Die Redoxreihe der Metalle - Karl-Ziegler-Schule

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Die Redoxreihe der Metalle - Karl-Ziegler-Schule

Inhalt

Chemie > Chemie 12 > Elektrochemie

Die Redoxreihe der Metalle

1. Der Eisennagel-Versuch

Wir betrachten den Versuch 2.1, den Sie auch bedenkenlos zu Hause

durchführen können:

1. Der Eisennagel-Versuch

2. Der Kupferblech-

Versuch

3. Reaktion von Kupfer mit

Silbernitrat

4. Redoxpotenzial /

Redoxreihe der Metalle

Versuch 2.1

Durchführung:

Ein blank polierter Eisennagel wird in eine Kupfersulfat-Lösung (nicht

zu stark verdünnt) gestellt.

Beobachtung:

Nach ca. 10 Minuten sieht man, dass sich ein rotbrauner Überzug auf

dem eingetauchten Teil des Nagels gebildet hat.

Viele Schüler der Sekundarstufe I vermuten an diesem Punkt, dass es sich dabei um Rost handle.

Diese Vermutung liegt ja auch irgendwie nahe: In Anwesenheit von Wasser rostet Eisen recht

schnell, und das Kupfersulfat könnte das Rosten theoretisch als Katalysator erheblich

beschleunigen. Daher formulieren wir jetzt unsere Hypothese 1:

Hypothese 1

Bei dem braunen Belag handelt es sich um Rost.

Erläuterung: Der Eisennagel reagiert mit dem Wasser und dem im Wasser gelösten Sauerstoff zu

Rost, und das Kupfersulfat spielt die Rolle eines Katalysators.

Wer schon etwas chemisch vorgebildet ist, weiß natürlich, dass die Hypothese 1 nicht zutrifft,

sondern dass es sich bei dem braunen Belag um eine Kupferschicht handelt:

Hypothese 2

Bei dem braunen Belag handelt es sich um Kupfer.

Erläuterung: Die Eisenatome des Eisennagels geben Elektronen an die zweiwertig positiven

Kupferionen ab, die daraufhin zu metallischen Kupferatomen werden, welche sich auf dem

Eisennagel abscheiden.


Mit dem folgenden Versuch 2.2 kann man ermitteln, welche der beiden Hypothesen

wahrscheinlicher ist:

Versuch 2.2

Man kratzt mit einem Messer etwas von der rotbraunen Schicht des Eisennagels ab und löst

den Belag in etwas konz. Salpetersäure. Es bildet sich sofort eine intensiv blaue Lösung von

Kupfernitrat. Würde die rotbraune Schicht aus Rost bestehen, so müsste sich gelbes

Eisennitrat bilden.

Aus diesen Ergebnissen lässt sich nur eine Schlussfolgerung ziehen:

Hypothese 1 ist falsifiziert

Bei dem braunen Belag kann es sich nicht um Rost handeln. Durch Versuch

2.2 wurde eindeutig nachgewiesen, dass es sich bei dem braunen Belag auf

dem Eisennagel um Kupfer handelt.

Hypothese 2 ist verifiziert

Durch Versuch 2.2 wurde eindeutig nachgewiesen, dass es sich bei dem

braunen Belag auf dem Eisennagel um Kupfer handelt.

Deutung des Eisennagel-Versuchs

Die Bildung einer Kupferschicht auf dem Eisennagel kann man leicht mit folgender Redoxreaktion

erklären:

Es hat also ein Elektronentransport (Elektronentransfer) vom Eisen zum Kupfer stattgefunden

(genauer: zu den Kupfer-Ionen).

In der Sekundarstufe I würden wir uns mit diesem Stand der Dinge zufrieden geben. Wir sind aber

nicht mehr in der Sekundarstufe I, und wollen daher jetzt eine gründlichere Analyse der Reaktion

durchführen.


2. Der Kupferblech-Versuch

Wir machen jetzt einen anderen Versuch:

Versuch 2.4

Durchführung:

Beobachtung:

In ein Becherglas mit einer Eisen(II)sulfat-Lösung stellt man

ein Kupferblech hinein.

Nichts passiert.

Deutung des Versuchs

Die Deutung dieses Versuchs ist recht einfach und zunächst enttäuschend. Die Reaktion

läuft offensichtlich nicht ab! Mit unseren bescheidenen chemischen Kenntnissen können wir an

dieser Stelle leider noch nicht verstehen, wieso die Reaktion nicht abläuft. Wissenslücken, die nicht

gefüllt werden, können Frustrationen erzeugen, und damit das nicht passiert, führen wir schnell den

nächsten Versuch durch.

3. Reaktion von Kupfer mit Silbernitrat

Versuch 2.5

Durchführung:

Beobachtung:

Auf ein Kupferblech gibt man mit einer Tropfpipette einige

Tropfen Silbernitratlösung.

Es bildet sich ein schwarzer Fleck.

Bei dem Versuch 2.5 läuft folgende Reaktion ab:


Man kann nun viele ähnliche Versuche machen: Nimm Metall A und tauche es in eine Lösung eines

Salzes des Metalls B. Ist eine Schichtbildung zu erkennen oder nicht? Bei manchen Kombination

kann man eine deutliche Reaktion erkennen, z.B. Zink in Kupfersulfat, Eisen in Silbernitrat, Blei in

Kupfersulfat. Bei anderen Kombinationen dagegen ist keine Belagbildung zu sehen, z.B. Kupfer in

Bleinitrat, Eisen in Zinkchlorid, Silber in Kupfersulfat.

Wie kann man

1. erklären, warum bestimmte Reaktionen ablaufen, andere dagegen nicht?

2. vorhersagen, welche Kombination von Metallen bzw. Metallsalzen eine Reaktion zeitigen wird?

Dazu müssen wir einen neuen wichtigen Begriff einführen, nämlich den des Redoxpotenzials.

4. Das Redoxpotenzial / Redoxreihe der Metalle

Unter dem Redoxpotenzial wollen wir zunächst die Fähigkeit oder Neigung eines Metall-Atoms

verstehen, Elektronen an einen Elektronenakzeptor abzugeben, diesen also zu reduzieren.

Manche Metalle haben ein ausgeprägt großes Redoxpotenzial, andere wiederum ein recht kleines.

Gewisse Regelmäßigkeiten finden wir heraus, wenn wir die bereits oben beschriebenen Versuche

mit Metall A und Metallsalzlösung B systematisch durchführen. Es gibt eine ganze Reihe von

Metallen, die in fast jeder Metallsalzlösung einen Belag bilden. Magnesium und Zink gehören dazu.

Wieder andere Metalle bilden mit den meisten Salzlösungen keinen Belag. Kupfer und Silber sind

typische Vetreter. Wobei Ausnahmen die Regel bestätigen, wie wir am Beispiel des Kupferblechs in

der Silbernitratlöung sahen.

Wir wollen die Metalle nun nach ihrem Redoxpotenzial ordnen:

Die Metalle wie Magnesium oder Zink, die weit oben in

der Graphik stehen, haben ein sehr hohes Redoxpotenzial,

sie können recht leicht Elektronen an einen Akzeptor

abgeben. Die Metalle wie Kupfer oder Silber, die weit

unten angeordnet sind, haben entsprechend ein geringes

Redoxpotenzial. Sie geben ihre Elektronen nur an

Akzeptoren ab, die in diesem Schema noch weiter unten

angesiedelt sind, z.B. an Gold oder Platin.

Die weit oben stehenden Metalle bezeichnet man daher als

"unedel", die weiter unten stehenden (ab Kupfer) als

"edel".

Wir hatten den Begriff des Redoxpotenzials eingeführt, um

zwei wichtige Fragen zu klären: Warum laufen bestimmte

Redoxreaktionen ab, andere dagegen nicht, und wie kann

man vorhersagen, welche Redoxreaktionen ablaufen werden?

Fangen wir mit der zweiten Frage an, die ist nämlich recht einfach zu beantworten: Es laufen nur

solche Redoxreaktionen zwischen Metallen und Metallionen ab, bei denen der Elektronendonator

oberhalb des Elektronenakzeptors steht. Zink-Atome können z .B. Elektronen an Eisen-Ionen

abgeben, während Eisen-Atome wieder Elektronen an Kupfer-Ionen abgeben können. Kupfer-

Atome dagegen können ihre Elektronen nicht an Eisen-Ionen abgeben, denn der Elektronenakzeptor

Fe 2+ steht in dem gezeigten Schema über dem Elektronendonator Cu. Im Grunde haben wir jetzt

auch die erste Frage beantwortet: Ein potenzieller Elektronendonator kann seine Elektronen nur an

einen Akzeptor abgeben, dessen Redoxpotenzial niedriger ist als sein eigenes - Wasser fließt auch

immer nur den Berg herunter und niemals hinauf - jedenfalls nicht freiwillig.

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