Experiment Kristallzüchtung: Kupfer(II)sulfat-Pentahydrat

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1 Experiment Kristallzüchtung: Kupfer(II)sulfat-Pentahydrat 1 Einführung In der Natur gibt es für die Entstehung von Kristallen verschiedenste Möglichkeiten. Die meisten natürlichen Kristalle jedoch sind durch Kristallisation aus einer Schmelze (Magma) entstanden. In Abhängigkeit von der Abkühlgeschwindigkeit können dabei mikroskopisch kleine, wie z. B. in vulkanische Gesteinen, oder relativ große Kristalle entstehen, wie wir sie im Granit erkennen. Große Kristalle entstehen, wenn sie für das Wachstum viel Zeit zur Verfügung haben. Im Gegensatz zur Kristallisation aus einer Schmelze, ist die Kristallisation aus einer wässrigen Lösung (z. B. alpine Klüfte und Erzgänge) in der Natur vergleichbar selten. Da dies aber ein äußerst langsamer Vorgang ist, können dabei beeindruckend große und gut ausgebildete Kristalle wachsen. Außerdem eignet sich der Vorgang der Kristallisation aus einer wässrigen Lösung besonders für die Nachahmung, also für die Züchtung im Labor. Die Kristallisation aus der Gasphase ist eher unbedeutend. 2 Aufgabe Durch Kristallisation aus einer wässrigen Lösung sollen im Labor möglichst große, gut ausgebildete Kupfer(II)sulfat-Pentahydrat-Einkristalle gezüchtet werden (Abb. 1). 3 Kupfer(II)sulfat-Pentahydrat (Kupfervitriol) Kupfer(II)sulfat-Pentahydrat (CuSO 4 5H 2 O) bildet tiefblaue, trikline Kristalle, die beim Erhitzen das Kristallwasser abgeben und dann das farblose Kupfersulfat-Anhydrat bilden. Dieser Vorgang ist reversibel. Das Pentahydrat sollte eigentlich als [CuSO 4 (OH 2 ) 4 ] SO 4 H 2 O geschrieben werden, da im Kristall vier Wassermoleküle direkt an das Kupfer(II)-Ion koordiniert sind. Kupfersulfat ist in Wasser gut, in organischen Lösungsmitteln nicht löslich. 3.1 Vorkommen und Gewinnung In der Natur kommt Kupfersulfat als Verwitterungsprodukt sulfidischer Kupfererze als krustenförmige, körnige oder faserige Aggregate vor (Mineral Chalkanthit). Technisch wird Kupfersulfat durch Einwirkung von Schwefelsäure auf Kupferoxide oder Kupfersulfide gewonnen. Es ist das mit Abstand wichtigste Kupfersalz. 1

2 Institut für Geologie Abbildung 1: Ein Kupfer(II)sulfat-Pentahydrat-Einkristall, wie er nach 1 2 Wochen Wachstum gebildet wird. 3.2 Verwendung Kupfersulfat wird zur galvanischen Verkupferung, zur Herstellung von kupferhaltigen Farben und zur Kupferstichatzung verwendet. 3.3 Sicherheitshinweise Gefahrensymbol Xn: Gefahrensymbol N: Gefahrenhinweis R22: Gefahrenhinweis R36/38: Sicherheitsratschlage S22: Schweizer Giftklasse: Gesundheitsschadlich Umweltgefahrlich Gesundheitsschadlich beim Verschlucken Reizt die Atmungsorgane, Augen und Haut Staub nicht einatmen Entsorgung Salze sind in Klaranlagen nicht abbaubar, deshalb Kupfersulfat-Losung nicht in den Ausguss, sondern in eine Sammelstelle geben. 4 Prinzip der Ausfallung durch Ubers attigung Die Loslichkeit eines Stoffes gibt an, ob und in welchem Umfang ein Reinstoff in einem Losungs werden kann. Sie bezeichnet also die Eigenschaft eines Stoffes, sich unter molekularer mittel gelost Verteilung mit dem Losungsmittel homogen zu vermischen. Sulfate sind Salze und somit fast nur in polaren Losungsmitteln wie Wasser oder auch Fluorwasserstoff (HF) loslich. Die quantitative Loslichkeit gibt die Menge eines Stoffes an, welche, unter gegebenen Bedingungen (Temperatur und Druck), maximal in einer bestimmten Menge der Losung loslich ist. Bei Salzen Am Bn kann die Loslichkeit (L) aus dem Loslichkeitsprodukt (K L ) berechnet werden: 2

3 200 Kupfer(II)sulfat-Pentahydrat [g]/100 g dest. H 2 O übersättigt gesättigt untersättigt Temperatur [ C] Übersättigung durch Verdunsten Übersättigung durch Abkühlen Abbildung 2: Oft kann die Konstante K L experimentell ermittelt werden. Dieses Diagramm zeigt die Löslichkeitskurve von Kupfersulfat-5-Hydrat in Abhängigkeit von der Temperatur. In 100 g destilliertem Wasser lösen sich bei 20 C 37 g Kupfersulfat-5-Hydrat, bei 50 C sind es 64 g. K L = [A + ] m [B ] n L = [A+ ] m = [B ] n = n+m KL n n + m m [g/l Lösung] oder [g/100 g Lösung] In warmem Wasser ist also mehr Kupfersulfat löslich (CuSO 4 Cu 2+ + SO 2 4 ) als in kaltem Wasser. Die Löslichkeitskurve (Abb. 2) zeigt nun drei Fälle von Lösungsgleichgewichten: 1. Untersättigte Lösung, Konzentration < Löslichkeit 2. Gesättigte Lösung, Konzentration = Löslichkeit 3. Übersättigte Lösung, Konzentration > Löslichkeit Um eine Ausfällung zu erhalten, bedarf es somit einer übersättigten Lösung. Wie stellt man aber eine übersättigte Lösung her, wenn man nicht mehr Kupfersulfat in Lösung bringen kann? Eine Möglichkeit besteht darin, eine gesättigte Lösung eindunsten zu lassen, wodurch es zur Ausscheidung von Kristallen kommt. Eine weitere Möglichkeit ist es, eine warme, gesättigte Lösung herzustellen. Beim anschließenden Abkühlen der Lösung kommt es wegen plötzlicher Übersättigung ebenfalls zur Ausfällung. Ein in die übersättigte Lösung eingebrachter Kupfersulfat-Kristall 3

4 wächst so lange, bis die Lösung die Löslichkeitskurve erreicht, d. h. bis die Lösung gesättigt ist. Um einen großen Einkristall anstelle von vielen kleinen Kristallen zu züchten, benötigen wir also einen Ausgangskristall, einen so genannten Impfkristall, den wir in die Wachstumslösung hängen. Sind die Bedingungen ideal, lagern sich die Ionen schichtweise an den Keimling an. Diese Phase ist heikel, da bei der geringsten Störung (Eindringen von Staub oder Erschütterungen) spontane Ausfällungen passieren können und so die Bildung eines Einkristalls verhindert würde. Idealerweise soll sich das überschüssige Kupfersulfat langsam und gleichmäßig am Impfkristall abscheiden. Häufig findet man bereits in der Ausgangssubstanz geeignete (> 1 mm) Impfkristalle und kann sich den regelmäßigsten aussuchen. Ist dies nicht der Fall, kann man gesättigte Lösung in einer flachen Schale (Petrischale) eindunsten lassen oder eine warme Lösung abkühlen lassen und die erstgebildeten Kristalle aus der Lösung entfernen. 5 Zutaten 175 g Kupfer(II)sulfat-Pentahydrat CuSO 4 5H 2 O dest. Wasser Filterpapier flache Schale (Petrischale) Feinwaage Kunststoffpinzette Heizplatte Thermometer Becherglas oder Einmachglas (Glas oder Kunststoff) mit Abdeckung Gummihandschuhe Nylonfaden Holzstab Gaze evtl. Nagelfeile 6 Rezept 1. Schritt: Herstellen einer gesättigten Lösung Dazu lösen wir so viel Kupfer(II)sulfat-Pentahydrat in 50 ml destilliertem Wasser wie möglich (bis sich nichts mehr löst). Die Lösung wird mit einem Glas- oder Kunststoffstab gerührt. Für die Entnahme des Kupfer(II)sulfat-Pentahydrats aus dem Behälter sollte ein Kunststofflöffel verwendet werden. 4

5 2. Schritt: Filtrieren Zum Filtrieren wird ein Filter ins Stativ gespannt, Filterpapier eingelegt und mit destilliertem Wasser angefeuchtet. Das untere Ende des Filters sollte die Wand des Auffanggefäßes im obersten Teil berühren. Nun die Lösung nach und nach in den Filter gießen. Falls kein Stativ vorhanden ist, kann der Filter auch in einen Zylinder gegeben und dieser ins Becherglas gestellt werden. Für Versuche zu Hause können anstelle von Becherglas und Filter auch ein normales Einmachglas und ein Kaffeefilter verwendet werden. 3. Schritt: Verdampfen lassen Die Lösung wird in eine Petrischale (flache Schale) gefüllt und an einen Ort ohne Temperaturschwankungen (Keller) gestellt. Nun heißt es warten, bis genügend Wasser verdampft ist und sich möglichst große Kristalle am Boden der Schale abgeschieden haben. Um zu verhindern, dass Staub oder Sonstiges in die Lösung kommt, sollte man die Petrischale mit Gaze abdecken. Nur Geduld, es kann einige Tage dauern! Bei mir war nach vier Tagen alles Wasser verdunstet und es haben sich bis zu 2 cm lange, jedoch sehr dünne Kristalle gebildet. 4. Schritt: Impfkristall aussuchen und an Faden befestigen Mit einer Kunststoffpinzette wird der schönste, regelmäßigste Impfkristall heraus gesucht und vorsichtig vom Boden der Schale gelöst. Nun wird ein Ende des transparenten Nylonfadens mit einer Schlinge am Kristall befestigt, während das andere Ende um einen Holzstab gewickelt wird. Damit der Faden nicht abrutscht, können die Kanten des Kristalls mit einer Nagelfeile eingefurcht werden. Es ist darauf zu achten, dass wir weder Kristall, noch Faden mit unseren (fettigen) Fingern anfassen. Wichtig ist, die Länge des Fadens genau so zu wählen, dass der Impfkristall schließlich 2 3 cm über dem Boden des Becherglases hängt. Anstelle eines Nylonfadens kann ebenso gut ein Haar verwendet werden. 5. Schritt: Herstellen der Wachstumslösung 150 g destilliertes Wasser werden auf ca. 60 C erhitzt (Kontrolle Thermometer) und darin 75 g Kupfer(II)sulfat-Pentahydrat gelöst. Zum Rühren der Lösung ist idealerweise ein Magnetrührer zu verwenden. 6. Schritt: Filtrieren und Abkühlen der Wachstumslösung Die Wachstumslösung wird noch warm(!) filtriert (siehe Schritt 2) in ein geeignetes Becherglas gegeben. Nun sollte man die Lösung möglichst erschütterungsfrei abkühlen (2 3 Std.) lassen. Es ist ganz wichtig, dass das Becherglas reinlich sauber ist, deshalb mit Spülmittel und heißem Wasser auswaschen und trocknen lassen. 7. Schritt: Impfkristall hinein hängen und warten Der am Faden befestigte Impfkristall wird nun so in die Wachstumslösung gehängt, dass er möglichst frei (ohne die Gefäßwand zu berühren), 2 3 cm über dem Gefäßboden hängt. Mit Gaze abgedeckt soll man das Becherglas nun eine Zeit lang (3 4 Tage) stehen lassen. Die Lösung sollte öfters kontrolliert werden. Haben sich an Faden, Boden oder an der Oberfläche der Lösung zusätzliche Kristalle gebildet, muss sie noch einmal filtriert und der Faden mit dem Impfkristall warm abgespült werden. Ansonsten soll das Becherglas nicht berührt werden! 8. Schritt: Stoppen oder neue Wachstumslösung Je nach Bedarf ist der Kristall nun fertig oder kann weiter zum Züchten verwendet werden; 5

6 in diesem Fall nur mit Handschuhen und Pinzette anfassen. Für die neue Wachstumslösung werden 100 g Kupfersulfat in 200 g Wasser unter Erwärmen gelöst. Ansonsten bleibt das Vorgehen dasselbe. Ist der Kristall schön und groß genug, nimmt man ihn aus der Lösung und lässt ihn an der Luft trocknen. Ein guter Tipp ist es, den Kristall mit gewöhnlichem Haarlack zu besprühen, sodass er gegen Fingerabdrücke und Feuchtigkeit geschützt ist. 6