What happens when copper reacts with nitric acid in this lab?

Solid copper is oxidized by nitric acid to form copper nitrate, water, and NO2 gas. The copper nitrate dissociates into copper(2+) ions and nitrate anions in water. The reddish-brown fumes confirm NO2 gas production, while a greenish-blue tint indicates the presence of copper ions in solution.

How is copper oxide formed from copper(II) hydroxide?

Copper(II) hydroxide precipitate forms when a base is added to the copper solution, creating a blue color. When heated to 85°C, the copper(II) hydroxide undergoes decomposition, removing water and producing black copper oxide precipitate. This thermal decomposition converts the unstable hydroxide into the more stable oxide form.

What role does zinc play in recovering solid copper from copper oxide?

Zinc acts as a reducing agent in a single displacement reaction with copper sulfate solution. When zinc is added, copper(2+) ions are reduced to solid copper while zinc is oxidized to zinc(2+) ions. The solution becomes colorless once all copper ions are reduced, indicating complete copper recovery.

Why is hydrochloric acid added after the zinc displacement reaction?

Hydrochloric acid dissolves excess zinc remaining in the solid copper precipitate through a neutralization reaction that produces bubbling. Adding acid in increments ensures complete removal of unreacted zinc without over-dissolving the copper product, leaving pure copper for final collection and weighing.

How do you determine if the final copper product is pure?

Test for methanol using an indicating desiccant that changes from blue to turquoise if present. Drop 6 M HCl on the product; bubbling indicates residual NaOH contamination. Pure copper appears as dark-red granules. Black color suggests incomplete conversion and the presence of copper oxide instead.

What does percent yield calculation reveal about the copper recovery experiment?

Percent yield is calculated by dividing the final copper mass by the initial copper mass and multiplying by 100. Yields exceeding 100% indicate calculation errors or residual moisture on the product. This metric shows how efficiently copper was recovered through the oxidation and reduction sequence.

Why is methanol used in the final drying step instead of water?

Methanol is used because it evaporates more readily than water at room temperature, ensuring thorough drying of the copper precipitate without heat damage. Multiple methanol washes followed by extended vacuum application remove residual moisture and impurities, preparing the copper for accurate final mass measurement.

Redox-Reaktionen

Konzepte Vorbereitung für Dozenten Studentenprotokoll

0 Ansichten04:56 Min.

Redox, die Abkürzung für Reduktions-Oxidation, ist eine Art chemischer Reaktion, die durch den Nettotransfer von Elektronen klassifiziert wird. Bei dieser Reaktion verliert ein Molekül Elektronen, was als Oxidation bezeichnet wird, und das andere Molekül gewinnt Elektronen, was als Reduktion bezeichnet wird.

Um Ihnen bei der Unterscheidung zu helfen, denken Sie an den Ausdruck "OIL-RIG", der für "Oxidation ist Verlieren, Reduzieren ist Gewinnen" steht. Das oxidierte Molekül wird als Reduktionsmittel bezeichnet, da es den anderen Reaktanten reduziert. In ähnlicher Weise wird das Molekül, das reduziert wird, als Oxidationsmittel bezeichnet, da es das andere Molekül oxidiert.

Nachdem wir nun die Terminologie geklärt haben, schauen wir uns ein Beispiel für eine Redoxreaktion an, die Bildung des Minerals Magnesiumoxid. Während der Reaktion verliert jedes Magnesiumatom zwei Elektronen. Dadurch wird Magnesium oxidiert. Jedes Sauerstoffatom gewinnt zwei Elektronen; Dadurch wird Sauerstoff reduziert.

Allerdings sind nicht alle Reaktionen Redoxreaktionen. So ist beispielsweise die Reaktion von Calciumoxid mit Kohlendioxid zu Calciumcarbonat keine Redoxreaktion. Wie können wir also eine Redoxreaktion identifizieren?

Zu diesem Zweck verfolgen wir die Oxidationszahl jedes Elements auf dem Weg vom Reaktanten zum Produkt. Die Oxidationszahl ist die hypothetische Ladung, die ein Atom hätte, wenn seine Bindungen zu verschiedenen Elementen ionisch wären, was bedeutet, dass die Elektronen dem elektronegativeren Atom zugeordnet werden. Die Summe der Oxidationszahlen in einem Molekül entspricht seiner Gesamtladung.

Schauen wir zurück auf Magnesiumoxid. Da es sich um eine neutrale Verbindung handelt, ist die Summe der Oxidationszahlen für Magnesium und Sauerstoff gleich Null. Magnesium kann zwei Elektronen ergeben, so dass seine Oxidationszahl plus zwei ist. Sauerstoff kann zwei Elektronen aufnehmen, so dass seine Oxidationszahl minus zwei beträgt.

Wie sieht es mit der Reaktion aus? Reine neutrale elementare Verbindungen haben eine Oxidationszahl von Null. Sowohl Magnesium als auch Sauerstoff beginnen also mit Oxidationszahlen von Null. Sowohl die Oxidationszahlen von Magnesium als auch von Sauerstoff änderten sich während der Reaktion, so dass es sich um eine Redoxreaktion handelt.

Schauen wir uns nun die Kalziumkarbonat-Reaktion an, die wir vorhin gesehen haben. Beide Reaktanten sind neutral, so dass die Summe der Oxidationszahlen für beide Verbindungen Null ist. Wie wir bei Magnesiumoxid gesehen haben, hat Kalzium eine Oxidationszahl von plus zwei und Sauerstoff minus zwei. Dann hat der Kohlenstoff im Kohlendioxidmolekül eine Oxidationszahl von plus vier und jeder Sauerstoff minus zwei.

Wie sieht es mit dem Produkt aus? Kalzium ist plus zwei und Kohlenstoff plus vier, genau wie in den Reaktanten. Jeder Sauerstoff ist minus zwei, insgesamt minus sechs, wobei die Nettooxidationszahl Null ist. Da sich keine der Oxidationszahlen geändert hat, handelt es sich nicht um eine Redoxreaktion.

Lassen Sie uns nun die vier Arten von Redoxreaktionen vorstellen. Die erste ist eine einzelne Verschiebungsreaktion, bei der ein Atom ein anderes verdrängt. Sie werden dies in einer Thermitreaktion sehen, bei der ein Metall reduziert und das andere Metall oxidiert wird.

Die nächste Art ist eine Verbrennungsreaktion, die zwischen einem Brennstoff und einem Oxidationsmittel stattfindet, um oxidierte Produkte und Wärme zu bilden. Das sieht man im Labor bei der Verbrennung von Methan mit Sauerstoff bei der Verwendung eines Bunsenbrenners.

Die dritte ist eine Synthesereaktion, bei der sich zwei Reaktanten zu einem Produkt verbinden, wie bei der Synthese von Ammoniak, bei der Stickstoff mit Wasserstoff zu Ammoniak kombiniert wird.

Die vierte Art schließlich ist eine Zersetzungsreaktion, bei der ein Reaktant genügend Energie absorbiert, um seine Bindungen aufzubrechen und kleinere Verbindungen zu bilden. So verhält es sich auch mit Feuerwerken, bei denen Kaliumchlorat nach dem Erhitzen zu Kaliumchlorid und Sauerstoff zerfällt.

In diesem Lab führen Sie verschiedene Arten von Redoxreaktionen durch und identifizieren sie, die festes Kupfer in Kupferoxid und dann wieder zurück in festes Kupfer umwandeln.

Print Procedure Steps

Quelle: Smaa Koraym von der Johns Hopkins University, MD, USA

Herstellung von massivem Kupfer
In der ersten Hälfte dieses Labors stellen Sie massives Kupfer her. Bei dieser Reaktion wird das feste Kupfer zunächst durch das starke Oxidationsmittel Salpetersäure zu Wasser und dem Salz Kupfernitrat oxidiert. Das Kupfernitrat dissoziiert im Wasser schnell in die Ionen Kupfer(2+) und Nitrat. Die Nitratanionen werden zu_NO2-Gas reduziert, was durch das Vorhandensein von rötlich-braunen Dämpfen bestätigt wird. Das Vorhandensein von Kupferionen wird durch einen grünlich-blauen Farbton angezeigt. Wenn Sie der Mischung eine Base hinzufügen, ändert sich die Farbe in Blau, wenn der Kupfer(II)-hydroxid-Niederschlag gebildet wird. Das Kupfer(II)-hydroxid ist relativ instabil; Wenn also Wärme eingebracht wird, kommt es zu einer Zersetzungsreaktion. Bei dieser Reaktion wird Wasser entfernt, um Kupferoxid zu erzeugen, das als schwarzer Niederschlag erscheint.
- Bevor Sie das Experiment starten, ziehen Sie persönliche Schutzausrüstung an, einschließlich eines Laborkittels, Handschuhe und einer Schutzbrille.
- Wiegen Sie zwischen 0,45 und 0,55 g Kupferschrot und notieren Sie die genaue Masse. Dieses Experiment muss in der Haube durchgeführt werden, bringen Sie also die Kupferkugel zurück zu Ihrem Arbeitsplatz.
  Tabelle 1. Ermittlung der prozentualen Ausbeute
  
  Masse_{Cu Anfangsbuchstabe}(g)
  Masse_{Cu final} (g)
  Prozentuale Ausbeute
  Klicken Sie hier, um Tabelle 1 herunterzuladen
- Beschriften Sie einen 10-ml-Messzylinder als '8 M Salpetersäure' und messen Sie 8 mL der von Ihrem Dozenten bereitgestellten Lösung. Decken Sie den Zylinder mit einem Uhrglas ab, wenn Sie die Lösung zurück zu Ihrer Haube transportieren.
- Um das Experiment zu beginnen, legen Sie das Kupfer in ein 50-ml-Becherglas.
- Fügen Sie langsam die 8 mL 8 M Salpetersäure hinzu, während Sie mit einem Rührstab umrühren. Anmerkung: Wenn sich das Kupfer nicht vollständig auflöst, stellen Sie das Becherglas unter ständigem Rühren für ca. 2 min auf eine auf 30 °C eingestellte Kochplatte. Dabei reagiert das feste Kupfer mit der Salpetersäure zu Kupfernitrat, Wasser und_NO2-Gas. Überhitze die Lösung nicht, sonst kocht die Salpetersäure ab.
- Sobald das Kupfer vollständig aufgelöst ist, nehmen Sie das Becherglas von der Kochplatte und stellen Sie die Temperatur auf der Heizplatte auf 85 °C ein.
- Messen Sie 150 mL deionisiertes Wasser mit einem 50-ml-Messzylinder und geben Sie das Wasser in ein 400-ml-Becherglas.
- Gießen Sie die Kupferlösung langsam und unter Rühren in das 400-ml-Becherglas mit Wasser.
  Anmerkung: Wenn sich noch Kupferlösung im Becherglas befindet, spülen Sie den Rest der Lösung mit einer Pipette in das größere Becherglas ab.
- Beschriften Sie einen 50-ml-Messzylinder mit '3 M NaOH' und holen Sie sich 20 - 30 ml 3 M NaOH von Ihrem Ausbilder. Decken Sie den Messzylinder mit einem Uhrglas ab und tragen Sie ihn vorsichtig zurück zu Ihrer Haube.
- Füge 10 ml NaOH in das 400-ml-Becherglas unter Rühren hinzu.
- Testen Sie den pH-Wert der Lösung mit pH-Papier. Fahren Sie mit der Zugabe von NaOH fort, bis die Lösung basisch oder etwa pH 10 ist. Hier reagiert das Kupfernitrat mit NaOH unter Bildung des blauen Niederschlags, des Kupfer(II)-hydroxids und des Natriumnitrats.
- Setzen Sie den 400-ml-Becher auf die Heizplatte und verwenden Sie ein Glasthermometer, um die Temperatur zu überwachen. Sobald die Lösung 85 °C erreicht hat, lassen Sie sie dort 10 Minuten lang stehen. Rühren Sie langsam mit dem Rührstab um, da dies die Hitze gleichmäßig verteilt, ohne die Kristallbildung zu stören.
- Schalten Sie nach 10 Minuten die Kochplatte aus und entfernen Sie das Becherglas. Lassen Sie das Becherglas auf Raumtemperatur abkühlen. Wenn die Lösung abkühlt, erscheint ein dunkler Niederschlag am Boden des Becherglases, während sich eine klare und farblose Flüssigkeit, der Überstand, nach oben hin abscheidet. Bei den Kristallen handelt es sich um das Kupferoxid.
- Sobald die Lösung vollständig abgekühlt ist, beschriften Sie ein neues Becherglas als 'wässrigen Abfall' und entfernen Sie den Überstand, indem Sie ihn vorsichtig in den Abfallbehälter gießen. Versuchen Sie, den Niederschlag am Boden des Bechers nicht zu verlieren.
- Richten Sie das Filtersystem ein, indem Sie den Silikonschlauch zwischen dem Hausstaubsauger und der Isolierflasche befestigen. Setzen Sie mit einem Gummiadapter einen Büchner-Trichter in die Isolierflasche ein. Legen Sie nun ein Filterpapier in den Büchner-Trichter und befeuchten Sie diesen mit entionisiertem Wasser.
- Schalten Sie das Vakuum ein. Gießen Sie den Niederschlag in den Büchner-Trichter und leiten Sie ihn mit dem Rührstab in die Mitte. Verwenden Sie entionisiertes Wasser, um den gesamten Niederschlag in den Trichter zu spülen. Wenn der gesamte Niederschlag aus dem Becherglas ist, schalten Sie das Vakuum aus.
- Entfernen Sie das Filterpapier mit dem Niederschlag und legen Sie es in das Becherglas. Das dunkle Fällungsmittel auf dem Filterpapier ist das Kupferoxid, das ein bis zwei Tage trocknen sollte, bevor es in der nächsten Reaktion verwendet wird.
- Bereinigen Sie das Experiment. Entleeren Sie zunächst die Flüssigkeit aus dem Filterkolben in das wässrige Abfallbecherglas. Testen Sie dann den wässrigen Abfall mit pH-Papier. Anmerkung: Alle Abfälle, die einen höheren pH-Wert als 10 aufweisen, sollten mit Zitronensäure neutralisiert werden. Alle Abfälle unter pH 4 sollten mit Backpulver neutralisiert werden.
- Neutralisieren Sie das ungenutzte NaOH mit Zitronensäure und gießen Sie es dann mit reichlich Wasser in den Abfluss. Alles, was schwarze Partikel enthält, weist auf das Vorhandensein von Kupferoxid hin und sollte im schweren Metallfassbehälter entsorgt werden.
Herstellung von Kupferoxid
Das im vorherigen Laborabschnitt hergestellte Kupferoxid ist in Wasser unlöslich, kann aber in Schwefelsäure gelöst werden. In diesem Fall werden die Kupfer(2+)-Kationen und die Sulfatanionen durch eine Doppelverdrängungsreaktion wieder eingeführt. Wenn im letzten Schritt Zink zugegeben wird, werden die Kupfer(2+)-Ionen durch eine einzige Verdrängungsreaktion zu festem Kupfer reduziert.
- Ziehen Sie die entsprechende Schutzausrüstung an, wie z.B. einen Laborkittel, Handschuhe und eine Schutzbrille.
- Besorgen Sie sich das getrocknete Kupferoxid, das in der letzten Laborübung hergestellt wurde, und entfernen Sie mit einem Gummipolizisten so viel Kupferoxid wie möglich aus dem Filterpapier. Legen Sie das Feststoff- und Filterpapier wieder in denselben 400-ml-Becher ein, in dem es aufbewahrt wurde.
- Beschriften Sie einen 10-ml-Messzylinder als '5,93 M Schwefelsäure' und holen Sie sich 8 ml Schwefelsäure vom Dozenten. Decken Sie den Messzylinder mit einem Uhrglas ab und tragen Sie die Schwefelsäure vorsichtig zu Ihrer Haube. Anmerkung: Führen Sie den nächsten Schritt des Experiments in der Haube durch.
- Verwenden Sie eine Plastikpipette, um etwa 5 mL Schwefelsäure direkt auf das Filterpapier im Becherglas zu geben.
- Halten Sie dann das Filterpapier mit einer Pinzette fest und verwenden Sie einen Metallspatel, um so viel Feststoff wie möglich abzukratzen, ohne das Filterpapier zu zerreißen. Verwenden Sie so wenig Schwefelsäure wie möglich, um das Kupferoxid zu spülen, da überschüssige Schwefelsäure später mehr Zink benötigt.
- Spülen Sie Kupferoxid aus dem Filterpapier mit 2 mL deionisiertem Wasser und geben Sie etwas mehr deionisiertes Wasser in das Becherglas. Nachdem das Kupferoxid vom Filterpapier entfernt wurde, entsorgen Sie das Filterpapier als festen Abfall.
- Rühre die Lösung, bis das Kupferoxid vollständig aufgelöst ist. Wenn sich der Feststoff nicht auflöst, den Becher auf die Herdplatte stellen und auf ca. 60 °C erhitzen.
- Fügen Sie 3 - 5 mL Wasser hinzu und rühren Sie um, um es aufzulösen. Achten Sie darauf, diese Temperatur nicht zu überschreiten, da die Flüssigkeit verdampfen und einen Niederschlag aus Kupfersulfat hinterlassen könnte.
- Wiegen Sie 1,2 g Zink und notieren Sie die genaue Masse in Ihrem Labornotizbuch.
- Langsam die Hälfte des Zinks in die Lösung geben. Zerkleinern und rühren Sie das Zink mit dem Rührstab um, um alle Partikel vollständig aufzulösen. Die Lösung sollte farblos sein. Wenn noch Farbe vorhanden ist, füge mehr Zink hinzu, bis die Farbe verschwindet.
- Sobald die Farbe vollständig verschwunden ist, wiegen Sie das restliche Zink in der Waagschale und ziehen Sie es von der ursprünglichen Masse ab, um die Masse des verwendeten Zinks zu erhalten. Hier hat das Zink mit dem Kupfersulfat zu Zinksulfat und festem Kupfer reagiert.
- Dezitieren Sie den Überstand aus Ihrer Lösung in den Behälter mit der Bezeichnung 'wässriger Abfall'. Heizen Sie dann die Heizplatte auf 40 °C vor. Holen Sie sich 10 ml 6 M Salzsäure von Ihrem Lehrer in einem beschrifteten Messzylinder. Decken Sie die Öffnung des Zylinders mit einem Uhrglas ab und bringen Sie die Säure zurück in Ihre Haube.
- Füge 5 ml Salzsäure zum restlichen Niederschlag hinzu, um jegliches Zink im festen Kupfer aufzulösen.
- Stellen Sie das Becherglas auf die vorgeheizte Heizplatte und erwärmen Sie die Lösung für 2 Minuten. Bei der hier beobachteten Blasenbildung handelt es sich um die stattfindende Neutralisationsreaktion zum Auflösen des Zinks. Achten Sie darauf, dass die Reaktion nicht kocht. Schalten Sie dann die Heizstufe an der Kochplatte aus.
- Sobald das Blasenbildung nachlässt, füge 2 - 3 ml zusätzliche Salzsäure hinzu. Fügen Sie weiterhin Säure in 1-ml-Schritten hinzu, bis das Blasen vollständig aufhört.
- Dekantieren Sie den Überstand, waschen Sie den Niederschlag mit 5 - 10 mL Wasser und dekantieren Sie den restlichen Überstand. Anmerkung: Wenn die Kupferpartikel zu klein sind, um die Flüssigkeit zu dekantieren, ohne sie zu verlieren, stellen Sie eine Büchner-Trichterapparatur mit Filterpapier und ohne Vakuum auf. Gießen Sie die Lösung durch den Trichter, so dass die Partikel auf dem Filterpapier zurückgehalten werden, und geben Sie die Partikel dann wieder in das Becherglas zurück. Wiederholen Sie die Wasch- und Dekantierungsschritte noch zwei weitere Male.
- Ersetzen Sie das Filterpapier im Büchner-Trichter durch ein frisches und befeuchten Sie es leicht mit Wasser. Schalten Sie dann den Staubsauger für einen Moment ein, damit sich der Filter einpendeln kann.
- Füge etwa 5 ml Wasser zum Kupferniederschlag hinzu und gieße es dann in den Trichter in der Mitte des Filterpapiers. Rühren Sie das Kupfer vorsichtig um, um die Verunreinigungen zu entfernen, und achten Sie darauf, das Filterpapier nicht zu zerreißen.
- Schalten Sie das Vakuum ein und lassen Sie es 2 Minuten lang laufen.
- Schließen Sie das Vakuum und trennen Sie den Schlauch vom Kolben. Entfernen Sie den Trichter und entsorgen Sie die Flüssigkeit im wässrigen Abfallbehälter.
- Verbinden Sie das Büchner-Trichter-Setup wieder und befestigen Sie den Vakuumschlauch wieder.
- Besorgen Sie sich etwa 10 mL Methanol und gießen Sie 3 mL auf das Kupfer im Trichter. Schalten Sie dann das Vakuum ein und lassen Sie das Kupfer 2 Minuten trocknen.
- Trocknen Sie den Niederschlag noch zwei Mal mit Methanol und lassen Sie das Vakuum nach jedem Waschen laufen. Während der letzten Trocknungsphase einen großen Gummistopfen auf den Büchner-Trichter setzen und das Vakuum 5 min laufen lassen. Schließen Sie dann das Vakuum und trennen Sie die Vakuumröhre.
- Entfernen Sie den großen Stopfen und lassen Sie das Kupfer 30 Minuten lang an der Luft trocknen.
- Beschriften Sie ein leeres Becherglas als 'organischer Abfall' und gießen Sie die Flüssigkeit aus dem Filterkolben in den Bioabfallbehälter.
- Tarieren Sie eine leere Waagschale und übertragen Sie so viel Kupfer wie möglich vom Filterpapier darauf. Wiegen Sie das Kupfer und notieren Sie seine Masse.
- Aufräumen von der Laborübung. Entsorgen Sie den Bioabfall und überschüssiges Methanol im Bioabfallbehälter. Testen Sie den wässrigen Abfall mit pH-Papier und neutralisieren Sie ihn entweder mit Zitronensäure für einen hochbasischen pH-Wert oder Backpulver für einen sauren pH-Wert.
- Entsorgen Sie die überstehende Flüssigkeit im Abfallbehälter für schwere Metallfässer, da sie Zink enthält. Die unbenutzte Schwefelsäure und Salzsäure sollte mit Natron neutralisiert und dann mit viel Wasser in die Spüle gewaschen werden.
Results
- Bestimmen Sie, ob das Produkt rein ist. Verteilen Sie einen Teil des Produkts auf ein anzeigendes Trockenmittel, um das Vorhandensein von Methanol zu testen. Das Trockenmittel wechselt von blau nach türkis, wenn Methanol vorhanden ist.
- Tropfen Sie ein paar Tropfen 6 M HCl auf das Produkt, um zu sehen, ob es mit eventuell übrig gebliebenem NaOH reagiert. Wenn NaOH vorhanden ist, sehen Sie Blasenbildung.
- Wenn das Produkt aus Kupfer besteht, sollte es wie dunkelrotes Granulat aussehen. Wenn das Produkt schwarz ist, haben Sie es versäumt, Kupfer herzustellen, und stattdessen Kupferoxid hergestellt.
- Berechnen Sie die prozentuale Ausbeute anhand der Anfangs- und Endmasse des Kupfers. Die prozentuale Ausbeute ist das Verhältnis der tatsächlichen Ausbeute, in diesem Fall der Endmasse des Kupfers, zur theoretischen Ausbeute oder der Anfangsmasse des Kupfers, multipliziert mit 100. Es ist unmöglich, eine prozentuale Rendite von mehr als 100 zu erzielen. In diesem Fall ist ein Berechnungsfehler aufgetreten – oder das Produkt war noch nass –, was zu mehr Gewicht geführt hat.