Ziel des Versuchs: Der Versuch bietet eine Anleitung zur Verkupferung eines Eisennagels
| Thema: Metalle und Nichtmetalle | Tags: Verkupferung, Eisen, Nagel, Korrosion | Klassenstufen: 9-10 | Versuchsart: SV |
Materialien
Reagenzglasständer, 4 Reagenzgläser, Bindfaden, 2 Eisennägel, Schmirgel-papier, Eisennagel
Chemikalien
konzentrierte Salpetersäure (68%), verdünnte Salzsäure (25%), Kupfersulfatlösung (5%), Wasser
| Gefahrstoff | H-Sätze | P-Sätze | GHS |
|---|---|---|---|
| Wasser | - | - | |
| Salpetersäure konz. | H272-H314-EUH071 | -- |   |
| Salzsäure 1 M | H290-H315-H319-H335 | P261-P305+P351+P338 |  |
| Kupfer(II)-sulfat-5-H2O | H302-H319-H315-H410 | P280-P273-P302+P352-P305+P351+P338-P309+P311 |  |
| Kupfer | -- | -- | |
| Stickstoffdioxid | H270-H330-H314 | -- |   |
Durchführung
Da im Versuch Stickstoffdioxid (g) entsteht, darf der Versuch nur als Lehrerdemonstrationsexperiment durchgeführt werden (Tätigkeitverbot für Schüler:innen).
a) Der Eisennagel wird 30 s in das Reagenzglas mit verdünnter Salzsäurelösung gehalten. Anschließend wird er in das Reagenzglas mit destilliertem Wasser getaucht. Anschließend wird der Nagel 1 min in die Salpetersäure gehalten und dann wieder kurz in die Salzsäurelösung gegeben.
b) Ein sauberer und mit Schmirgelpapier abgeschliffener Eisennagel wird zuerst für wenige Sekunden in die Kupfersulfatlösung getaucht und im Reagenzglas mit destilliertem Wasser gesäubert. Daraufhin wird er für 30 s an einem Bindfaden in das Reagenzglas mit konzentrierter Salpetersäure eingetaucht. Unmittelbar danach wird der Nagel wieder in die 5 %ige Kupfersulfat-Lösung eingetaucht. Nun folgt ein leichter Schlag mit dem Glasstab gegen das Reagenzglas.
Beobachtung
a) Beim Eintauchen des Nagels in die Salzsäure kommt es zur Gasentwicklung. Beim Absenken in die Salpetersäure wird ebenfalls Gas freigesetzt (braune Farbe). Bei erneutem Hinzugeben des Nagels in die Salzsäurelösung ist keine Gasentwicklung mehr sichtbar.
b) Nach dem Eintauchen in die Kupfersulfatlösung ist der Nagel mit einer dunklen Schicht überzogen. Beim Absenken in die Salpetersäure steigt ein braunes Gas auf. Wird der Nagel aus der Salpetersäure geholt, ist die dunkle Schicht nicht mehr zu sehen. Bei erneuter Zugabe in die Kupfersulfatlösung ist keine Veränderung zu beobachten. Erst bei leichtem Schlag mit einem Glasstab gegen das Reagenzglas wird der Nagel wieder mit einer dunklen Schicht überzogen.
Deutung
a) Das Eisen wird im sauren Milieu oxidiert und die Wasserstoff-Ionen aus der Säure reduziert. Es steigt Wasserstoffgas auf.
Fe(s) + 2H+(aq) → Fe2+(aq) + H2(g)
In der Salpetersäure wird eine Eisenoxidschicht und Stickstoffdioxidgas gebildet.
2Fe(s) + 6H+(aq) + 6NO3-(aq) → Fe2O3(s) + 6NO2(g) + 6H2O(l)
Die gebildete Eisenoxidschicht verhindert beim erneuten Eintauchen in die Salzsäure die Oxidation des Eisens, daher bleibt eine Gasentwicklung aus.
Entsorgung
Die verkupferten Nägel können im Hausmüll entsorgt werden. Die Kupfersulfatlösung muss im Behälter für Schwermetalle entsorgt werden. Die beiden Säuren sind im Säure-Base-Abfall zu entsorgen.
Anmerkungen & Unterrichtsanschlüsse:
Achtung: Da Schwefeldioxid entsteht, ist der Versuch unter dem Abzug durchzuführen. Auf das Gefahrenpotential der konzentrierten Salpetersäure ist hinzuweisen! Die Nägel sollten die Becherglaswände nicht berühren, da das passivierte Eisen anfällig gegen Erschütterung ist. Dazu kann der Eisennagel mithilfe des Bindfadens notfalls in ein Stativ gespannt werden.
Der Versuch bietet die Möglichkeit, die elektrochemische Spannungsreihe der Metalle einzuführen und die Begriffe „edles“ und „unedles“ Metall genauer zu beleuchten. Im Anschluss könnte auf die Bedeutung der Passivierung in Alltag und Technik eingegangen werden. Thematisch sind das Eloxalverfahren für Aluminium sowie das Feuerverzinken von Eisen gut für den Unterricht geeignet.
Literatur
Rentzsch, Werner, Freihandexperimente https://www.univie.ac.at/pluslucis/PlusLucis/012/s3436.pdf, 24.07.2016 (Zuletzt abgerufen am 24.07.2016 um 17:22 Uhr).
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