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Kreisreaktionen
 
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Stoffe  Oxidierte Kupferbriefe (>Experiment), Salzsäure 10%, Schwefelsäure 10%, Eisennägel, Malachit gepulvert
Geräte  Petrischalen, Spatel
Sicherheit   Aufgrund der ätzenden Stoffe müssen Schutzbrille und Schutzhandschuhe getragen werden. Dies gilt vor allem auch für die Schülerinnen und Schüler, wenn sie die Versuche selbst durchführen.

Schutzbrille anziehen!  Schutzhandschuhe anziehen! 
GefährdungsBU  Experimente mit anorganischen Salzen    pdf
GefährdungsBU  Arbeiten mit verdünnter Salz- und Schwefelsäure    pdf

Zum Experimentieren im eigenen Unterricht wird eine editierbare GBU benötigt.
 
 
Didaktische Bemerkungen
 
Kreisreaktionen sind ein erster Hinweis darauf, dass sich die einfachen Stoffsysteme zu höher organisierten Systemen entwickeln können. Als einfache Kreisreaktion gilt jede Hin- und Rückreaktion, so auch bei der Synthese von Kupferacetat und dessen analytischer Zerlegung (>Experiment). Eine schon in der Antike bekannte Kreisreaktion ist die technische Nutzung des Kalks:
 
 
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Einfacher Kupferkreislauf Ein für die Schule besonders schöner Kreislauf ergibt sich aus den Experimenten beim Erhitzen eines Kupferbriefs. Das bei dem Experiment gebildete schwarze Kupfer(II)-oxid auf dem Kupferbrief kann mit verdünnter Salzsäure zu Kupfer(II)-chlorid umgewandelt werden. Man legt die oxidierten Briefe einfach in eine Petrischale mit 10%iger Salzsäure. Legt man einen Eisennagel in die entstandene Lösung, scheidet sich in einem elektrochemischen Vorgang elementares Kupfer auf dem Nagel ab.
  
 
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Einfacher Kupferkreislauf
 
 
Erweiterter Kupferkreislauf Komplizierter ist der erweiterte Kupferkreislauf, bei dem das Kupfer über zwei Zwischenschritte wieder erhältlich ist. Liegen die oxidierten Kupferbriefe lange in kohlendioxidhaltiger und feuchter Luft, bilden sich grünliche Schichten.
  
 
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 Erweiterter Kupferkreislauf
 
 
Im Freien bildet die feuchte Luft zusammen mit dem Kohlenstoffdioxid auf der Oberfläche von oxidierten Kupferblechen allmählich einen grünlichen Überzug, der auch als Patina bezeichnet wird. Dieser Vorgang dauert in der Regel mehrere Jahre. Die Patina schützt das darunter liegende Kupfer vor weiterer Korrosion, daher ist Kupferblech für die Abdeckung von Türmen und Dächern gut geeignet (genaue Reaktionsgleichung siehe >Kupfer). Der Überzug besteht im wesentlichen aus Malachit, einem Stoff der in der Natur als grünes Mineral vorkommt. Malachit war früher auch ein wichtiges Pigment.
  
 
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Mit verdünnter Schwefelsäure kann der Malachit in Kupfer(II)-sulfat umgewandelt werden. Dazu füllt man eine Petrischale zur Hälfte mit 10%iger Schwefelsäure und gibt einen Spatel pulverisierten Malachit hinzu. Unter Aufbrausen löst sich das Pulver auf, und es bildet sich eine bläuliche Lösung. Legt man einen Eisennagel in diese Lösung, kann das Abscheiden des Kupfers besonders schön beobachtet werden. Auch andere hineingelegte Metalle überziehen sich mit einer Kupferschicht.
 
 
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Malachit und verdünnte Schwefelsäure
Verkupfern eines Eisennagels: durchlaufende Diashow
 
 
Ausblick: Kreisreaktionen sind die wesentlichen Voraussetzungen für Stoffkreisläufe in der Natur, zum Beispiel beim Kalkkreislauf. Diese kommen in der Natur in großer Vielfalt vor. Eine besonders komplizierte Kreisreaktion stellt der Citronensäurezyklus im Verdauungskreislauf des menschlichen Körpers dar. In der Natur sind chemische Kreisreaktionen oft in ökologische Kreisläufe eingebunden, so auch beim Kohlenstoffkreislauf oder beim Stickstoffkreislauf. Ökologische Kreisläufe sind sehr komplex organisiert. Bei ihnen unterhalten die in den Kreislauf eingebundenen Systeme Rückkopplungseffekte nach komplizierten Mustern (siehe auch >chemische Gleichgewichte). Die Kenntnis dieser Muster ermöglicht uns die Vorhersage von langfristigen Auswirkungen. Wenn wir zusätzlich Kohlenstoffdioxid in den Kohlenstoffkreislauf einbringen, wird der Treibhauseffekt beschleunigt.
 
Entsorgung: Durch das Hineinlegen von Eisennägeln, werden der Lösung alle Kupfer-Ionen entzogen, so dass die Lösung nicht mehr gewässergefährdend ist. Dies ist an der farblosen Lösung zu erkennen. Die Reste der verdünnten Schwefelsäure werden mit viel Wasser verdünnt, dann mit verdünnter Natronlauge neutralisiert und in den Abguss gegeben. Die verkupferten Eisennägel bewahrt man in der Sammlung als Demonstrationsobjekte auf. Sie werden mit viel Wasser abgespült und dann getrocknet.

 
Literatur
  • Peter Buck: Material für das Chemische Praktikum an der PH-Heidelberg
  • Hans Keune, Wolfgang Filbry: Chemische Schulexperimente, Verlag Harri Deutsch, 1978
  • Hermann Klie: Präludium über Malachit - Analyse und Synthese, ZS chimica didactica 1/1981
  • Buck/Rehm/Seilnacht: Der Sprung zu den Atomen, Seilnacht 2004
 
Copyright: T. Seilnacht