Ein besonderes Element

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1 Ein besonderes Element 1

2 Kupfer in der Schule Kupfer OS RedOx-Reaktionen Sekundarstufe 1 Rohstoffgewinnung Metalle Kupferrecycling/ Elektrolyse 2

3 Gliederung: 1. Historische Aspekte 2. Technische Darstellung 3. Elementares Kupfer 4. Kupferverbindungen 5. Physiologische Bedeutung 6. Kupfer in der Schule 3

4 Historische Aspekte aes cyprium (lat.) = Erz aus Zypern cuprum (lat.) = Kupfer Zypriotische Kupfererze im Altertum Kupfer ist erstes Gebrauchsmetall Kupferzeit vor ca Jahren Entdeckung der Bronze ca v. Chr. Bronzezeitmensch Ötzi 4

5 Versuch 1: Historische Kupferdarstellung CuCO 3 Cu(OH) 2(s) und C (s) werden bis zur Rotglut erhitzt Bildung kleiner Kupfer-uggets : CuCO 3 Cu(OH) 2(s) 2 CuO (s) + CO 2 (g) + H 2 O (g) 2 CuO (s) + C (s) 2 Cu (s) + CO 2(g) 5

6 Technische Darstellung von Reinkupfer Wichtigste Ausgangsmaterialien: Bornit ( Buntkupferkies Cu 2 S Fe 2 S 3 ) Chalkosin ( Kupferglanz Cu 2 S, Kupfersulfid) Darstellung über mehrere Stufen. 6

7 kupferarme Erze 0,4-2% Aufbereitung Konzentrat durch Flotation Erz % Rohkupfer 94-97% Reinkupfer 99,95 Gew.% elektrolytische Raffination Garkupfer 99,0 Gew.% Vorrösten mit dem Röstreaktionsverfahren Raffinationsschmelzen 7

8 Vorrösten: Rohkupfer wird durch Rösten sulfidischer Erze nach der folgenden Reaktionsgleichung erhalten: Cu 2 S Fe 2 S 3(s) + 11 O 2(g) 4 Cu 2 S (s) + 4 FeS (s) + 2 Fe 2 O 3(s) + 8 SO 2(g) Fe 2 O 3(s) + C (s) + SiO 2 (s) Fe 2 SiO 4(l) + CO (g) Rückstand: Cu 2 S, FeS (Kupferkies) 8

9 Röstreaktionsverfahren Cu 2 S (s) + 3 O 2(g) 2 Cu 2 O (s) + 2 SO 2(g) H > 0 Röstarbeit Rohkupfer wird unter Hitze mit Sauerstoff zu Kupferoxid Cu 2 S (s) + 2 Cu 2 O (s) 6 Cu (s) + SO 2(g) H < 0 Reaktionsarbeit Kupferoxid wirkt auf Kupfersulfid. Es entwickelt sich SO 2, das aus der Schmelze entweicht. Rohkupfer: 94-97% Kupfer 9

10 Reinigung des Rohkupfers: Raffinationsschmelzen Entfernung der Verunreinigungen: Zn, Sn, Pb, As als flüchtige Oxide Fe und i werden verschlackt Restliche Kupfersulfide und Oxide werden reduziert. Garkupfer: 99% Kupfer 10

11 Reinigung Garkupfer: Elektrolytische Raffination 0,6 V; A/m 2 Kathode: Reinkupfer (99,95%) M n+ Anode: Garkupfer (99%) unedlere Metalle schwefelsaure Kupfersulfatlösung Anodenschlamm edlere Metalle als Kupfer 11

12 Reaktionen bei der Elektrolyse Hauptreaktionen: 0 +2 Anode: Cu gar(s) Cu 2+ (aq) + 2 e - +2 Kathode: Cu 2+ (aq) + 2 e - 0 Cu rein(s) 12

13 Versuch 2: Elektrolytische Reinigung von Kupfer U 1 V_ Kathode: Platinnetz Anode: Kupferblech schwefelsaure Kupfersulfatlösung 13

14 Elementares Kupfer scheidet sich an der Kathode ab Kathode: Platinnetz mit Cu (s) Anode: Kupferblech 14

15 Reaktionsgleichungen 0 +2 Anode (Kupferblech): Cu (s) Cu 2+ (aq) + 2e Kathode (Platinnetz): Cu 2+ (aq) + 2e - Cu (s) 15

16 3. Kupfer - elementar Kupfer OS Vorkommen: Gediegen: Kupfererze: ordamerika, Chile und Australien USA, Chile, und Simbabwe. Eigenschaften: Elektrische Leitfähigkeit Legierbarkeit Korrosionsbeständigkeit Bakterizid 16

17 Physikalische Eigenschaften des Kupfers Hohe elektrische Leitfähigkeit Gute Legierungsfähigkeit 17

18 Chemische Eigenschaften des Kupfers Hohe Korrosionsbeständigkeit Bakterizide Eigenschaften 18

19 Versuch 4: Qualitativer Kupfernachweis in Münzen 0 2+ Oxidation: Cu (s) Cu 2+ (aq) + 2 e - +5 Reduktion: O - 3 (aq) + e H 3 O + +4 (aq) O 2(g) + 3 H 2 O braun Komplexbildung: Cu 2+ (aq) + 4 H 3(aq) [Cu(H 3 ) 4 ] 2+ (aq) tintenblau 19

20 Versuch 5: Kupfergehalt eines 1-Cent-Stückes 1-Cent Münze mit HO 3(konz) aufgeschlossen Aufschlusslösung: 1 Liter Probe: 500 µl 20

21 Reaktionsgleichungen: 0 +2 Oxidation: Cu (s) Cu 2+ (aq) + 2 e Fe (s) Fe 3+ (aq) + 3 e - +5 Reduktion: O - 3 (aq) + 4 H 3 O + (aq) + 3 e - +2 O (g) + 6 H 2 O ( 2 O (g) + O 2(g)(Luft) 2 O 2(g) ) 21

22 Zugabe: entionisiertes Wasser Citrat-Puffer-Lösung (ph = 9) Kupfer OS BCO-Lösung (Oxalsäurebis(cyclohexylidenhydrazid) in Wasser/Methanol-Gemisch) 2+ O O H H BCO bildet mit Cu 2+ -Ionen wasserlöslichen blauen Komplex Cu 2+ Absorptionsmaximum bei 585 nm H H O O [Cu(BCO) 2 ] 2+ - Komplexion 22

23 Kalibriergerade Kalibriergerade 0,6 0,5 Extinktion 0,4 0,3 0,2 0,1 0 y = 0,0027x - 0, μg Cu 2+ 23

24 Kupfergehaltes des 1-Cent-Stückes Extinktionsmessung der Probe bei 585 nm Berechnung des Kupfergehaltes mit Hilfe des Funktionsterms der Kalibriergerade: Einwaage Extinktion Kupfergehalt Kupferanteil in 500μl [mg] [μg] ,144 59,58 5,22% Literaturwert: 5% 24

25 Zusammensetzung der Euro-Münzen Münzen 1-, 2-, 5-Cent 10-, 20-, 50-Cent 1-, 2-Euro Legierungs- System Stahl mit Kupferauflage Legierungs- Anteile [%] Cu 5 CuAlZnSn Cu 89; Al 5; Zn 5; Sn 1 Cui (silberfarbene Legierung) CuZni (goldfarbene Legierung) Cu 75; i 25 Cu 75; Zn 20; i 5 Anmerkung ordisches Gold Zweikomponentensystem 25

26 Kupfer in der Atmungskette: Hämocyanin Säugetiere und Vögel: Häm-System für Bindung und Transport von Sauerstoff (Porphyrin-Makrozyklus) Viele Weichtiere und Gliederfüßler, (Spinnen, Krebse und Würmer): Sauerstofftransport mit Hilfe zweikerniger Metallkomplexe, die durch Aminosäurenreste koordiniert sind Eisen (Hämerythrin) oder Kupfer (Hämocyanin) 26

27 Reversible Aufnahme von Sauerstoff bei Hämocyanin C H 3 H Cu + H + CH 3 H Cu + CH 3 + O 2 - O 2 H 3 C H C H 3 H H CH 3 H 3 C H3C H CH 3 Sauerstoff wird an beide Kupferzentren gebunden Oxidation des Kupfers und Reduktion des Sauerstoffs zu Peroxid H 3 C H H Cu 2+ H CH 3 O 2+ Cu H O CH 3 H 27

28 Versuch: 5 Der Kressewurzeltest - ein Beispiel für biologische Testverfahren Grenzwert von Kupferionen im Trinkwasser : 0,1mg/L (c = 6 mmol/l) Keimverhalten von Gartenkresse ist Indikator für: Schadstoffgehalt bzw. Kupferionengehalt des Trinkwassers. 28

29 Vergleich der Wurzellängen W urz ellänge [cm ] 3,5 3 2,5 2 1,5 1 0,5 Leitungswasser c = 6 mmol/l c = 60 mmol/l Zeit [d] 29

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