Der Kupferbriefversuch – im Mikromaßstab

Der Kupferbriefversuch ist ein bekannter Versuch, den wohl viele in ihrer Schulzeit im Chemieunterricht in der 8. Klasse durchführten. Dabei werden nicht viele Materialien benötigt und in kürzester Zeit kann die Oxidation von Kupfer eindrucksvoll vorgeführt werden.

Benötigt werden: eine feuerfeste Unterlage, ein Gasbrenner, ein dünnes Kupferblech (ca. 5 cm x 5 cm) und eine Tiegelzange. Das Kupferblech wird, wie der Name schon vermuten lässt, zu einem kleinen luftdichten Brief zusammengefaltet. Dabei kann – je nach Dicke des Blechs – eine Zange hilfreich sein.

Dann wird der Gasbrenner auf die rauschende (blaue) Flamme eingestellt, um darin vorsichtig das Kupferblech mithilfe der Tiegelzange zu erhitzen. Sobald das Kupferblech anfängt zu glühen, hat es die richtige Temperatur erreicht und kann wieder aus der Flamme herausgenommen werden. Nachdem das Blech wieder abgekühlt ist, wird es auseinandergefaltet und betrachtet. Dabei macht man die faszinierende Beobachtung, dass das aufgefaltete Briefchen auf der vorherigen Außenseite komplett schwarz ist, während es auf der Innenseite teilweise rötlich verfärbt ist und ansonsten seine vorherige Farbe beibehalten hat. Woran liegt das?

Wird dem Kupfer durch die Erhitzung genügend Energie hinzugegeben, reagiert es mit dem Sauerstoff in der Umgebungsluft. Der Fachbegriff dazu lautet „Oxidation“.

  \text{2 Cu}\text{ (g)} + \text{O}$_2$\text{ (g)} \rightarrow \text{2 CuO (s)}

Das entstehende CuO wird als Kupfer(II)-oxid bezeichnet und ist schwarz. Wieso jedoch wurde das Blech dann auf der Innenseite rötlich?

Das hat den Grund, dass auf der Innenseite kaum Luft und damit auch kaum Sauerstoff vorhanden war. Darum reagierte ein Teil des Kupfers dort überhaupt nicht und behielt seine ursprüngliche Färbung bei. Der wenige vorhandene Sauerstoff reichte für die oben beschriebene Reaktionsgleichung nicht aus, weshalb das Kupfer zu einem anderen Stoff oxidiert wurde:

\text{4 Cu}\text{ (g)} + \text{O}$_2$\text{ (g)} \rightarrow \text{2 Cu}$_2$\text{O (s)}

Es ist Kupfer(I)-oxid entstanden und dieses hat – dreimal dürft ihr raten – eine rote Farbe.

Im Mikromaßstab

In meiner Facharbeit beschäftigte ich mich jedoch eingehender mit dem Thema „Lab in a Drop“. Zur Erklärung: Lab in a Drop ist ein Unterrichtskonzept des Hamburger Chemielehrers Stephan Matussek, der verschiedene Möglichkeiten gefunden hat, Schulexperimente in einem winzig kleinen Maßstab durchzuführen. Das Ziel dabei ist eine Reduzierung der verwendeten Chemikalien, um die Umwelt zu schonen. Amelie hat neulich bereits in einem anderen Beitrag davon berichtet.

Auch den Kupferbriefversuch kann man im Mikromaßstab durchführen. Dazu benötigt man: feines Kupferpulver, ein Kapillarröhrchen (ein sehr dünnes Röhrchen aus Glas) und ein Feuerzeug.

Das Kapillarröhrchen wird mit Kupferpulver befüllt, wobei sehr vorsichtig gearbeitet werden muss: Das Pulver darf auf keinen Fall in die Augen gelangen oder eingeatmet werden! Hat man es befüllt, hält man das Röhrchen in die Flamme des Feuerzeuges. Dieses ist so dünn, dass es dabei oftmals anfängt zu schmelzen und sich verbiegt. Nach wenigen Sekunden kann es auch schon wieder aus der Flamme genommen werden. Dabei macht man sehr ähnliche Beobachtungen wie in dem ganz oben beschriebenen klassischem Kupferbriefversuch:

In der Mitte ist das Kupfer farblich unverändert, während es an den Rändern dunkel verfärbt und am Übergang rötlich ist. Die Erklärung hierfür sollte jetzt niemandem mehr schwerfallen.

Übrigens habe ich in meinem Versuch sowohl das Kupferblech als auch das Kupferpulver gewogen, um die Ersparnis durch Lab in a Drop festzuhalten. Das verwendete Kupferblech hatte eine Masse von 2,2 g, während das Kupferpulver im Mikromaßstab gerade einmal 0,008 g wog. Ich konnte also denselben Versuch mit ca. 0,36 % der Chemikalien durchführen.

Alles in allem ist der Kupferbriefversuch ein sehr interessanter Versuch, dessen Durchführung zu verblüffenden Ergebnissen führt und jedes Mal aufs Neue wieder Spaß macht. Sogar im Mikromaßstab gelingt er genauso gut, auch wenn das Produkt nicht ganz so anschaulich ist.

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