Zum Einstieg
- Erkläre ausgehend von Bild und Name für jeden Stoff in Galerie 1, ob es deiner Meinung nach um ein Salz oder ein Metall handelt.
- Beschreibe, was prinzipiell auf den beiden Fotos aus dem Röderstollen zu sehen ist und stelle mit Hilfe von Galerie 1 Vermutungen auf, welche Stoffe konkret zu sehen sind. Richte deinen Fokus dabei auch auf die Leiter in der Aufnahme.
Salz oder Metall?
Achte auf Glanz oder Struktur.
Kupfer zeigt einen typisch metallischen Glanz. Aus dem Alltag wissen wir zudem, dass Kupfer verformbar ist und den Strom leitet. Es handelt sich folglich um ein Metall.
Auf submikroskopischer Ebene werden die Kupferatome in einem Metallgitter angeordnet sein, die Elektronen werden sich darin frei bewegen können.
Kupfercarbonat (Formel CuCO3), Kupferchlorid (Formel CuCl2) und Kupfersulfat (Formel CuSO4) sehen allesamt auf den Bildern „kristallin“ aus. Am besten kann man das vielleicht beim Kupfersulfat sehen.
Es handelt sich um Salze. Auf submikroskopischer Ebene bilden die Kationen (hier immer Cu2+) und die Anionen ein Ionengitter im Feststoff.
Zusammengesetzte Molekül-Anionen wie Sulfat oder Carbonat sind dir vielleicht noch nicht vertraut, aber die Formel für das Chlorid-Anion solltest du dir herleiten können.
Kupfercarbonat (Formel CuCO3), Kupferchlorid ((Formel CuCl2) und Kupfersulfat (Formel CuSO4) sind verschieden gut wasserlöslich, aber da es in der Höhle nass ist, könnte ein Teil der Salze nicht nur als Feststoff sondern auch in gelöster Form vorliegen.
(s) steht für engl. solid (fest) und (aq) für in Wasser gelöst. Auch wenn dies eigentlich Stoffeigenschaften sind, kann man die Symbole auf der Teilchenebene verwenden.
- (s) mein dann in dem Fall des Metalls Cu(s), dass sich die Atome zu einem Metallgitter anordnen und in dem Fall des Salzes CuCl2 (s), dass ich ein Ionengitter ausgebildet hat.
- (aq) heißt dann, dass das Ion in Waser gelöst eigentlich von einer großen Hydrathülle aus Wasserteilchen umgeben ist, die man aber nicht alle einzeln aufschreiben möchte, sondern eben nun zusammengenommen mit (aq) abkürzt.
Du erinnerst dich?
Ein Kupferbergwerk aus alten Zeiten
Weiteres
Erinnerst du dich daran, dass Menschen wie „Ötzi“ bereits in prähistorischen Zeiten Kupfer herstellen und nutzen konnten? In Europa wurden dafür schon wenig später Kupfererze bis in die Neuzeit hinein aus Bergwerken gefördert.
Kupfercarbonat, Kupferchlorid, Kupfersulfat und Kupfer.1
Im Röderstollen – heute UN Weltkulturerbe – in der Nähe von Goslar wurden Kupfersalze unter Tage abgebaut, aus denen man dann reines Kupfer herstellte.
Weiteres
Schau dich um im Röderstollen2
Im Laufe der Zeit hat man das eine oder andere im Stollen liegen gelassen, z.B. eine Eisenleiter. Siehst du sie?
Was könnte mit der Leiter passiert sein?
- Entwickle eine Idee, welcher Stoff möglicherweise außen an der Eisenleiter haften könnte. (Partnerarbeit)
- Prüfe mit Hilfe der Anregungen, ob deine Idee plausibel ist. Dazu gehört auch: sind alle Teilchen, die deiner Idee nach reagieren sollen, vorhanden? (Partnerarbeit)
- Beschreibe ausgehend von den Überlegungen und den Anregungen ein vermutetes „Szenario auf Teilchenebene“ was in der Höhle geschehen ist bzw. geschieht. (Plenum – du musst noch nichts erklären! Wir skizzieren gemeinsam.)
Anregungen
Zur Rostbildung werden Wasser, Luftsauerstoff und Eisen benötigt. Dies ist alles vorhanden. Salze im Wasser beschleunigen oftmals zudem den Rostvorgang.
Vermutlich ist ein Teil der Leiter verrostet. Zumindest sieht es so aus. Aber: Die Farbe eines Teils der Leiter auf dem Bild ist nicht Rostfarben. Untersuchungen belegen, dass es sich um einen anderen Stoff handelt.
Überlege, auf welches andere Metall die Farbe an der Leiter hindeutet, wenn Untersuchungen zeigen, dass die äußere Schicht der Leiter nicht mehr aus Eisen, sondern aus einem anderen Metall besteht.
Die Kupfermine auf Teilchenebene. 3
Arbeitsauftrag: Prüfe die Idee experimentell
- Plane einen einfachen Versuch, der unsere Vermutung bezüglich der Entstehung des Metalls auf der Eisenleiter in der Kupfermine stützen oder widerlegen kann. Benenne Chemikalien, die wir verwenden sollten.
- Lies danach die Versuchsanleitung. Wo folgt sie deinem Plan? Wo weicht sie ab oder ergänzt deinen Plan?
- Führe den Versuch nach einer grundlegenden Besprechung durch, protokolliere die Beobachtungen (Text plus Fotos)
- Werte den Versuch hinsichtlich unserer Vermutung aus (Textform).
Kupfersulfat auf Eisen
Materialien
- Pipetten
- Schleifschwämme oder Schmirgelpapier
Chemikalien
-
Eisen
- Blech
- Kupfersulfat-Lösung 0,1 mol/L
-
Rotes Blutlaugensalz in Lösung
- Kaliumhexacyanoferrat(III)-Lösung
Hinweis zum "Roten Blutlaugensalz"
Dies ist eine sogenannte Nachweisreagenz.
Gibt man einige Tropfen davon zu einer Lösung, die Eisen-Ionen (Fe2+) enthält, entsteht sofort ein auffällig tiefblauer Niederschlag. Diese Reaktion ist eine klassische Nachweisreaktion für das Vorhandensein von Fe2+-Ionen und verläuft sehr empfindlich.
Durchführung
- Das Eisenblech abschmirgeln und dadurch eventuelle Rostflecken entfernen.
- Einen großen Tropfen Kupfersulfat-Lösung auf das Eisenblech tröpfeln, ca. 30s warten und beobachten.
- Nach einer Weile zusätzlich einen Tropfen der Kaliumhexacyanoferrat(III)-Lösung (rotes Blutlaugensalz) hinzugeben.
Aufbau.3
Entsorgen und Aufräumen
-
Tropfen mit einem Tuch aufwischen und über den Hausmüll entsorgen.
Sind versehentlich größere Mengen Flüssigkeit eingesetzt worden, diese mit einer Pipette aufnehmen und in den Sammelbehälter für Schwermetallsalze geben.
-
Alle Materialien an ihren Ursprungsort zurückstellen.
Aufgaben zur Auswertung und Erweiterung
- Begründe, warum unser Versuch ein Modellversuch für die im Bergwerk an der Leiter abgelaufenen Vorgänge ist.
- Schauen wir noch einmal genau hin: Betrachte in M2 die Animation zu den Prozessen auf der Teilchenebene in unserem Versuch und auch in der Höhle. Erkläre die Prozesse einem/r Mitschüler:in.
- Du hast gerade ein weiteres Beispiel für eine Elektronenübertragungsreaktion kennen gelernt. Ergänze die Reaktionsgleichungen unter deiner Auswertung. Notiere dir wichtige Fachbegriffe
Hilfen zur Vervollständigung auf Teilchenebene
Wir haben bereits eine chemische Reaktion kennengelernt, bei der zwischen Atomen Elektronen ausgetauscht wurden: Die Natriumchloridsynthese aus den Elementen.
Fachbegriffe
- Eisen-Atome, Kupfer-Ionen
- Elektronen abgeben oder aufnehmen
- Elektronenabgabe nennt man Oxidation
- Elektronenaufnahme nennt man Reduktion
- Kupfer-Atom, Eisen-Ionen, Phasengrenze Metall (Feststoff) – Lösung (Flüssigkeit)
- Wer gibt wem die Elektronen?
- Kupfer-Ionen und Eisenatome reagieren durch „Elektronenübergabe“ zu Kupferatomen und Eisen-Ionen.
- Elektronenübertragungsreaktionen nennt man Redoxreaktionen.
Oxidation und Reduktion4
Ein Wechsel auf Teilchenebene: Wer gibt wem die Elektronen?
Weiteres
Redoxreaktion zwischen Eisenmetall und Kupfersulfatlösung auf Teilchenebene – interaktive Simulation5
Was ist im Kupferstollen und in unseren Modellexperiment passiert? Vervollständige die Skizze, die wir erstellt haben, in allen Ebenen mit Text, beschrifteten Pfeilen und auch Fachbegriffen.