Einführung in die Elektronenübertragungsreaktion

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1 Lehrer-/Dozentenblatt Einführung in die Elektronenübertragungsreaktion (Artikelnr.: P ) Curriculare Themenzuordnung Fachgebiet: Chemie Bildungsstufe: Klasse 7-10 Lehrplanthema: Anorganische Chemie Unterthema: Redox-Reaktionen, Elektronenübergang Experiment: Einführung in die Elektronenübertragungsreaktion Schwierigkeitsgrad Vorbereitungszeit Durchführungszeit empfohlene Gruppengröße Leicht 10 Minuten 10 Minuten 1 Schüler/Student Zusätzlich wird benötigt: Versuchsvarianten: Wasser Schmirgelpapier Eisennägel Fettstift Schlagwörter: Oxidation, Reduktion, Elektronenübertragung Aufgabe und Material Lehrerinformationen Prinzip Mit diesem Versuch sollen Schüler in die Elektronenübertragungsreaktion eingeführt werden. Anhand einer sichtbaren chemischen Reaktion (Farbänderung) lernen die Schüler ein Beispiel für eine Elektronenübertragungsreaktion kennen. Aus vorherigen Unterrichtseinheiten wissen Schüler, dass bei chemischen Reaktionen Stoffe miteinander reagieren und dabei neue Stoffe mit neuen Eigenschaften bilden. Bei vielen chemischen Reaktionen läuft die Bildung neuer Stoffe in der Regel durch Elektronenübertragung ab, d.h. Elektronen werden von einem Stoff abgegeben, die von einem anderen Stoff aufgenommen werden. Die Elektronenübertragungsreaktion lässt sich dabei sehr eindrucksvoll an der Reaktion von Metallen in Metallsalzlösungen zeigen. Gibt man beispielsweise Eisenwolle in eine blau-gefärbte Kupfersulfatlösung, so färbt sich die "ehemalige" Kupfersulfatlösung von blau nach gelb und auf der Eisenwolle bildet sich eine kupferfarbene (rotbraun) Schicht. Aus den Kupferionen (der Kupfersulfatlösung) ist also elementares Kupfer entstanden, es muss also eine Elektronenübertragung auf die positive geladenen Kupferionen eingetreten sein. Aber nicht jedes Metall reagiert mit jeder Metallsalzlösung. Ein Metall reagiert mit einer Metallsalzlösung nur, wenn das Metall "unedler" ist, als das Metall der Salzlösung. Der Versuch dient daher auch, die Schüler für eine spätere Unterrichtseinheit in die elektrochemische Spannungsreihe einzuführen Lernziele Unedle Metalle scheiden aus den Salzlösungen edlerer Metalle diese ab und gehen dabei selbst in Lösung. Die hier ablaufenden Reaktionen sind Elektronenübertragungs-, also Redoxreaktionen. In diesem Versuch untersuchen die Schüler die Reaktion von Metallen in Salzlösungen, dazu geben die Schüler Eisenblech/Eisenwolle in eine Kupfersulfatlösung und Kupferblech in eine Eisensulfatlösung. Hierbei stellen sie fest, dass unedle Metalle aus einer Salzlösung eines edleren Metalls das edlere Metall abscheiden lassen. Das unedle Metall geht dabei selbst in Lösung. An dem Beispiel der Eisenwolle in Kupfersulfatlösung (an der sich rotbraunes Kupfer abscheidet) erkennen Schüler, dass eine

2 Lehrer-/Dozentenblatt Elektronenübertragung auf die Metallionen (Kupferionen) stattfindet und dadurch zum Metall Kupfer umgewandelt ("reduziert") worden ist. Die Farbänderung der Kupfersulfatlösung von blau auf gelb zeigt zudem, dass die Kupfersulfat-Lösung verbraucht worden ist und sich Eisen als Eisensulfat bildet. Die Kopplung der beiden Elektronenübertragungsreaktionen stellt in diesem Versuch eine Redoxreaktion dar. Der Versuch zeigt zudem eindeutig, dass eine einzlene Elektronenübertragungsreaktion nicht möglich ist, sondern immer zwei Elektronenübertragungen (Reduktion & Oxidation) stattfinden. Hinweise zu Aufbau und Durchführung Vorbereitungen Zur Verkürzung der Versuchsdauer können fertige Salzlösungen bereitgestellt werden. Die Konzentrationen dieser Lösungen sind unter den gewahlten Versuchsbedingungen relativ variabel. Es sind handelsübliche Eisennagel, jedoch nicht Stahlnagel verwendbar. Anmerkungen zu den Schülerversuchen Die Kupfersulfatlösung in Versuchsteil 2 sollte nicht allzu konzentriert sein, es reicht eine deutliche Blaufarbung der Lösung aus. Bei zu konzentrierten Lösungen sind sehr hohe Mengen Eisenwolle zur Erzielung des Farbumschlags nötig. Methodische Bemerkungen Dieser Versuch dient als erster Einstieg in die Elektrochemie der Sek. I. Zur Interpretation und zur Beantwortung der Aufgaben ist die Behandlung des erweiterten Redoxbegriffes (Elektronenabgabe/- aufnahme) erforderlich. Sicherheitshinweise Schwermetallsalze sind gesundheitsschädlich. Nicht verschluckenl Entsorgung Eisensulfatlösung fur weitere Versuche in einem entsprechend gekennzeichneten Behälter sammeln. Gefalltes Kupfer abfiltrieren, trocknen und als Metall sammeln. Restliche Lösungen als Sulfide oder basisch fallen und als Schwermetallabfälle entsorgen.

3 Einführung in die Elektronenübertragungsreaktion (Artikelnr.: P ) Aufgabe und Material Aufgabe Wie verhalten sich Metalle gegenüber Salzlösungen? In diesem Versucht untersuchtst du, wie sich Metalle in Salzlösungen verhalten. Beobachte dabei, wie sich Metalle in Salzlösungen verhalten. Gib dazu ein Eisenblech bzw. Eisenwolle in eine Kupfersulfatlösung und ein Kupferblech in eine Eisensulfatlösung. Achte dabei auf Farbänderungen der Lösungen und der Metallbleche. Gibt es einen Unterschied, ob du Eisen mit Kupfersulfat oder Kupfer mit Eisensulfat umsetzt?

4 Sicherheitsinformationen Während des Versuches musst du eine Schutzbrille tragen! Für diesen Versuch gelten die allgemeinen Hinweise zum sicheren Experimentieren im naturwissenschaftlichen Unterricht. Eventl. vorhandene Gefährdungen und zu treffende Sic herheitsmaßnahmen entnehmen Sie der Gefährdungsbeurteilung. Gefahren H- und P-Sätze Kupfer(II)-Sulfat (fest) H315 Verursacht Hautreizungen H319 Verursacht schwere Augenreizung H410 Sehr giftig für Wasserorganismen mit langfristiger Wirkung P273 Freisetzung in die Umwelt vermeiden 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. Eisen(II)-Sulfat (fest) H302 Gesundheitsschädlich bei Verschlucken H315 Verursacht Hautreizungen H319 Verursacht schwere Augenreizung P302 + P352 BEI KONTAKT MIT DER HAUT: Mit viel Wasser und Seife waschen P305 + P351 + P338 BEI KONTAKT MIT DEN AUGEN: Einige Minuten lang behutsam mit Wasser spülen. Vorhandene Kontaktlinsen nach Möglichkeit entfernen. Weiter spülen. P501 Inhalt/Behälter in einer anerkannten Abfallentsorgungsanlage zuführen. Weitere Hinweise Die Kupfersulfatlösung sollte nicht allzu konzentriert sein, eine deutlische Blaufärbung der Lösung reicht vollkommen aus. Ist die Kupfersulfatlösung zu konzentriert, wird eine große Menge an Eisenwolle benötigt, um in der Lösung einen sichtbaren Farbumschlag deutlich zu machen. Entsorgung Bei allen Experimenten muss die Entsorgung aller Reaktionsprodukte geprüft werden und entsprechend den gesetzlichen und örtlichen Vorschriften entsorgt werden. Die Kupfersulfatlösung und Eisensulfatlösung werden in dem entsprechenden Behälter für Schwermatallsalzlösungen entsorgt. Gefälltes Kupfer bzw. Eisenwolle/Kupfer-Gemenge abfiltrieren, trocknen in im Sammelbehälter für (anorganische) Feststoffe entsorgen.

5 Material Position Material Bestellnr. Menge 1 Kupferblech, d=0,1mm, b=100mm, 100 g Eisen(II)-sulfat Heptahydrat 500g Kupfer(II)-sulfat-5-Hydrat, 250 g Stahlwolle (Eisen), fein, 200 g Becherglas DURAN, hohe Form, 50 ml Becherglas DURAN, niedrige Form, 150 ml Schere, l = 110 mm, gerade, Spitze rund Löffelspatel, Stahl, l = 150 mm Glasrührstab, Boro 3.3, l = 200 mm, d = 5 mm Zusätzlich wird benötigt: Wasser Schmirgelpapier Eisennägel Fettstift

6 Aufbau und Durchführung Aufbau Nummeriere die beiden kleinen Bechergläser mit 1 und 2. Gib in Becherglas 1 einen Löffel Kupfersulfat und in Becherglas 2 einen Löffel Eisensulfat. Gib zu beiden Salzen etwa 30 ml Wasser, löse sie durch Umrühren. Schneide aus dem Kupferblech einen etwa 1 cm breiten und 5 cm langen Kupferblechstreifen ab. Abb. 1: Aufbau Durchführung Gib in das Becherglas mit der Nummer 1 einen Löffel Kupfersulfat und in das Becherglas mit der Nummer 2 einen Löffel Eisensulfat. Anschließend gib in die beiden Bechergläser jeweils ca. 30 ml. Wasser und rühre mit dem Glasstab um Schneide ggf. die beiden Metallbleche (Eisen und Kupferblech) in passende Streifen (1 cm breite und 5 cm lange Metallstreifen. Die beiden Metallbleche sollten ggf. noch mit Schmirgelpapier "gereinigt" werden, bis der metallische Streifen eine saubere, blanke Oberfläche aufweist. Tauche nun das Eisenblech in das Becherglas mit der Kupfersulfat-Lösung und das Kupferblech in die Eisensulfat-Lösung. Beobachte dabei, ob eine Farbäbderung bzw. chemische Reaktion eintritt. Nimm nun das Eisenblech aus der Kupfersulfat-Lösung und gib diese Kupfersulfat-Lösung in ein neues Becherglas. Fülle nun das Becherglas auf ca. 100 ml. mit Wasser auf und gib in dieses Becherglas einen größeren Bausch Eisenwolle und beobachtet, was passiert.

7 Protokoll: Einführung in die Elektronenübertragungsreaktion Ergebnis - Frage 1 (10 Punkte) Notiere Dei ne Beobachtungen in allgemeiner Form. Ergebnis - Tabelle 1 (6 Punkte) Übertrage die Beobachtungen in die Tabelle. Becherglas Reaktion ja/nein Beobachtungen 1 ja 1 Der Eisennagel überzieht 1 sich rotbraun 2 nein ja 1 Die Eisenwolle überzieht sich rotbraun, 1 die Lösung färbt sich von blau nach gelb.

8 Auswertung - Frage 1 (10 Punkte) Ziehe die Schlußfolgerungen aus den Beobachtungen, formuliere zu den abgelaufenen Vorgangen eine Reaktionsgleichung. Auswertung - Frage 2 (10 Punkte) Nenne den oxidierten und den reduzierten Stoff. Welche Aussage lässt sich über die Fähigkeit zur Elektronenabgabe der beteiligten Stoffe machen?

9 Auswertung - Frage 3 (10 Punkte) Wie liebe sich der Vorgang technisch nutzen?