Kupfer(II)-oxid

Posted on by

Allgemeine Infos
Kupfer(II)-oxid ist eine einfache Verbindung aus Kupfer und Sauerstoff, welche fast unlöslich in Wasser ist, aber sehr gut in Ammoniumhydroxid. Hier handelt es sich um die Herstellung von schwarzem Kupferoxid, natürlich gibt es auch noch die rote Variante (Kupfer(I)-oxid), dessen Dichte aber leicht geringer ist.

Möchte man Kupfer(I)-oxid gewinnen, geht man normalerweise den Weg über das schwarze Kupfer(II)-oxid, erhitzt es auf über 1000€°C und gewinnt so das rote. Bei dieser Synthese verwenden wir den kleinen Umweg über Natriumhydroxid und Kupfersulfat-Pentahydrat, welcher auf in der Industrie oft zum Einsatz kommt.

Das durch die Reaktion der beiden Chemikalien entstehende Kupfer(II)-hydroxid zersetzt sich ab 80°C zu Kupfer(II)-oxid und Wasser, was wir uns zunutze machen.

 

Warnhinweise
– Kupfer(II)-hydroxid ist giftig und gesundheitsschädlich
– Kupfersulfat-Pentahydrat ist gesundheitsschädlich und umweltgefährlich!!
– Natriumhydroxid ist ätzend, Handschuhe tragen!

 

Stoffdaten
– Trivialnamen: Kupfermonoxid, Cuprioxyd
– Summenformel: CuO
– CAS-Nummer: 1317-38-0
– Molare Masse: 79,454g/mol
– Aggregatzustand: schwarzer Feststoff
– Dichte: 6,48g/cm3
– Schmelzpunkt:  1326°C
– Löslichkeit: fast unlöslich in Wasser, löslich in Ammoniumhydroxid

 

Weiterführende Links
http://www.lambdasyn.org/synfiles/kupferoxid.htm
http://www.seilnacht.com/Chemie/ch_cuo.htm

 

Theoretische Grundlagen

Zuerst müssen wir Kupfer(II)-hydroxid gewinnen, dies geschieht bei folgender Reaktion:

Kupfersulfat-Pentahydrat  + Natriumhydroxid   =  Kupferhydroxid  + Natriumsulfat  + Wasser

CuSO4 * 5 H2O                +   NaOH                 =    Cu(OH)2           +   Na2 SO4  + 5 *H2O

CuSO4 * 5 H2O                +  2 NaOH               =    Cu(OH)2           +   Na2 SO4    + 5 *H2O

249,69g/mol                       +    2* 39,997g/mol  = 97,56g/mol    +  142,04g/mol + 5* 18,01528 g/mol

249,69g/mol                       +       79,994g/mol   = 97,56g/mol    +  142,04g/mol +  90,0764 g/mol

329,684                 = 329,6764

 

Die Rechnung geht also auf, kleine Abweichungen durch Rundungen, also rechnen wir mal die Mengen auf die von uns gewünschten Anteile um. Fürs erste möchte ich eine Ausbeute von 50g Kupfer(II)-oxid erreichen

 

249,69g/mol + 79,994g/mol    =  97,56g/mol  +  142,04g/mol        +  90,0764 g/mol                     / 97,56 * 50

127,97g CuSO4 * 5 H2O     + 41g NaOH        = 50g  Cu(OH)2          +  72,8g Na2 SO4    +  46,2g  H2O

 

Theoretisch gewinnen wir also 50g Kupfer(II)-hydroxid, welches sich ab 80°C wie folgt zersetzt:

 

Cu(OH)2              =       CuO                  + H20

97,56g/mol            =      79,545g/mol      + 18,01528g/mol         /97,56   * 50

50g   Cu(OH)2      =      40,77g   CuO    +   9,23g H20

 

Es müsste nach der Synthese also theoretisch 40,77g schwarzes Kupfer(II)-oxid gewonnen werden können. Zwar entsteht noch zusätzlich Natriumsulfat, dieses ist aber gut in Wasser löslich, und wird durch mehrfaches waschen ausgespült.

 

Materialien
– 2000ml Erlenmeyerkolben
– Laborthermometer
– Magnetrührer + Rührfisch
– Trichter mit Filter oder Filternutsche
– 3 Bechergläser 1000ml
– 1 Becherglas 150ml
– Laborlöffel
– Feinwaage

 

Chemikalien
– 128g Kupfersulfat-Pentahydrat
– 41g Natriumhydroxid
– 1000ml destilliertes Wasser
+
–  1000ml dest. Wasser zum nachspülen

Durchführung
1) Zuerst löst man 127,97g Kupfersulfat-Pentahydrat in 1l destilliertem Wasser und gibt die Lösung in einen 2000ml Erlenmeyerkolben.

  

2) Schrittweise wird unter ständigem Rühren das Natriumhydroxid hinzu gegeben, wobei die Temperatur ansteigt. Am besten unter 50°C halten. Man erkennt das ausfallende Kupferhydroxid sofort, da es fast unlöslich in Wasser ist. Die Lösung sollte von hell blau ins eher türkis übergehen mit leichten Bodensatz.

     

3) Nun wird weiter umgerührt und die Heizplatte anschließend auf ca. 100°C eingestellt. Hierbei gibt es etwas Interessantes zu beobachten, die Temperatur der Heizplatte betrug 100-100°C, die der Lösung aber nur 40-50, sie färbte sich trotzdem schwarz. Was ist hier also passiert?

  

Ganz einfach, Kupferhydroxid zersetzt sich ab 80°C zu Kupfer(II)-oxid. Egal wie gut man umrührt, am Boden des Gefäßes ist die Temperatur viel schneller erreicht als in der restlichen Lösung. Das heißt am Boden bildet sich schon ständig Kupfer(II)-oxid.

 

4) Nun wurde die Heizplatte auf 200°C eingestellt und insgesamt eine Stunde lang aufrecht weiter erwärmt. Sobald man die Lösung 10 Minuten ruhen lässt, bildet sich aufgrund der extrem hohen Dichte von Kupfer(II)-oxid ein starker Bodensatz.

  

5) Die Lösung wird abgefiltert, am besten mit normalem Filterpapier. Hierbei habe ich extreme Probleme gehabt. Das Kupferoxid verstopft die Poren sofort, es dauert Stunden bis ca. 200ml Wasser abgetropft sind, wenn überhaupt. Also habe ich mich für ein anderes Verfahren entschieden, ich habe die Lösung und das Kupferoxid auf 3 1000ml Bechergläser aufgeteilt und mit Wasser gefüllt. Die Übrigen Teile der Natronlaufe werden so neutralisiert und das Natriumsulfat löst sich in Wasser.

  

6) Jetzt kann man hervorragend abdenkantieren, diesen Schritt wiederholt man insgesamt 4-mal. Dadurch wird extrem viel Natriumsulfat gelöst und abgetrieben, und die Lauge gleichzeitig neutralisiert.

7) Zuletzt wird bei 150°C eingedampft und im Backofen nachgetrocknet.

Ausbeute
39g Kupferoxid mit schätzungsweise 0,5g Natriumsulfat-Verunreinigung, das entspricht ca. 78% der Theorie. Ich empfehle Kupfer(II)-oxid zu kaufen, statt es per Synthese herzustellen aufgrund der Verunreinigungen. Verluste habe ich vor allem durch die Versuche erlitten, die Lösung zu filtern. Ohne diese Versuche dürfte die praktische Ausbeute im 90% Bereich liegen