Ca, Na, Mg, Al, Mn, Zn, Cr reduziert werden. Dieser recht simple Versuch ist im Chemielabor sehr dienlich wenn es z.B. um Kupfersulfatabfälle geht.

Kupfersulfatlösung darf nicht einfach im Ausguss entsorgt werden und muss im Behälter für Schwermetalle gelagert werden. Mit dem Wissen aus diesem Experiment lassen sich Kupfersulfatlösungen einfach mit Eisenspänen versetzen, bis alles Kupfer elementar ausgefallen ist. Das Kupfer kann abgefiltert und die Eisensalzlösung in den Ausguss gegeben werden.

Am Rande: Wie sich bei diesem Versuch sich gezeigt hat, kommt es bei vielen Experimenten auf exakte Messungen an. Mit einer einfachen Küchenwage hätte man den Unterschied im Gewicht nicht messen können. Es ist daher nicht verwunderlich, dass der Bereich der Mess- und Regeltechnik eine immer größere Bedeutung in der Forschung und Industrie einnimmt. Für viele Experimente sind dann Messinstrumente notwendig, die in kleiner Stückzahl angefertigt werden. Das bedeutet auch, dass Gehäuse und Frontplatten Prototypen solcher Instrumente extra angefertigt werden müssen.

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