Einführung in die Elektrochemie

Versuche

Eisennagel in Kupfersulfat

Zielsetzung

Entwicklung einer ersten Vorstellung einer Redoxreaktion
Prozess des „Abscheidens“ und „in Lösung gehen“ von Metallen

Vorlesen

Hinweise zur Gefährdung

Dieses Experiment darf nur von Lehrpersonen durchgeführt werden!

Material

Becherglas oder Reagenzglas
Eisennagel
Spatel

Chemikalien

Kupfersulfat-Lösung \(\pu{(c= 1 \frac{mol}{l})}\) (Abb. 1)

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Edukte

Stoffname	Summenformel	Gefahrenhinweise
Kupfer(II)-sulfat, Pentahydrat	\( \ce {CuSO4 * 5H2O} \)	H302: Gesundheitsschädlich bei Verschlucken. H318: Verursacht schwere Augenschäden. H410: Sehr giftig für Wasserorganismen mit langfristiger Wirkung. P273: Freisetzung in die Umwelt vermeiden. P280: Augenschutz tragen. P305+P351+P338: BEI KONTAKT MIT DEN AUGEN: Einige Minuten lang behutsam mit Wasser spülen. Eventuell vorhandene Kontaktlinsen nach Möglichkeit entfernen. Weiter spülen. P313: Ärztlichen Rat einholen / ärztliche Hilfe hinzuziehen. Link zur GESTIS-Stoffdatenbank

Kupfer(II)-sulfat, Pentahydrat

\( \ce {CuSO4 * 5H2O} \)

H302: Gesundheitsschädlich bei Verschlucken. H318: Verursacht schwere Augenschäden. H410: Sehr giftig für Wasserorganismen mit langfristiger Wirkung.

P273: Freisetzung in die Umwelt vermeiden. P280: Augenschutz tragen. P305+P351+P338: BEI KONTAKT MIT DEN AUGEN: Einige Minuten lang behutsam mit Wasser spülen. Eventuell vorhandene Kontaktlinsen nach Möglichkeit entfernen. Weiter spülen. P313: Ärztlichen Rat einholen / ärztliche Hilfe hinzuziehen.

Produkte

Stoffname	Summenformel	Gefahrenhinweise
Kupfer, Pulver bzw. als Reaktionsprodukt	\(\ce{Cu}\)	H228: Entzündbarer Feststoff. H410: Sehr giftig für Wasserorganismen mit langfristiger Wirkung. P210: Von Hitze, heißen Oberflächen, Funken, offenen Flammen sowie anderen Zündquellen fernhalten. Nicht rauchen. P273: Freisetzung in die Umwelt vermeiden. Link zur GESTIS-Stoffdatenbank
Eisen(II)-sulfat	\(\ce{FeSO_4}\)	H302: Gesundheitsschädlich bei Verschlucken. H315: Verursacht Hautreizungen. H319: Verursacht schwere Augenreizung. P301+P312+P330: BEI VERSCHLUCKEN: Bei Unwohlsein GIFTINFORMATIONSZENTRUM oder Arzt anrufen. Mund ausspülen. P302+P352: BEI BERÜHRUNG MIT DER HAUT: Mit viel Wasser und Seife waschen. P305+P351+P338: BEI KONTAKT MIT DEN AUGEN: Einige Minuten lang behutsam mit Wasser spülen. Eventuell vorhandene Kontaktlinsen nach Möglichkeit entfernen. Weiter spülen. Link zur GESTIS-Stoffdatenbank

Kupfer, Pulver bzw. als Reaktionsprodukt

\(\ce{Cu}\)

H228: Entzündbarer Feststoff. H410: Sehr giftig für Wasserorganismen mit langfristiger Wirkung.

P210: Von Hitze, heißen Oberflächen, Funken, offenen Flammen sowie anderen Zündquellen fernhalten. Nicht rauchen. P273: Freisetzung in die Umwelt vermeiden.

Eisen(II)-sulfat

\(\ce{FeSO_4}\)

H302: Gesundheitsschädlich bei Verschlucken. H315: Verursacht Hautreizungen. H319: Verursacht schwere Augenreizung.

P301+P312+P330: BEI VERSCHLUCKEN: Bei Unwohlsein GIFTINFORMATIONSZENTRUM oder Arzt anrufen. Mund ausspülen. P302+P352: BEI BERÜHRUNG MIT DER HAUT: Mit viel Wasser und Seife waschen. P305+P351+P338: BEI KONTAKT MIT DEN AUGEN: Einige Minuten lang behutsam mit Wasser spülen. Eventuell vorhandene Kontaktlinsen nach Möglichkeit entfernen. Weiter spülen.

Versuchsaufbau/Durchführung

CC-BY-NC 4.0 / Joachim Herz Stiftung; Johann Seibert

Abb. 2 Versuchsaufbau
Setze eine 1 molare Kupfersulfat-Lösung an und fülle davon \(\ce{100 ml}\) in ein Becherglas. Alternativ kannst du das Experiment auch im kleineren Maßstab durchfühen und ein Reagenzglas mit ca. 3 Finger breit der Kupfersulfat-Lösung füllen.
Den Eisennagel solltest du idealerweise vorher mit einem Stück Schmirgelpapier blank reiben.
Gib den blanken Eisennagel in das Becherglas/das Reagenzglas mit 1 molarer Kupfersulfat-Lösung (Abb. 2).

Hinweise zur Entsorgung

Die Lösung wird im Anschluss in einem Schwermetallbehälter entsorgt. Der Eisennagel kann wiederverwendet werden.

Abb. 3 Eisennagel in Kupfersulfat-Lösung

Aufgabe

Führe den Versuch durch. Beobachte genau, wie sich die Farbe der Lösung und die Farbe des Nagels im Laufe der Zeit verändern.

Lösung

Beobachtung

Auf dem Eisennagel bildet sich ein rotbrauner Belag (Abb. 4). Gleichzeitig verschwindet mit der Zeit die tiefblaue Farbe der Lösung und es bildet sich eine blassgrüne Lösung.

Ergebnis

Der rotbraune Belag auf dem Eisennagel (Abb. 4) besteht aus elementarem Kupfer. Die tiefblaue Farbe der Lösung verschwindet, da die farbgebenden \(\ce{Cu^{2+}(aq)}\)-Ionen aus der Lösung reagieren und einen neuen Stoff bilden. Gleichzeitig gehen \(\ce{Fe^{2+}(aq)}\)-Ionen in Lösung. Dadurch färbt sich die Lösung im Verlauf der Reaktion blassgrün, da sich Eisensulfat bildet.

Das Eisen-Atom (graues Teilchen) gibt also Elektronen an das vorbeikommende Kupfer-Ion (rotes Teilchen) ab, wodurch einerseits ungeladene Kupfer-Atome (grünes Teilchen) und ein positiv geladenes Eisen-Ion (lila Teilchen) entstehen (Abb. 5).

Abb. 5 Ergebnisschaubild Eisennagel in Kupfersulfat

Reaktionsgleichungen

\(\ce{Eisen + Kupfersulfat -> Kupfer + Eisensulfat}\)

\(\ce{Fe + CuSO4 -> Cu + FeSO4}\)

Bei der Reaktion findet eine Redoxreaktion statt, wobei Elektronen übertragen werden.

Oxidation: \(\ce{Fe-> Fe^2+ + 2e^-}\)

Reduktion: \(\ce{Cu^2+ + 2e^- -> Cu}\)

Redoxreaktion: \(\ce{ Fe + Cu^2+ -> Cu + Fe^2+}\)

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