Versuch 70: Reduktion von Kupferoxid mit Holzkohle - Einleitung

Nur wenige Metalle kommen in der Natur gediegen, also als Element vor. Beispiele für diese edlen Metalle sind Gold, Silber, Palladium, Platin, Rhodium oder Iridium. Durch die Reaktionsfreudigkeit der meisten Metalle kommen diese überwiegend als Kationen in chemischen Verbindungen vor, sie neigen also dazu Elektronen an andere Atome (meist Nichtmetalle) abzugeben und sich mit diesen dann zu verbinden.

Im Metallbau spricht man bei diesen typischen, in der Natur vorkommenden Metallverbindungen von Erzen. Die meisten Erze sind Oxide und Sulfide. Man stellt aber auch aus Carbonaten, Silikaten, Phosphaten oder Halogenverbindungen reine Metalle her. Um aus den positiven Metallionen elementare Metalle herzustellen müssen sie in jedem Fall reduziert werden, man muss ihnen die verlorenen Elektronen also auf verschiedenen Wegen wieder zuführen.

Verfahrenstechnisch lassen sich dazu verschiedenste Reduktionsmittel (Elektronenspender) verwenden. Die Reduktion der Erze findet zumeist bei hohen Temperaturen in riesigen Hochöfen statt. Das gewünschte Metall tritt am Ende der Reduktion dann als flüssiges Produkt auf, das in passende Formen gegossen werden kann. Es gibt viele verschiedene Methoden zur Erzreduktion. Eine sehr klassische und bedeutsame Methode der Elektronenspende für Metallkationen stellt das Experiment der Reduktion von Kupferoxid mit Holzkohle exemplarisch dar. Nach dem gleichen Prinzip wird heute noch Eisen im Hochofenverfahren hergestellt.

Der verwendete Kohlenstoff ist ein besonders wichtiges und altbekanntes Reduktionsmittel bei der Metallgewinnung. Schon in der Bronze- und Eisenzeit kannte man die Kohle als Mittel aus Oxiderzen reines Metall herzustellen. Auch Kobalt, Nickel, Zink, Cadmium, Zinn oder Antimon werden heute mit Hilfe der Kohle reduziert. Erze unedler Metalle (z.B. Natrium oder Aluminium) lassen sich nicht mit Kohlenstoff reduzieren. Er ist zu edel für sie, stellt sich einfach ausgedrückt, der Elektronenspende entgegen. Diesen Härtefällen tritt man mit direkt mit elektrischem Strom entgegen.

Sicherheitssymbole

Als Schülerversuch geeignet. Schutzbrille tragen! Reizend Neutralisieren! In den Abfall geben.

Chemikalien

  • Kupfer(II)oxid
  • Kohlepulver
  • Calciumhydroxid

Materialien

  • dickwandiges Reagenzglas
  • Stativ
  • durchbohrter Stopfen
  • gebogenes Glasrohr
  • Erlenmeyerkolben

Durchführung

Man mischt mehrere Spatel Kupferoxid und Kohlepulver in einem großen Reagenzglas. Die Mengen hängen dabei von der Größe des Reagenzglases ab. Es sollte ca. 2 Finger breit befüllt werden.

Das Glas wird waagerecht in ein Stativ eingespannt und eine Kalkwasserlösung angesetzt. Ein in den durchborhten Stopfen gesetztes Glasrohr leitet entstehende Gase in die Kalkwasserlösung.

Mit einem Brenner wird das Reagenzglas so lange erhitzt, bis ein rotes Glühen zu erkennen ist. Wenn die Reaktion beendet ist, muss das Glasrohr schnell aus dem Kalkwasser entfernt werden, da sonst beim Abkühlen Wasser ins reagenzglas gesogen werden kann.

Entsorgung

Die festen Reaktionsprodukte können in den Abfall gegeben werden. Die Calciumhydroxidlösung wird neutralisiert und in den Ausguss gegeben.

Ergebnisse

Unter rotem Glühen reagiert das Kupferoxid mit dem Kohlenstoff. Nach dem Abkühlen ist im Reagenzglas deutlich elementares Kupfer zu erkennen.

Oxidation: C → C4+ + 4e-

Reduktion: CuO + 2e- → Cu + O2-

Gesamt: 2CuO + C → 2Cu + CO2

Das Reaktionsprodukt, Kohlenstoffdioxid, wird mit Kalkwasser im Erlenmeyerkolben nachgewiesen. Das Kalkwasser trübt sich. Grund dafür ist entstehendes, schwer lösliches Calciumcarbonat.

Ca(OH)2(aq) + CO2(g) → CaCO3(s) + H2O(l)

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