Grundidee

Beschreibung

Material

• Kupfer [Folie] [1]👉
  

• 👉 Waage
  

• 👉 Labor-Gasbrenner
  

• 👉 Feuerzeug
  

• 👉 Tiegelzange
  
  • 👉 Schieferplatte
    
  • 👉 Einschlaglupe
    
  • 👉 Schutzbrille
    
  • 👉 Feuerlöscher
    
  • 👉 Löschdecke
    
  • 👉 Notruf
    
  
  

  Kurzbeschreibung

  
  Dünnes Kupfer wird in einer Gasflamme von 1000 °C bis 1500 °C erhitzt. Man erreicht helle Rotglut. Das Kupfer wandelt sich weitgehend in schwarzes Kupferoxid um. Auch mit einer Lupe sind an dem gebrannten Kupfer keine Schmelzspuren zu erkennen.
  
  

  Ausführliche Beschreibung

  
  

  Arbeitsplatz

  
  Finde oder baue eine hitzebeständige Arbeitsfläche. Ideal wäre ein Steintisch im Freien. Alternativ kann man auch eine Metall- oder Steinplatte auf einen Tisch legen. Halte in Griffentfernung einen Feuerlösche und/oder eine Löschdecke bereit. Halte eine Schutzbrille griffbereit. Habe ein Telefon griffbereit. Die Notrufnummer ist 112:
  
  
  • Feuerfeste Unterlage
    
  • Löschmittel
    
  • Schutzbrille
    
  • Notruf
    
  
  

  Kupferknäuel

  
  Nimm ein kleines Stück Kuperfolie, z. B. 4 cm². Für eine 0,1 mm dicke Kupferfolie aus dem Bastelladen^[1] und eine Dichte von 9 g/cm³ von Kupfer kommt man damit rechnerisch auf eine Masse von immerhin 1,44 Gramm.^[3] Knülle die Folie vielleicht etwas, sodass der Knäuel von der Größe her ganz in die Flamme passt. Achte abe darauf, dass der Knäuel nicht zu eng ist. Es sollte überall Luft an jedes Stück Kupfer kommen. Der Sauerstoff in der Luft ist wichtig für die geplante Oxidation (Verbrennung). Wie den Kupferknäuel in Gramm, mindestens bis auf die erste Nachommalstelle (zehntel Gramm):
  
  
  • z. B. 4 mal 4 cm großes Quadrat aus Kupferfolie
    
  • Zu einem lockeren Knäuel zerknüllt
    
  • Vorher gewogen, Masse in g notiert
    
  
  

  Brennstätte

  
  Nimm einen Labor-Gasbrenner mit Butan, Propan oder eine Mischung als Wärmequelle. Geeignet sind auch manche Campingkocher. Mit Gaskartuschen ist man unabhängig von einem Gasanschluss. Stelle den Brenner auf die feuerfeste Unterlage (z. B. Schieferplatte). Zünde ein Feuerzeug oder Streichholz an. Öffen dann leicht den Gashahn und entzünde die Flamme. Stelle die Flamme so ein, dass der blaue Bereich mit seinen 1500 °C einige Zentimeter hoch ist. Wir machten den Versuch mit einer Flammenhöhe des blauen Bereches von etwa 4 cm.
  
  
  • Feuerfeste Unterlage
    
  • Löschmittel griffbereit
    
  • Gasflamme gezündet
    
  
  

  Brennversuch

  
  Nimm nun die Tiegelzange und packe damit den Kupferknäuel an einer Ecke. Tiegelzangen sind feuerfest und sollten die Temperaturen in der Gasflamme schadlos überstehen. Halte das Kupfer so in die Flamme, dass es möglichst hell glüht. Spiele mit unterschiedlichen Höhen innerhalb der Flamme sowie mit Lagen mehr innen oder außen. Wir konnten große Unterschiede in der Glühfärbung dabei erkennen. Zur Orientierung^[2]:
  
  
  • 525 °C: Beginnende Rotglut
    
  • 700 °C: Dunkle Rotglut
    
  • 800 °C: Helle Rotglut
    
  • 1100 °C: Gelbglut (ca. 1.700 cd/m²)
    
  • 1300 °C: beginnende Weißglut
    
  
  Ab 1084 °C schmilzt Kupfer. Wir konnten das in eigenen Versuchen jedoch nicht erreichen. Eine helle Rotglut war das Maximum an Erhitzung, die wir erreichten.
  
  
  • Kupfer so lange glühen, bis es ganz schwarz ist
    
  • Färbung immer wieder nach kurzer Abkühlung an der Luft betrachten
    
  
  Nach etwa 2 bis 3 Minuten war bei unserem Pilotversuch die zerknüllte Kupferfolie überall an der Oberfläche schwarz. Die schwarze Farbe zeigt Kupfermonoxid als neue Verbindung an. Am Ende den Knäuel an der Luft abkühlen lassen.
  
  

  Wägung

  
  Die abgekühlte Kupferfolie kann man dann wieder mit einer Waage wiegen. Ideal wäre eine Grammangabe bis auf die zweite Nachkomastelle. Notiere das Ergebnis.
  
  

  Theorie

  
  

  Produkte

  
  Bei einer Temperatur oberhalb von 800 °C verbindet sich das vorher elementare, das heißt reine Kupfer mit dem Sauerstoff aus der Luft zu Kupferoxid. Das Kupfer und der Sauerstoff sind also die Ausgangsstoffe. Man bezeichnet sie allgemein als Edukte. Der Endstoff, das Ergebnis, bezeichnet man in der Chemie als Produkt. Hier ist das Produkt als Kupferoxid.
  
  Oxide sind Verbindungen von Stoffen mit Sauerstoff (Oxygen). Man unterscheidet dabei zwei Arten von Kupferoxiden: das gelbliche bis rötliche Kupfer(I)-oxid und das schwarze Kupfer(II)-oxid.
  
  
  • CuO als schwarzes 👉 Kupfer(II)-oxid
    
  • Cu₂O als rötliches 👉 Kupfer(I)-oxid
    
  
  In unserem Pilotversuch konnten wir mit dem Auge nur schwarzes Kupferoxid CuO, also Kupfer(II)-Oxid erkennen. Bei Temperaturen über 800 °C soll adas zunächst entstandene Kupfer(II)-oxid aber weiter oxidiert werden zu dem gelbichen bis rötlichen Kupfer(I)-oxid:
  
  
  • 4CuO -> 2Cu₂O + 0₂
    
  
  Aber wenn man reines Kupfer in Sauerstoff erhitzt, entsteht über die Zwischenstufe des Kupfer(II)-oxids immer ein Anteil Kupfer(I)-oxid:
  
  
  • CuO + Cu -> Cu₂O
    
  
  

  Gewichtszunahme

  
  Reine Kupfer hat eine Dichte von 8,96 Gramm pro Kubikzentimeter. Das Atomgewicht von Kupfer ist 63,55 atomare Masseneinheiten, abgekürzt als u. Es ist hier nicht weiter wichtig, was genau eine atomare Masseneinheit meint. Für den Versuch hier sind nur relative Gewichtsänderungen interessant. Sauerstoff hat ein Atomgewicht von 16,00 u. Wenn sich ein Atom Cu mit einem Atom Sauerstoff zu CuO verbindet, dann haben diese zwei Atome in der Verbindung zusammen ein Molekülgewicht von 79,55 u. Rechnet man die Masse der Verbindung durch die Masse des Kupferatoms erhält man das Gewichtsverhältnis vom Produkt zum Edukt: 79,55 geteilt durch 63,55 gibt etwa 1,25. Würde das ganze Kupfer aus der Folie zu Kupfermonoxid oxidieren, wäre das schwarze Endprodukt am Ende also rund 1,25 mal so schwer wie die reine Kupferfolie am Anfang.
  
  
  • 63,55 u als Atomgewicht für Cu 👉 Atomgewicht
    
  • 16,00 u als Atomgewicht für O 👉 Atomgewicht
    
  • 79,55 u als Molekülgewicht für CuO 👉 Molekülgewicht
    
  • 1,25 theoretische Gewichtszunahme als 👉 Massenverhältnis
    
  
  Wenn die Kupferfolie am Anfang also 1,44 Gramm gewogen hat, dann wäre sie nach einer vollständigen Verbrennung zu Kupfermonoxid am Ende 1,25 mal so schwer wie am Anfang, also 1,80 Gramm. Tatsächlich aber wird nicht das ganze Kupfer oxidieren. Es wird im Inneren der Folie wahrscheinlich Atome geben, an die der Sauerstoff aus der Luft nicht heran kam. Und neben den Kupfermonoxid CuO kann auch Cu₂O mit einer etwas anderen Molekülmasse entstehen. Aber die 1,80 Gramm gegeben eine Obergrenze als Masse des Produkts an. Interessant ist, ob wie nahe man an diese maximale Gewichtszunahme herankommen könnte.
  
  

  Fußnoten

  
  
  • [1] Kupferfolie gibt es zum Beispiel im Bastelgeschäft. Sie wird als Prägefolie unter anderem für die Erstellung von schönen Schriftzügen verwendet. 2026 wurde 0,1 mm dicke Folie mit 60 cm Breite mit einem Preis von etwa 30 Euro pro Meter angeboten. Weniger teuer sind einzelne kleinere Prägefolien aus Kupfer.
    
  • [2] Es gibt feste Zuordnungen der Farbe glühender Materialien zur Temperatur. Tabellen dazu stehen auf der Seite 👉 Glutfarbe
    
  • [3] Zur Berechnung der Masse eines Folienstücks von a = 0,1 mm Dicke, b = 4 cm Breite und c = 4 cm Länge: erst das Volumen V in cm³ (Kubikzentimeter) über die Formel für das Quadervolumen V = a·b·c. Die 0,1 mm Höhe sind 0,01 cm an Höhe. Das gibt ein Volumen von 0,16 cm³. Jeder Kubkzentimeter Kupfer wiegt etwa 9 Gramm. Man hat also 0,16 mal 9 Gramm, also für das Folienstück 1,44 Gramm. Siehe auch 👉 Kupferdichte
    
  
  
  
  Atomgewicht Chemie-Lexikon Flammenfarbe Glutfarbe Kalk-Brenn-Versuch Kupfer(I)-oxid Kupfer(II)-oxid Labor-Gasbrenner Molekülmasse Physik-Lexikon Tiegelzange Werkstattversuche