Aufgabe 2 – Kupfer

Kupfer ist ein sehr wichtiger Rohstoff, der z. B. für die Elektronik und die Bauindustrie von großer Bedeutung ist. Die Veränderung des Preises von Kupfer an der Börse signalisiert den Zustand der ökonomischen Lage der Staaten und der Welt.

2.1

Nenne vier Eigenschaften von Kupfer.

Erkläre zwei dieser Eigenschaften mit seiner Struktur.

3 BE

2.2

Formuliere die Elektronenkonfiguration von Kupfer.

Leite daraus die Stellung von Kupfer im Periodensystem der Elemente ab.

3 BE

Kupfer reagiert nicht mit verdünnten Säuren. Konzentrierte Salpetersäure kann aber Kupfer lösen. Dabei entsteht neben einer blauen Lösung ein farbloses Gas, das sich an der Luft schnell rotbraun verfärbt.

2.3

Formuliere für beide Vorgänge eine Reaktionsgleichung.

Bestimme die Reaktionsart und begründe.

4 BE

2.4

Für elektronische Leiter benötigt man sehr reines Kupfer. Dieses kann man durch Elektrolyse gewinnen.

Zeichne ein beschriftetes Schema der Kupferraffination.

Erkläre die ablaufenden Prozesse auch unter Einbeziehung von Reaktionsgleichungen.

Berechne die Masse an Kupfer, die man nach $Formula: 8\ \text{h}$ $Formula: 8\ \text{h}$ durch die Elektrolyse einer Kupfer(II)-sulfat-Lösung gewinnen kann, wenn die benutzte Stromstärke $Formula: 3\ \text{A}$ $Formula: 3\ \text{A}$ beträgt.

10 BE

20 BE

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2.1

Nennen von vier Eigenschaften von Kupfer

Chemische Widerstandsfähigkeit / kleine Reaktivität
Elektrische Leitfähigkeit
Thermische Leitfähigkeit
Glanz
Verformbarkeit

Hinweis: Auch andere Eigenschaften können genannt werden.

Erklären zweier Eigenschaften mithilfe der Struktur

Chemische Widerstandsfähigkeit / kleine Reaktivität: stabile Elektronenkonfiguration im Grundzustand
Elektrische Leitfähigkeit: Elektronengas mit frei beweglichen Elektronen
Thermische Leitfähigkeit: Schwingungen des Gitters aus Atomrümpfen
Glanz: leichte Energieaufnahme bzw. Absorption der Lichtenergie durch das Elektronengas und umgehende Freisetzung bzw. Emission führt zu nahezu vollständiger Reflexion
Verformbarkeit: Gitter aus Atomrümpfen und Elektronengas; das Elektronengas hebt die Anstoßung zwischen den positiv geladenen Atomrümpfen auf, wodurch Gleitbewegungen möglich sind

Hinweis: Auch andere Ansätze und Erklärungen anderer Eigenschaften sind hier zulässig.

2.2

Angeben der Elektronenkonfiguration

$Formula: [\text{Cu}]\text{:}\;[\text{Ar}]\,3d^{10}4s^1$ $Formula: [\text{Cu}]\text{:}\;[\text{Ar}]\,3d^{10}4s^1$

Ableiten der Stellung im PSE

vierte Periode $Formula: (4\text{s})$ $Formula: (4\text{s})$
Übergangselemente, -Elemente $Formula: (3\text{d})$ $Formula: (3\text{d})$
Gruppe $Formula: \text{IB}$ $Formula: \text{IB}$ bzw. $Formula: (3d^{10}4s^1)$ $Formula: (3d^{10}4s^1)$

2.3

Formulieren der Reaktionsgleichungen

$Formula: (1)\quad8\overset{\color{#0096C8}{+\text{I}\:+\text{V}\,-\text{II}}}{\text{HNO}_3}+3\;\overset{\color{#0096C8}{0}}{\text{Cu}}\longrightarrow3\;\overset{\color{#0096C8}{+\text{II}\,+\text{V}-\text{II}}}{\text{Cu(NO}_3)_2}+4\;\overset{\color{#0096C8}{+\text{I}\,-\text{II}}}{\text{H}_2\text{O}}+2\overset{\color{#0096C8}{+\text{II}\,-\text{II}}}{\text{NO}}$ $Formula: (1)\quad8\overset{\color{#0096C8}{+\text{I}\:+\text{V}\,-\text{II}}}{\text{HNO}_3}+3\;\overset{\color{#0096C8}{0}}{\text{Cu}}\longrightarrow3\;\overset{\color{#0096C8}{+\text{II}\,+\text{V}-\text{II}}}{\text{Cu(NO}_3)_2}+4\;\overset{\color{#0096C8}{+\text{I}\,-\text{II}}}{\text{H}_2\text{O}}+2\overset{\color{#0096C8}{+\text{II}\,-\text{II}}}{\text{NO}}$

$Formula: (1)\quad8\overset{\color{#0096C8}{+\text{I}\:+\text{V}\,-\text{II}}}{\text{HNO}_3}+3\;\overset{\color{#0096C8}{0}}{\text{Cu}}\longrightarrow$ $Formula: (1)\quad8\overset{\color{#0096C8}{+\text{I}\:+\text{V}\,-\text{II}}}{\text{HNO}_3}+3\;\overset{\color{#0096C8}{0}}{\text{Cu}}\longrightarrow$

$Formula: \qquad\;3\;\overset{\color{#0096C8}{+\text{II}\,+\text{V}-\text{II}}}{\text{Cu(NO}_3)_2}+4\;\overset{\color{#0096C8}{+\text{I}\,-\text{II}}}{\text{H}_2\text{O}}+2\overset{\color{#0096C8}{+\text{II}\,-\text{II}}}{\text{NO}}$ $Formula: \qquad\;3\;\overset{\color{#0096C8}{+\text{II}\,+\text{V}-\text{II}}}{\text{Cu(NO}_3)_2}+4\;\overset{\color{#0096C8}{+\text{I}\,-\text{II}}}{\text{H}_2\text{O}}+2\overset{\color{#0096C8}{+\text{II}\,-\text{II}}}{\text{NO}}$

$Formula: (2)\quad2\overset{\color{#0096C8}{+\text{II}\,-\text{II}}}{\text{NO}}+\overset{\color{#0096C8}{0}}{\text{O}_2}\longrightarrow2\,\overset{\color{#0096C8}{+\text{IV}-\text{II}}}{\text{NO}_2}$ $Formula: (2)\quad2\overset{\color{#0096C8}{+\text{II}\,-\text{II}}}{\text{NO}}+\overset{\color{#0096C8}{0}}{\text{O}_2}\longrightarrow2\,\overset{\color{#0096C8}{+\text{IV}-\text{II}}}{\text{NO}_2}$

Bestimmung und Begründung der Reaktionsart

Reaktionsart: Redoxreaktion
Begründung: Änderung der Oxidationszahlen während der Reaktion

Hinweis: Auch eine Begründung mit Teilreaktionen ist zulässig.

2.4

Zeichnung eines beschrifteten Schemas der elektrolytische Kupferraffination

Schema elektrolytische Kupferraffination mit Elektroden Kathode Anode Spannungsquelle Anodenschlamm

Beschriftungen:

Reinkupferelektrode – Kathode
Rohkupferelektrode – Anode
Spannungsquelle
Richtung des Stroms bzw. der Elektronen
Bewegung der Kupferionen
Anodenschlamm

Erklärung der ablaufenden Prozesse

Kathode:	$Formula: \ce{Cu^2+ + 2e- \longrightarrow Cu^0}$ $Formula: \ce{Cu^2+ + 2e- \longrightarrow Cu^0}$
Anode:	$Formula: \ce{Cu^0 \longrightarrow Cu^2+ + 2e-}$ $Formula: \ce{Cu^0 \longrightarrow Cu^2+ + 2e-}$

An der Anode findet die Oxidation statt, wobei Zink-, Nickel-, Eisen- und Kupferionen oxidiert werden und in Lösung gehen. Die Elektronen fließen hierbei von der Anode zum Pluspol. Die edleren Metalle Tellur, Silber und Gold werden nicht oxidiert und setzen sich als Anodenschlamm ab.

An der Kathode werden die Kupfer(II)-Ionen reduziert und elementares Kupfer scheidet sich ab.

Berechnung der gewinnbaren Masse an Kupfer bei einer Elektrolyse

$Formula: \begin{array}[t]{rll} m(\text{Cu})&=&\dfrac{M(\text{Cu})\cdot I\cdot t}{z\cdot F}\\[5pt] &=&\dfrac{63{,}55\;\frac{\text{g}}{\text{mol}}\cdot3\;\text{A}\cdot(8\cdot60\cdot60)\;\text{s}}{2\cdot9{,}6485\cdot10^4\;\frac{\text{C}}{\text{mol}}}\\[5pt] &=&28{,}45\;\text{g} \end{array}$ $Formula: \begin{array}[t]{rll} m(\text{Cu})&=&\dfrac{M(\text{Cu})\cdot I\cdot t}{z\cdot F}\\[5pt] &=&\dfrac{63{,}55\;\frac{\text{g}}{\text{mol}}\cdot3\;\text{A}\cdot(8\cdot60\cdot60)\;\text{s}}{2\cdot9{,}6485\cdot10^4\;\frac{\text{C}}{\text{mol}}}\\[5pt] &=&28{,}45\;\text{g} \end{array}$

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