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Redoxreaktionen und Redoxreihe der Metalle

Eisennagelversuch - Redoxbegriff - Redoxreihe - Unedle/edle Metalle - Redoxpaare

Kupfer als Wertstoff

Kupfer ist ein wertvolles Metall, so wertvoll, dass man in der Zeitung immer wieder von Kupferdiebstählen liest. In der Neuen Westfälischen vom 15. März 2013 stand beispielsweise ein Bericht "Kupfer von Bethaus gestohlen". In der Nacht wurden zahlreiche Regenfallrohre aus den Verankerungen an den Hauswänden gerissen. "Auch aus Espelkamp wurden zwei gleichgelagerte Kupferdiebstähle gemeldet. Hier montierten Unbekannte in der Nacht zuvor zwei Fallrohre von einem Bethaus an der Rahdener Straße ab". Siehe auch den Bericht der Polizei Gütersloh vom Dezember 2016:

"In der Nacht zu Dienstag (20.12.16) überstiegen bislang unbekannte Täter einen zwei Meter hohen Zaun und gelangten so auf das Gelände des Entsorgungspunkts Nord an der Straße Im Hagen. Hier begaben sie sich zielgerichtet zur Edelmetallablage und öffneten gewaltsam deren Schloss auf. Mit über den Zaun geworfenen Schubkarren wurden etwa 50 Kilogramm Kupferschrott zur Straße befördert und dort in ein Fahrzeug gepackt. Anschließend flüchteten die Täter in unbekannte Richtung."

Im Februar 2011 kostete eine Tonne Kupfer über 10.000 US-Dollar Das war der bisherige Höchststand. Der aktuelle Kupferpreis (Dezember 2016) liegt bei ca. 5.500 Dollar, das ist immer noch sehr viel Geld. Ein größeres Kupferrohr, das 10 kg wiegt, hat einen Wert von über 50 Euro.

Aus diesem Grund ist die Aufbereitung von Kupfer ein sehr lukratives Geschäft, mit dem man viel Geld verdienen kann. Wie man Kupfer aufbereiten kann, das soll der folgende Versuch im Prinzip zeigen.

Abscheidung von Kupfer

Dieser grundlegende Versuch wird manchmal bereits in der Sekundarstufe I durchgeführt, so wichtig ist er.

Versuch 1A
Durchführung:
  1. Füllen Sie ein kleines Becherglas mit der bereitgestellten Kupfersulfatlösung und stellen Sie dann einen sauberen Eisennagel in die Lösung.
  2. Beobachten Sie den Eisennagel über einen Zeitraum von ca. 5 Minuten.
Beobachtungen:

Auf dem Eisennagel bildet sich mit der Zeit ein rotbrauner Belag, der wie Rost aussieht. Wählt man einen großen Eisennagel, der in eine relativ geringe Menge Kupfersulfatlösung eintaucht, und wartet man lange genug, so kann man sogar beobachten, dass die Farbe der Kupfersulfatlösung blasser wird.

Erklärungen:

Bei dem rotbraunen Belag handelt es sich nicht wie zuerst vielleicht angenommen um Rost, sondern um reines Kupfer. Es hat folgende chemische Reaktion stattgefunden:

Reaktionsgleichung zum Versuch: Cu2+ + Fe --> Fe2+ + Cu

In der Kupfersulfatlösung liegt das Kupfer in Form von zweiwertig positiven Kupfer-Ionen vor. Kupfer ist edler als Eisen, daher nehmen die Kupfer-Ionen Elektronen von den Eisen-Atomen auf und werden zu Kupfer-Atomen:

Cu2+ + 2e- --> Cu

Bei dieser Reaktion handelt es sich um eine Aufnahme von Elektronen, und eine solche Elektronenaufnahme wird allgemein als Reduktion bezeichnet.

Reduktion = Aufnahme von Elektronen.

Diese beiden Elektronen kommen allerdings nicht aus dem Nirgendwo, sondern werden von den Eisen-Atomen abgegeben:

Fe --> Fe2+ + 2e-

Eine solche Abgabe von Elektronen wird in der Chemie als Oxidation bezeichnet.

Oxidation = Abgabe von Elektronen.

Redoxreaktionen

Fassen wir die beiden Reaktionen zusammen:

Redoxreaktion

Das ist die in der Elektrochemie übliche Darstellung einer Redoxreaktion. Jede Redoxreaktion besteht aus zwei Teilschritten: Einer Oxidation, bei der Elektronen abgegeben werden, und einer Reduktion, bei der Elektronen aufgenommen werden. Beide Reaktionen werden als Einheit angesehen und als Redoxreaktion bezeichnet.

Die Komponente, welche die Elektronen abgibt (hier also das Eisen) wird allgemein als Elektronendonator bezeichnet, und die Komponente, welche die Elektronen aufnimmt (hier also die Kupfer-Ionen), wird als Elektronenakzeptor bezeichnet. Daher kann man eine Redoxreaktion folgendermaßen definieren:

Redoxreaktion = Übertragung von Elektronen von einem Elektronendonator auf einen Elektronenakzeptor.

Wiedergewinnung von Kupfer

Versuch 1B
Durchführung:
  1. Füllen Sie ein größeres Becherglas mit stark verdünnter, aber noch deutlich blauer Kupfersulfatlösung und geben Sie dann einen großen Bausch Eisenwolle in die Lösung.
  2. Beobachten Sie über einen Zeitraum von ca. 2 Minuten.
Beobachtungen:

Auf der Eisenwolle bildet sich mit der Zeit ein rotbrauner Belag, der wie Rost aussieht. Die Kupfersulfat-Lösung verliert ihre blaue Farbe und nimmt oft sogar eine gelbliche Färbung an.

Ein ähnliches Verfahren wird in größerem Maßstab tatsächlich bei der Wiedergewinnung von Kupfer aus kupferhaltigen Lösungen oder bei der Entsorgung von Kupferlösungen eingesetzt.

In einem geförderten Forschungsprojekt der DFG (Deutsche Forschungsgemeinschaft) wird das Verfahren wie folgt beschrieben:

"In Vorversuchen konnte gezeigt werden, daß eine solche Kupferrückgewinnung möglich wird, wenn eine gekoppelte chemische/ biochemische Redox-Reaktion zur Anwendung kommt. Dem im Wasser sulfidisch gelösten Kupfer wird Eisen aus z.B. Eisenschrott zur Substitution angeboten, so daß Kupfer in reiner Form ausfällen kann (Bestandteil des hier beantragten Forschungszeitraums). Das entstehende Eisensulfat wird hierzu durch Mikroorganismen (thiobacillus ferrooxidans) oxidiert und der Gleichgewichtsreaktion entzogen."

Das Verfahren scheint sehr nachhaltig zu sein, da keine reine Eisenwolle verwendet wird, sondern Eisenschrott. Außerdem ist hier interessant, dass Bakterien die entstandenen Fe2+-Ionen oxidieren (zu Fe3+) und damit der Gleichgewichtsreaktion entziehen, so dass das chemische Gleichgewicht weiter nach rechts gezogen wird und auf diese Weise noch mehr Kupfer gewonnen werden kann. Siehe dazu auch den Artikel "Kupfer-Rückgewinnung aus Industrieabwässern" des Instituts für Umweltverfahrenstechnik der Universität Bremen.

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