Versuch 4

 

 Metalle in ihren Salzlösungen

Aufgabenstellung:

Es sollen verschiedene Salzlösungen angefertigt werden und in diese verschiedene Metalle gelegt werden.

Materialien:

1. Stah- und Eisenwolle
2. 4 Glasschalen mit Platten folgender Metalle: Eisen, Nickel, Aluminium, Kupfer, Zink
3. destilliertes Wasser
4. Schutzbrillen
5. Chemikalien

• Löffel
• Spatel
• Bechergläser (100 ml) 

Chemikalien:

Versuchsaufbau:

Einen Tisch frei räumen, alle Materialien und Chemikalien bereitstellen.

Versuchsdurchführung:

1. Zinksulfat-Heptahydrat

Zunächst wurde ein Becherglas mit 80ml destilliertem Wasser befüllt, anschließend wurde eine Löffelspitze Zinksulfat-Heptahydrat hinzu gegeben und solange umgerührt, bis sich das gesamte Pulver gelöst hatte und eine homogene Lösung vorlag.

2. Eisen(II)-Sulfat-Heptahydrat

Zunächst wurde ein Becherglas mit 95ml destilliertem Wasser befüllt, anschließend wurde eine Löffelspitze Eisen(II)-Sulfat-Heptahydrat hinzu gegeben und solange umgerührt, bis sich das gesamte Pulver gelöst hatte und eine homogene Lösung vorlag.

3. Kupfer(II)-Sulfat-5-Hydrat

Auch hier wurde zunächst ein Becherglas mit 80ml destilliertem Wasser befüllt, anschließend wurde eine Löffelspitze Kupfer(II)-Sulfat-5-Hydrat hinzu gegeben und solange umgerührt, bis sich das gesamte Pulver gelöst hatte und eine homogene Lösung vorlag.

Nachdem die Salzlösungen vorbereitet wurden, 
wurde jede in eine separate Glaswanne 
gefüllt. In der ersten Wanne, in die die Zinksulfat-Heptahydrat-Lösung hineingefüllt wurde, befanden sich fünf Platten der Metalle Eisen, Nickel, Aluminium, Kupfer und Zink. In der zweiten Wanne, in die die Eisen(II)-Sulfat-Heptahydrat-Lösung gegeben wurde, befanden sich vier Platten der Metalle Eisen, Aluminium, Kupfer und Zink, Nickel konnte nicht verwendet werden, da zu wenige Nickelplatten zur Verfügung standen. In der dritten Wanne, in die die Kupfer(II)-Sulfat-5-Hydrat-Lösung gegeben wurde, befanden sich ebenfalls nur die vier Platten der Metalle wie in Wanne zwei.

Nachdem alles präpariert war, wurden die Metallplatten jeweils nach einer Zeit von fünf Minuten und zehn Minuten aus der Lösung herausgehoben, begutachtet und etwaige Veränderungen notiert.

Versuchsbeobachtung:

Bevor die Metallplatten mit den Salzlösungen in Berührung kamen, machten wir folgende Beobachtungen:

Die Eisenplatte ist von grauer Färbung, leicht rau, leicht matt.

Die Nickelplatte ist silberfarben, glatt und glänzend.

Die Aluminiumplatte ist grau/silbrig glänzend, leicht rau und leicht matt.

Die Kupferplatte ist rötlich gefärbt.

Die Zinkplatte ist silbrig.

1. Zinksulfat-Heptahydrat

Das Pulver des Zinksulfat-Heptahydrats besitzt eine weiße Färbung und weist eine kristalline Struktur auf. Gibt man das Pulver zu destilliertem Wasser, löst es sich durch leichtes Rühren auf und es entsteht eine farblose, homogene Lösung.

Nachdem die Lösungen mit den Metallen in Berührung kamen, war folgendes zu beobachten:

• Eisen:
  nach fünf Minuten: graue Färbung
  nach zehn Minuten: dunkelgraue Verfärbung

• Nickel:
  nach fünf Minuten: nichts
  nach zehn Minuten: wirkt sauberer

• Aluminium
  nach fünf Minuten: matt/weiße Verfärbung, weißer Rand an der Flüssigkeitskante
  nach zehn Minuten: grau/matte Verfärbung, weißer Rand an der Flüssigkeitskante
• Kupfer
  nach fünf Minuten: wirkt sauberer
  nach zehn Minuten: wirkt sauberer
• Zink
  nach fünf Minuten: wirkt sauberer
  nach zehn Minuten: wirkt sauberer

2. Eisen(II)-Sulfat-Heptahydrat

Das Pulver des Eisen(II)-Sulfat-Heptahydrats ist jadefarben gefärbt und weist ebenfalls eine kristalline Struktur auf. Nach Zugabe des Pulvers zu destilliertem Wasser und anschließendem Rühren, bildet sich eine homogene, gelbe Lösung.

Nachdem die Lösungen mit den Metallen in Berührung kamen, war folgendes zu beobachten:

• Eisen:
  nach fünf Minuten: graue Färbung
  nach zehn Minuten: blau/graue Verfärbung

• Aluminium
  nach fünf Minuten: keine besonderen Veränderungen
  nach zehn Minuten: wirkt sauberer
• Kupfer
  nach fünf Minuten: wirkt sauberer
  nach zehn Minuten: wirkt sauberer
• Zink
  nach fünf Minuten: Randbildung (blau/grau/grün) an der Flüssigkeitskante
  nach zehn Minuten: grüne Punkte, Randbildung, gelbe Flecken

3. Kupfer(II)-Sulfat-5-Hydrat

Das Pulver des Kupfer(II)-Sulfat-5-Hydrats hat eine blaue Farbe und eine kristalline Struktur. Nach Zugabe des Pulvers zu destilliertem Wasser und anschließendem Rühren, bildet sich eine homogene, blau gefärbte Lösung.

Nachdem die Lösungen mit den Metallen in Berührung kamen, war folgendes zu beobachten:

• Eisen:
  nach fünf Minuten: Verfärbung in Richtung dunkelrot
  nach zehn Minuten: dunkelrote Verfärbung, Bildung eines schwarzen Randes an der Flüssigkeitskante und unterhalb dieser

• Aluminium
  nach fünf Minuten: Bläschenbildung direkt am Metall
  nach zehn Minuten: gräulich/matte Verfärbung
• Kupfer
  nach fünf Minuten: Gelbliche Verfärbung
  nach zehn Minuten: grün schimmernde Verfärbung
• Zink
  nach fünf Minuten: dunkelgraue, nach unten hin schwarze Verfärbung
  nach zehn Minuten: schwarze Verfärbung, Ablösung feiner schwarzer Partikel

Versuchsauswertung:

Bei den vorliegenden Reaktionen handelt es sich um Redoxreaktionen. Es wird jeweils ein Stoff oxidiert (Aufnahme von Elektronen) und einer reduziert (Abgabe von Elektronen). Das es sich um Reaktionen zwischen Metallen und ihren Salzen handelt, wird die sogenannte Elektrochemische Spannungsreihe zur Hilfe genommen. Bei Redoxreaktionen zwischen Metallen gilt: Die Bereitschaft der Elektronenaufnahme nimmt von edlen zu unedlen Metall-Ionen ab.

1. Zinksulfat-Heptahydrat:

Zn ⇌ Zn²⁺ + 2e^- (Oxidation)

Fe²⁺ + 2e^- ⇌ Fe (Reduktion)

Fe²⁺ + Zn ⇌ Zn²⁺ + Fe

Zink ist unedler, es gibt Elektronen ab, wird oxidiert. Eisen ist edler, nimmt Elektronen auf und wird reduziert. Bei dem Belag auf dem Eisenblech handelt es sich demnach um Eisen.

Zn ⇌ Zn²⁺ + 2e^- (Oxidation)

Ni²⁺ + 2e^- ⇌ Ni (Reduktion)

Zn + Ni²⁺ ⇌ Zn²⁺ + Ni

Zink ist unedler, es gibt Elektronen ab, wird oxidiert. Nickel ist edler, nimmt Elektronen auf und wird reduziert. Die Reaktion findet nicht statt. Das liegt daran, dass bei zwei Metallen das unedlere lieber zum Salz wird, Zink ist jedoch bereits ein Salz. Und das edlere möchte lieber in den metallischen Zustand wechseln, Nickel ist jedoch bereits im elementaren Zustand.

3Zn²⁺ + 6e^- ⇌ 3Zn (Reduktion)

2Al ⇌ 2Al³⁺ + 6e^- (Oxidation)

3Zn²⁺ + 2Al ⇌ 3Zn + 2Al³⁺

Aluminium ist unedler, es gibt Elektronen ab, wird oxidiert. Zink ist edler, nimmt Elektronen auf, wird reduziert. Bei dem Belag auf der Aluminiumplatte handelt es sich um Zink.

Zn ⇌ Zn²⁺ + 2e^- (Oxidation)

Cu²⁺+ 2e^- ⇌ Cu (Reduktion)

Zn + Cu²⁺ ⇌ Zn²⁺ + Cu

Zink ist unedler, es gibt Elektronen ab, wird oxidiert. Kupfer ist edler, nimmt Elektronen auf, wird reduziert. Die Reaktion läuft nicht ab. Das liegt daran, dass bei zwei Metallen das unedlere lieber zum Salz wird und das edlere lieber in den metallischen Zustand wechselt. Deshalb kommt es nur zu einer Reaktion, wenn das edlere Metall als Salz und das unedlere im elementaren Zustand vorliegt. In diesem Fall befindet sich das edlere Kupfer aber schon im elementaren Zustand und das unedlere Zink ist bereits ein Salz.

Zink und Zinksulfat reagieren nicht miteinander, da es sich um das gleiche Metall handelt und eine Redoxreaktion, welche bei Metallen nur zwischen verschieden edlen Metallen abläuft, nicht möglich ist.

2. Eisen(II)-Sulfat-Heptahydrat

Eisen und Eisensulfat dürften eigentlich nicht miteinander reagieren, da es sich um das gleiche Metall handelt und eine Redoxreaktion, welche bei Metallen nur zwischen verschieden edlen Metallen abläuft, nicht möglich wäre. Erklärung: siehe Fehlerdiskussion.

Fe³⁺ + 3e^- ⇌ Fe (Reduktion)

Al ⇌ Al³⁺ + 3e^- (Oxidation)

Fe³⁺ + Al ⇌ Fe + Al³⁺

Aluminium ist unedler, es gibt Elektronen ab und wird oxidiert. Eisen ist edler, nimmt Elektronen auf und wird reduziert. Eventuell wäre nach längerer Zeit eine Verfärbung an der Aluminiumplatte aufgetreten, bei der es sich dann um oxidiertes Eisen gehandelt hätte.

Fe ⇌ Fe²⁺ + 2e^- (Oxidation)

Cu²⁺+ 2e^- ⇌ Cu (Reduktion)

Fe + Cu²⁺ ⇌ Fe²⁺ + Cu

Eisen ist unedler, gibt Elektronen ab, wird oxidiert. Kupfer ist edler, nimmt Elektronen auf, wird reduziert. Die Reaktion läuft jedoch nicht ab. Das liegt daran, dass bei zwei Metallen das unedlere lieber zum Salz wird, jedoch liegt Eisen bereits als Salz vor. Und das edlere möchte lieber in den metallischen Zustand wechseln, jedoch befindet sich Kupfer bereits im elementaren Zustand.

Fe²⁺ + 2e^- ⇌ Fe (Reduktion)

Zn ⇌ Zn²⁺ + 2e^- (Oxidation)

Fe²⁺ + Zn ⇌ Zn²⁺ + Fe

Zink ist unedler, es gibt Elektronen ab, wird oxidiert. Eisen ist edler, nimmt Elektronen auf und wird reduziert. Bei dem Belag auf dem Zinkblech handelt es sich demnach um Eisen.

3. Kupfer(II)-Sulfat-5-Hydrat:

Cu²⁺+ 2e^- ⇌ Cu (Reduktion)

Fe ⇌ Fe²⁺ + 2e^- (Oxidation)

Cu²⁺+ Fe ⇌ Cu + Fe²⁺

Kupfer ist edler, nimmt Elektronen auf und wird reduziert. Eisen ist unedler, es gibt Elektronen ab und wird oxidiert. Bei der dunklen Schicht auf der Eisenplatte handelt es sich um Kupfer, da die Eisenatome zwei Elektronen an die Kupferionen abgeben und diese zu Kupferatomen werden, welche sich auf der Eisenplatte ablagern.

Cu³⁺+ 3e^- ⇌ Cu (Reduktion)

Al ⇌ Al³⁺ + 3e^- (Oxidation)

Cu³⁺+ Al ⇌ Al³⁺ + Cu

Aluminium ist unedler, gibt Elektronen ab, wird oxidiert. Kupfer ist edler, nimmt Elektronen auf, wird reduziert. Auch hier handelt es sich bei der Schicht auf der Aluminiumplatte um Kupfer.

Cu²⁺+ 2e^- ⇌ Cu (Reduktion)

Zn ⇌ Zn²⁺ + 2e^- (Oxidation)

Cu²⁺+ Zn ⇌ Cu + Zn²⁺

Das Zink ist unedler, gibt Elektronen ab und wird oxidiert.

Kupfer ist im Vergleich das edlere Metall, sein Ion nimmt gern Elektronen auf und wird deshalb zu einem Kupferatom reduziert. Bei der schwarzen Verfärbung und den Partikeln handelt es sich deshalb um Kupfer.

Kupfer und Kupfersulfat dürften eigentlich nicht miteinander reagieren, da es sich um das gleiche Metall handelt und eine Redoxreaktion, welche bei Metallen nur zwischen verschieden edlen Metallen abläuft, nicht möglich wäre. Erklärung: siehe Fehlerdiskussion.

Fehlerdiskussion:

Eisen und Eisensulfat dürften eigentlich nicht miteinander reagieren, doch waren trotzdem Verfärbungen an der Eisenplatte zu beobachten.

Vor Versuchsbeginn waren alle Metallplatten zu reinigen. Vermutlich hafteten nach der Reinigung immer noch geringfügige Verschmutzungen an der Eisenplatte, weshalb diese später im Versuch mit dem Eisensulfat Verfärbungen aufwies.

Das Gleiche gilt für Kupfer in Kupfersulfat.



Hier noch ein Film, den die Chemieklasse gedreht hat: