Praktikumsbericht Expe­ri­ment mit Malachit: Erzeugen von Kris­tallen - Allge­meines über die Verwit­te­rung von Kupfer 941 / ~7 Gabriela S. . 2013

Darstellung von Malachit

 

Inhalt

1.      Allgemeiner Teil

1.1     Kupferverbindungen

1.2     Malachit

2.      Experimenteller Teil

2.1     Synthesevorschrift

2.2     Ausbeuteberechnung

3.      Zusammenfassung

4.      Literatur- und Quellenverzeichnis

 

1. Allgemeiner Teil

1.1 Kupferverbindungen

Das Element Kupfer zählt zu einem relativ häufigen Metall der 11. Hauptgruppe und besitzt nach Silber die höchste elektrische und thermische Leitfähigkeit. Mit einer Dichte von 8,969 g/ ist Kupfer ein sehr zähes und dehnbares Material und wird aufgrund seiner Eigenschaften zu Folien und Drähten verarbeitet und ist Grundlage für Legierungen wie zum Beispiel Bronze. Die Verbindungen der Kupfergruppe kristallisieren bevorzugt kubisch-flächenzentriert. Das Element wirkt auf niedere Organismen toxisch und sollte somit nicht in die Umwelt gelangen.

 Die charakteristische Farbe von Kupfer entsteht durch eine festhaftende Schicht von Kupfer(I)-Oxid (CuO₂) (2). Diese Verbindung kann auch durch thermische Zersetzung von Kupfer(I)-Oxid (CuO) als roter Beschlag entstehen. Ebenfalls kann sich eine schwarze Schicht von Kupfer(II)-Oxid bilden (1).

Das dunkelbraune bis schwarze, amorphe oder kristalline CuO kann auch durch Glühen von Kupfer, beim Erhitzen von Kupfer(I)-oxid oder Kupfer(II)-hydroxid an der Luft hergestellt werden.

(1)  2 Cu  +  O₂   2 CuO      ΔH_R = -314 kJ/mol 
(2)  4 Cu  +  O₂   2 Cu₂O     ΔH_R =  -338 kJ/mol 

Abb. 1:  Kristallstruktur von Cu(I)-Oxid                 Abb. 2: Kristallsturktur von Cu(II)-Oxid

 

Der Name des in der Natur vorkommenden Minerals mit diesen Verbindungen lautet Cuprit (CuO₂). An kohlenstoffdioxid- und sulfathaltiger Luft entsteht eine Schicht von basischen Karbonaten und Sulfaten, oft eine grünliche Patina, die hauptsächlich aus Malachit besteht. (CuCO₃ · Cu(OH)₂). (3)

(3) 2 Cu  +  CO₂  +  H₂O  +  O₂   CuCO₃ • Cu(OH)₂

Am häufigsten tritt Kupfer in Sulfiden auf. Es ist ebenfalls in oxidischen Verbindungen anzutreffen und in geringen Mengen auch gediegen. Für bekannte, in der Natur vorkommende Verbindungen können Minerale wie Chalkopyrit, Chalkosin (Sulfide) und Cuprit, Azurit und Malachit (oxidisch) genannt werden. 

Kupfer tritt in seinen Verbindungen mit den Oxidationszahlen 1 und 2 auf, wobei die Stufe 1 weniger häufig ist. Bekannt aber seltener sind die Verbindungen mit den Oxidationsstufen 3 und 4. Die  Verbindungen mit den Stufen 1 und 2 bevorzugen eine tetraedische Koordination, die lineare Koordination ist allerdings auch häufig.

Die Verbindungen der Oxidationsstufe 2 ist auch in wässrigen Lösungen beständig. Eine besonders charakteristische Eigenschaft dieser Verbindungen und  Komplexe ist die blaue oder grüne Färbung. Allgemein bilden viele Übergangsmetalle aufgrund ihrer Struktur viele verschiedene farbige Ionen und Komplexe aus. Die Farben können sich sogar bei ein und demselben Element unterscheiden, wobei Komplexbildung eine große Rolle spielen kann.

Kupfer(I)-Oxid findet Verwendung als Mittel um Algen abzutöten zum Beispiel in Schiffsbodenanstrichen, wird aber auch zur Rotfärbung von Glas und Email benutzt. Kupfer(II)-Oxid kann als Oxidationsmittel in der Elementaranalyse, als Ausgangsmaterial zur Herstellung von Kupferverbindungen und zur Schwarz-, Grün- und Blaufärbung von Glas und Email verwendet werden.

1.2 Malachit

 

Das Mineral Malachit ist in die Mineralklasse der wasserfreien Karbonate ohne fremde Anionen einzuordnen. Es ist ein typisches Sekundärmineral der Oxidationszonen von Kupferlagerstätten und entsteht bei der Verwitterung von zahlreichen Kupfermineralien, unter anderem Chalkopyrit. Der Malachit kommt oft gemeinsam mit seiner Pseudomorphose Azurit vor und ist weit verbreitet, allerdings nur in kleineren Mengen. Er gehört zum monoklinen Kristallsystem, in dem alle drei Raumachsen unterschiedlich lang sind. Beide Kupferatome sind von sechs nächsten Nachbarn umgeben, wobei vier davon mit dem Kupferatom coplanar die Ecken eines Quadrats besetzen. Für den Malachit ist die ausschließlich grüne Farbe charakteristisch, außerdem ist er stark pleochroitisch. Das Mineral besitzt eine geringe Härte, neigt schnell zum Brechen, verblasst bei Sonneneinstrahlung und löst sich wie alle Karbonate in Salzsäure auf. In der Natur tritt er selten idiomorph in monoklin, prismatischen Kristallen vor, sondern eher als trauben- oder warzenförmige Aggregate. Synthetischer Malachit liegt als mikrokristallines, grünes Pulver vor und hat eine etwas niedrigere Dichte als der natürliche Malachit. Wenn er synthetisch hergestellt wurde, ist darauf zu achten nur mit destilliertem Wasser zu reinigen, da Verunreinigungen im Leitungswasser die Kristalle beschädigen können. Malachit kann synthetisch durch Zugabe von Natriumcarbonat zu Kupfersulfat-Pentahydrat hergestellt werden. (4.)

 

(4) 2 CuSO₄ • 5 H₂O + 2 Na₂CO₃ + H₂O ⟶ CuCO₃ • Cu(OH)₂ + 2Na₂SO₄ + CO₂

 

Entstanden ist ein feinkristallines, grün-blaues Pulver in Gesellschaft mit vereinzelten Azurit-Kristallen.

 

 

 

2. Experimenteller Teil

 

2.1 Synthesevorschrift

1,2 g Kupfersulfat-Pentahydrat werden in einem 500ml Becherglas in 5 ml destilliertem Wasser gelöst, wodurch eine klare, blaue Flüssigkeit entsteht. (Abb. 4) Gleichzeitig wird in einem Reagenzglas 0,5 g Natriumcarbonat ebenfalls in destilliertem Wasser gelöst. Nachdem die Kupfersulfat-Pentahydrat-Lösung in ein Porzellanschälchen umgefüllt wurde, wird langsam die Natriumcarbonat-Lösung langsam unter Umrühren zu der Kupfersulfat-Lösung gegeben. (Abb. 5)

Es fällt sofort eine dunkelblaue Substanz aus, die sich nach und nach heller und grüner verfärbt und unter Abgabe von CO₂ sprudelt. Danach wird das Porzellanschälchen zum Trocknen und Auskristallisieren 1 bis 2 Tage lang an einen kühlen Ort stehen gelassen. Die entstandenen Kristalle (Abb. 3) werden nach diesem Zeitraum mit destilliertem Wasser gewaschen und zuletzt zum Trocknen in den Trockenschrank bei ca. 100-120° gestellt.

 

Chemikalien:

·         Kupfersulfatpentahydrat

·         Natriumcarbonat

 

Geräte:

·         500ml-Becherglas

·         Reagenzglas

·         Porzellanschälchen

·         Metallspachtel

 

Abb. 4: Gelöstes Kupfersulfat (Quelle: Autoren)           

Abb. 5: Sprudeln unter CO₂- Abgabe (Quelle: Autoren)

 

 

2.2 Ausbeuteberechnung

 

Es wurden eingesetzt:

1,2 g CuSO₄ • 5 H₂O (0,0048 mol)

0,5 g NaCO₃ (0,0060 mol)

Aus der Reaktionsgleichung

 

2 CuSO₄ • 5 H₂O + 2 Na₂CO₃ + H₂O ⟶ CuCO₃ • Cu(OH)₂ + 2Na₂SO₄ + CO₂ (4)

ergibt sich, dass das Natriumcarbonat im Überschuss eingesetzt wurde. Die Ausbeuteberechnung wird deswegen auf die Stoffmenge des Kupfersulafatpentahydrats bezogen.

Es wurden 0,4975 g (0,0022 mol)  Malachit in Form von grünen mikrokristallinen Kristallen erhalten. (M(Malachit) = 221,1156 g/mol)

 

 

Die theoretisch zu erwartenden Stoffmenge ist:

m(CuSO₄ • 5 H₂O) = 1,2 g

M(CuSO₄ • 5 H₂O) = 249,685 g/mol

 

 

Die Ausbeute an Malachit beträgt 90%:

 

3. Zusammenfassung

Malachit wurde der Vorschrift des Skriptes “Praktikum Allgemeine und Anorganische Chemie” folgend dargestellt. Es wurden insgesamt 0,4975 g (0,0022 mol) Malachit in Form von grünen pulvrigen Kristallen erhalten. Die Ausbeute betrug 90%.

Abb. 3: Porzellanschälchen mit Malachit- und Azuritkristallen (Quelle: Aufnahme der Autoren)

 

 

 

4. Literatur- und Quellenverzeichnis

-          Anorganische Chemie: Erwin Riedel, Christoph Janiak, 7. Auflage (2007)

-          Skript „Praktikum Allgemeine und Anorganische Chemie“ für Studierende der Geologischen Wissenschaften und Physik

-          (9.08.13; 11:35)

-          . (9.8.13; 13:50)

-          (9.8.13; 15:10)

Bilder:

-          (9.8.13; 13:11)

-          (9.8.13; 13:16)