Einleitung
Durch verschiedene Redox-Reaktionen erfolgt bei diesem Experiment ein Farbwechsel von Blau nach Gold und wieder zurück nach Blau.
Verwendete Chemikalien
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28.20 g Kaliumnatriumtartrat-Tetrahydrat, KNa(C4H4O6) · 4 H2O – 282.22 g/mol Kaliumnatrium-2,3-dihydroxysuccinat-Tetrahydrat (IUPAC), Natriumkaliumtartrat, Seignette-Salz, Weinsäure Kalium-Natriumsalz CAS-Nr.: 6381-59-5 – EG-Nr.: 206-156-8 WGK 3 Sigma-Aldrich, 217255, SDB vom 27.03.2021 |
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Gefahr |
2.50 g Kupfer(II)-sulfat-Pentahydrat, CuSO4 · 5 H2O – 249.69 g/mol Kupfermonosulfat-Pentahydrat, Kupfervitriol-Pentahydrat CAS-Nr.: 7758-99-8 – EG-Nr.: 231-847-6 Acute Tox. 4 (oral), Eye Dam. 1, Aquatic Acute/Chronic 1, WGK 3 H302 Gesundheitsschädlich bei Verschlucken. H318 Verursacht schwere Augenschäden. H410 Sehr giftig für Wasserorganismen, mit langfristiger Wirkung. P264 Nach Gebrauch Haut gründlich waschen. P270 Bei Gebrauch nicht essen, trinken oder rauchen. P273 Freisetzung in die Umwelt vermeiden. P280 Schutzhandschuhe/Schutzkleidung/Augenschutz/Gesichtsschutz/Gehörschutz tragen. P301 + P312 BEI VERSCHLUCKEN: Bei Unwohlsein GIFTINFORMATIONSZENTRUM/Arzt anrufen. P305 + P351 + P338 BEI KONTAKT MIT DEN AUGEN: Einige Minuten lang behutsam mit Wasser ausspülen. Eventuell vorhandene Kontaktlinsen nach Möglichkeit entfernen. Weiter ausspülen. Sigma-Aldrich, 203165, SDB vom 12.10.2020 |
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80 mL Wasserstoffperoxid 3 %, H2O2 – 34.01 g/mol Hydrogenperoxid (IUPAC), Perhydrol CAS-Nr.: 7722-84-1 – EG-Nr.: 231-765-0 WGK 1 EUH210 Sicherheitsdatenblatt auf Anfrage erhältlich. Sigma-Aldrich, 88597, SDB vom 10.08.2021 |
Verwendete Geräte, Versuchsaufbau
Waage, 2 × 250-ml-Becherglas (hohe Form), 50-ml-Becherglas, 100-ml-Messzylinder, Glasstäbe, Magnetrührer mit Heizfunktion, Magnetrührfisch, Thermometer, Pipette
Versuchsdurchführung
Lösung 1: In einem 250-ml-Becherglas werden 28.20 g Kaliumnatriumtartrat in 100 mL dest. Wasser gelöst.
Lösung 2: 2.50 g Kupfer(II)-sulfat-Pentahydrat werden in einem 50-ml-Becherglas in 10 mL dest. Wasser gelöst.
60 mL der Lösung 1 sowie 40 mL Wasserstoffperoxid 3 % werden in ein 250-ml-Becherglas gegeben, mit einem Rührfisch versehen und auf dem Magnetrührer (Heizfunktion) auf etwa 60 °C erwärmt. Nun wird unter starkem Rühren 1 mL der Lösung 2 zugegeben. Während des Reaktionsverlaufs wird ständig weitergerührt. Ist die Kupfer(II)-sulfat-Lösung zugegeben, tritt eine Blaufärbung des Gemisches ein. Es erfolgt auch eine starke Gasbildung, dies ist Sauerstoff, den Sie mit der »Glimmspanprobe« nachweisen können. Die Temperatur steigt schnell auf ca. 80 °C an. Das Reaktionsgemsich nimmt schlagartig eine gelborange Farbe an, die Gasentwicklung hört auf und die Temperatur sinkt wieder. Hat die Lösung wieder eine Temperatur von 60 °C erreicht, werden nochmals 40 mL Wasserstoffperoxid 3 % zugegeben. Die gelborange Färbung verschwindet und es bildet sich wieder ein blaues Reaktionsgemisch, der Reaktionsverlauf beginnt erneut. Durch wiederholte Zugabe von Wasserstoffperoxid 3 % kann die Reaktion mehrmals neu gestartet werden.
Reaktionsgleichung
Bildung des Kupfer-Tartrat-Komplexes:
2 CuSO4 + 2 KNa(C4H4O6) + 2 H2O → Cu2+ + [Cu(C4H4O6)2(H2O)2]2− + 2 K+ + 2 Na+ + 2 SO42−
Ligandenwechsel:
[Cu(C4H4O6)2(H2O)2]2− + H2O2 ⇌ [Cu(C4H4O6)2(H2O2)]2− + 2 H2O
Redox-System 1:
Redox-System 2:
2 Cu2+ + H2O2 → 2 Cu+ + O2↑ + 2 H +
Niederschlag von Kupfer(I)-hydroxid:
Cu+ + OH − ⇌ CuOH↓
Bildung von Kupfer(I)-oxid durch Wasserabspaltung:
2 CuOH → Cu2O↓ + H2O
Rückbildung von Kupfer(II)-Ionen:
Cu+ + H2O2 → 2 Cu2+ + 2 OH −
Das Redox-System kann wie folgt dargestellt werden:
Es liegen zwei nebeneinander ablaufende Hauptreaktionen vor:
- Die Oxidation von Tartrat (Weinsäure) durch Wasserstoffperoxid, welche durch Kupfer(II)-Ionen katalysiert wird.
- Ein Redox-System zwischen Kupfer(II)-Ionen und Wasserstoffperoxid.
Die Temperatur der Lösung steuert den gesamten Reaktionsablauf. Die Kupfer(II)-Ionen bilden mit zwei Tartrat-Ionen einen Tiefblauen Kupfer(II)-tartrato-Komplex ([Cu(C4H4O6)2(H2O)2]2−). Der Ligandenwechsel erfolgt nach Einbringen des Wasserstoffperoxids, aus [Cu(C4H4O6)2(H2O)2]2− wird unter Freisetzung von Wasser [Cu(C4H4O6)2(H2O2)]2−. Die sterischen Verhältnisse in diesem Komplex scheinen die Oxidation von Tartrat zu begünstigen. Es werden Kohlendioxid und Hydroxid-Ionen freigesetzt. Dieser Reaktionsschritt ist endotherm, er benötigt eine Starttemperatur (> 50 °C). Die Reaktion selbst ist aber exotherm, was die Temperatur in der Lösung ansteigen lässt. Wasserstoffperoxid kann in Abhängigkeit von Konzentration, Umgebung, Temperatur und pH-Wert sowohl ein Reduktionsmittel als auch ein Oxidationsmittel darstellen! Ab ca. 75 °C werden Kupfer(II)-Ionen zu Kupfer(I)-Ionen reduziert. Als Reduktionsmittel dient Wasserstoffperoxid, nicht das Tartrat! Es entstehen Sauerstoff und Protonen. Die Zersetzung von Wasserstoffperoxid wird durch Kupfer(I)-Ionen katalysiert (Autokatalyse). Diese Autokatalyse ist für die große Menge an Sauerstoff im gebildeten Gas verantwortlich. Die gelborange Farbe kommt von schwer löslichem Kupfer(I)-hydroxid, welches auch als hellgelber Niederschlag anfällt. Der Niederschlag kann auch etwas rötlich erscheinen, da durch Hitzeeinwirkung das Kupfer(I)-hydroxid Wasser abspaltet und sich Kupfer(I)-oxid bildet. Wird zur abgekühlten Lösung wieder Wasserstoffperoxid gegeben, färbt sich diese wieder blau. Kupfer(I)-Ionen werden bei niedrigeren Temperaturen, durch Wasserstoffperoxid wieder zu Kupfer(II)-Ionen oxidiert.
Quellenangaben
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