Zementkupfer aus Grubenwasser
AFB I–IIIn alten Kupferbergwerken sickert Wasser durch das Gestein und löst Kupfer-Ionen: Das Grubenwasser ist bläulich. Schon im Mittelalter legte man Eisenschrott in solches Wasser. Nach einiger Zeit war der Schrott mit einer rotbraunen Schicht überzogen, die man abkratzte und zu Kupfer verarbeitete („Zementkupfer“).
- Beschreibe die Beobachtungen, die man an Schrott und Wasser machen kann.
- Stelle die Redoxgleichung für die Reaktion auf (Eisen bildet \(\mathrm{Fe^{2+}}\)).
- Berechne die Masse Eisen, die für die Gewinnung von 1,0 kg Kupfer mindestens verbraucht wird \((M(\mathrm{Cu})=63{,}5\ \mathrm{g/mol},\ M(\mathrm{Fe})=55{,}8\ \mathrm{g/mol})\).
- Begründe, warum man für dieses Verfahren Eisenschrott und nicht etwa Silberschrott verwendet.
Hinweise
Hinweis zu Aufgabe a)
Hinweis zu Aufgabe b)
Hinweis zu Aufgabe c)
Hinweis zu Aufgabe d)
Erwartungshorizont
Erwartungshorizont zu Aufgabe a)
Auf dem grauen Eisen bildet sich ein rotbrauner, lockerer Belag. Die bläuliche Färbung des Wassers wird schwächer; das Eisen wird mit der Zeit angegriffen und dünner.
Erwartungshorizont zu Aufgabe b)
Oxidation: \(\mathrm{Fe\longrightarrow Fe^{2+}+2\,e^-}\); Reduktion: \(\mathrm{Cu^{2+}+2\,e^-\longrightarrow Cu}\)
Gesamt: \(\mathrm{Fe+Cu^{2+}\longrightarrow Fe^{2+}+Cu}\)
Erwartungshorizont zu Aufgabe c)
\(n(\mathrm{Cu})=\dfrac{1000\ \mathrm{g}}{63{,}5\ \mathrm{g/mol}}\approx 15{,}7\ \mathrm{mol}=n(\mathrm{Fe})\)
\(m(\mathrm{Fe})=15{,}7\ \mathrm{mol}\cdot 55{,}8\ \mathrm{g/mol}\approx 879\ \mathrm{g}\) — knapp 0,9 kg Eisen pro Kilogramm Kupfer.
Erwartungshorizont zu Aufgabe d)
Eisen steht in der Redoxreihe links von Kupfer, ist also unedler und gibt Elektronen an die Kupfer-Ionen ab. Silber steht rechts von Kupfer: Silber-Atome können Kupfer-Ionen nicht reduzieren, es fände keine Reaktion statt.
Außerdem ist Eisenschrott billig und in großen Mengen verfügbar, Silber dagegen wertvoller als das gewonnene Kupfer.
Die Reihe im Schullabor
AFB II–IIIEine Gruppe hat Eisen, Nickel, Blei und ein unbekanntes Metall X jeweils in die Salzlösungen der anderen Metalle gestellt und beobachtet, ob sich ein Belag bildet.
| Metall ↓ / Lösung → | Fe²⁺ | Ni²⁺ | Pb²⁺ | Ionen von X |
|---|---|---|---|---|
| Eisen | · | + | + | + |
| Nickel | – | · | + | + |
| Blei | – | – | · | + |
| X | – | – | – | · |
- Werte die Tabelle aus und ordne die vier Metalle von unedel nach edel.
- Stelle eine Vermutung darüber auf, um welches Metall es sich bei X handeln könnte, und nenne die Bedingung, die X erfüllen muss.
- Eine Mitschülerin meint: „Für die Reihenfolge von vier Metallen muss man alle zwölf Kombinationen testen.“ Überprüfe diese Aussage.
- Entwickle einen Versuchsplan, mit dem sich zeigen lässt, dass Aluminium unedler ist als Eisen. Berücksichtige dabei eine Besonderheit von Aluminium.
Hinweise
Hinweis zu Aufgabe a)
Hinweis zu Aufgabe b)
Hinweis zu Aufgabe c)
Hinweis zu Aufgabe d)
Erwartungshorizont
Erwartungshorizont zu Aufgabe a)
Eisen scheidet alle drei anderen ab, Nickel zwei, Blei eines, X keines.
Reihenfolge von unedel nach edel: Eisen, Nickel, Blei, X.
Erwartungshorizont zu Aufgabe b)
X muss edler als Blei sein, also in der Redoxreihe rechts von Blei stehen. Infrage kommen z. B. Kupfer oder Silber (die Lösungsfarbe könnte weiter unterscheiden: Kupfersalzlösungen sind blau).
Erwartungshorizont zu Aufgabe c)
Die Aussage ist falsch. Für jedes Paar genügt ein Versuch: Scheidet A das Metall B ab, ist A unedler — der umgekehrte Versuch liefert keine neue Information. Bei vier Metallen gibt es \(\tfrac{4\cdot 3}{2}=6\) Paare, also reichen sechs Versuche; oft sogar weniger, weil sich Beziehungen übertragen (ist Fe unedler als Ni und Ni unedler als Pb, dann ist Fe unedler als Pb).
Erwartungshorizont zu Aufgabe d)
Versuch 1: Aluminium (Grieß oder vorher mit Schmirgelpapier blank geschliffenes Blech) in Eisen(II)-sulfatlösung. Erwartung: dunkler Eisenbelag, Aluminium wird angegriffen.
Versuch 2 (Gegenprobe): blankes Eisenblech in Aluminiumsulfatlösung. Erwartung: keine Veränderung.
Besonderheit: Die schützende Oxidschicht des Aluminiums muss entfernt werden, sonst läuft die Reaktion nicht oder nur sehr langsam ab und man zieht einen falschen Schluss. Gleiche Konzentrationen, Temperatur und Versuchsdauer sichern die Vergleichbarkeit.