Benutzer:BirgitLachner/Chemie-Buch I zum Lehrplan in Rheinland-Pfalz/Vom Erz zum Metall/Das Geheimnis der Kupfergewinnung

Aus ZUM-Unterrichten
Wechseln zu: Navigation, Suche


Ötzi und das Kupferbeil

1991 war der Fund einer Mumie in einem Gletscher in Südtirol eine echte Sensation. Mithilfe der C-14-Methode wurde der Todeszeitpunkt des Mannes auf zwischen 3359 und 3105 v. Chr. bestimmt und das Alter der Mumie ist damit heute circa 5250 Jahre.

Das Besondere an Ötzi (wie der Mann wegen Fund in den Ötztaler Alpen genannt wird) war, dass neben der Leiche außer Bekleidungsresten auch zahlreiche Alltags- und Gebrauchsgegenstände aus dieser steinzeitlichen Epoche gefunden wurden. Unter anderem ein vollständig erhaltenes Kupferbeil. Die Klinge besteht zu 99 % aus Kupfer, das man südtoskanischem Erz gewonnen haben musste. Kupferne Beilklingen mit gleichem Alter wurden schon einige gefunden, aber Ötzis Beil ist das einzige, das geschäftet erhalten ist, also in einem Schaft befestigt ist, der die Handhabung vereinfachte. Mit diesem Beil war es wohl auch möglich, Bäume zu fällen.

Ötzi könnte ein angesehener und wohlhabender Mann gewesen sein, da Kupfer zu dieser Zeit sehr wertvoll war. Allerdings waren solche Kupfergegenstände nur begrenzt für anstrengende Tätigkeiten einsetzbar, da Kupfer in kaltem Zustand verbiegt und damit schnell abstumpft. Eventuell war damit die Axt auch nicht wirklich zum Fällen von Bäumen geeignet, sondern eher als Waffe.

Wenn man das Metall Kupfer in einer Mischung von 90 % Kupfer und 10 % Zinn schmilzt, erhält am als Legierung Bronze, die weitaus härter als Kupfer ist. Diese zeitgeschichtliche Epoche heißt Bronzezeit, da zu dieser Zeit Metallgegenstände überwiegend aus Bronze hergestellt wurden. Diese Epoche umfasst in Mitteleuropa etwa den Zeitraum von 2200 bis 800 v. Chr.

Der damals "neue" Werkstoff führte zu erheblichen Änderungen in der teilweise noch steinzeitlich geprägten Gesellschaft. So mussten die bronzezeitlichen Kulturen, neben Essen auch eine „Metallurgiekette“ organisieren, was zu gravierenden Veränderungen in der Gesellschaftsstruktur führte. Der Zugang und die Beherrschung der Ausgangsstoffe (Kupfererzvorkommen) aber auch spezielle Berufe (Metallurgen, die wussten, wie man Kupfer/Bronze herstellte oder reisende Händler) führte zur Herausbildung einer Oberschicht und damit vermutlich zur Ausbildung verschiedener sozialer Schichten mit auch vererbbaren Führungspositionen.

Mit Bronze war es erstmals möglich, Reichtum anzuhäufen, welcher auch leicht transportierbar war. So wurden Bronzebarren wurden als Zahlungsmittel eingesetzt. Die Entstehung von stark befestigten Siedlungen und die Erfindung des Schwertes werden oftmals als Hinweis auf eine Zunahme kriegerischer beziehungsweise räuberischer Auseinandersetzungen gedeutet. Die ungleiche Verteilung der Metallerzvorkommen, insbesondere das für die Herstellung der Bronze wichtigen aber damals sehr seltenen Zinn, führte zu einem davor nicht vorhandenen Handelsnetz, wodurch neben den Waren auch kulturelle Ideen verbreitetet wurden. Damit lässt sich auch erklären, warum die "Erfindung" der Bronze die Entwicklung der Menschheit so beschleunigte.


AUFGABE 1
Der folgende Film Die Minen des Hephaistos - Hightech in der Kupferzeit versucht zu erklären, wie die Steinzeitmenschen die Kupfer- bzw. Bronze-Produktion erfunden. Sinnvoll ist, bis zu Minute 9:30 zu schauen und von Minute 29:00 bis 32:30. Zwischendurch und danach wird die große Bedeutung des Kupfers zur damaligen Zeit betrachtet, wobei es aber weniger um Chemie geht.

Vorkommen von Kupfer in der Natur

Im Film habt ihr bereits erfahren, dass man Kupfer durchaus als reines Element (gediegen) finden kann. Viel häufiger trifft man es jedoch als Mineral an. Hier ein paar Bilder.

Die Kupfergewinnung in der Steinzeit

Wir betrachten als Beispiel die Gewinnung von Kupfer aus Kupfersulfid. Als Vorbereitung führen wir die Herstellung von Kupfersulfid selber durch und betrachten die Reaktion auch energetisch.


AUFGABE 2

Energiebetrachtung bei der Herstellung von Kupfersulfid

a.) Fertige unter der Überschrift dieser Aufgabe eine Skizze zum Versuchsaufbau an und beschrifte sie.

b.) Beschreibe kurz die Durchführung des Experimentes

c.) Beschreibe alle Beobachtungen während der Reaktion und nachdem das Reagenzglas geleert wird. Wie man sich den Ablauf Reaktion in einer Simulation vorstellen kann.

d.) Halte in einem Energiediagramm fest, wie die Reaktion abläuft.


EXPERIMENT Herstellung von Kupfersulfid
Blabla


AUFGABE 3

Kupfersulfid ist eine Ionenverbindung. Da Kupfer nicht ein Element der Hauptgruppen ist, kann man die Ionenladung nicht mit Hilfe der Periodensystems bestimmen. Die Nebengruppennummern kann man leider nicht verwenden.

ABER: Aus der CuS lässt sich ableiten, wie die Ladung beim Kupfersulfid sein muss. Schreibe dazu die Dissoziationsgleichung von CuS auf.

Das Kupfersulfid ist ja eine Verbindung, die wir sogar schon einmal selber hergestellt haben. Zur Erinnerung noch mal ein Film, in dem man die Reaktion beobachten kann. Das Wesentliche bei der Reaktion ist, dass sie exotherm ist, dass heißt es wird Energie frei.

Will man die Reaktion rückgängig machen, also etwa aus Kupfersulfid wieder Kupfer gewinnen, so muss man also Energie hineinstecken. Die Reaktion zur Trennung des Kupfersulfids ist also exotherm. Und obwohl die Energie, die bei der Synthese des Kupfersulfids frei wird, relativ gering ist (im Vergleich etwa zum Magnesium), fällt es einem doch nicht leicht, genügend Energie aufzubringen, um das Kupfersulfid zu zerlegen. Trotzdem haben es die Menschen der Steinzeit geschafft, durch zuerst zufällige Beobachtungen und dann immer mehr gezieltes Probieren, das Kupfersulfid zu zerlegen.

Wie war das noch mal mit der Energie?

  • Bei der Reaktion von Kupfer mit Schwefel wird ja Energie frei. Das kann man hier in dem UbuntuStudio-Icons-Video Production.svg Video sehen.
  • Also muss man umgekehrt Energie aufbringen, um das Kupfersulfid in die Elemente zu zerlegen.

Woher kommt diese Energie?

  • Früher gab es keine andere Möglichkeit, als durch eine andere chemische Reaktion die notwendige Energie aufzubringen.
  • Heute kann man auch elektrische Energie, was wir später auch noch machen werden.

Doch speziell bei der Nutzung "Chemischer Energie" gibt es noch bestimmte Aspekte zu betrachten, die wichtig für die Kupfergewinnung ist.

Die Gewinnung von Kupfer im sogenannten Röstverfahren geschieht unter Verwendung von Kohle. In einer Vorstufe wird das Kupfersulfid unter Anwesenheit von Sauerstoff erhitzt, wobei folgende Reaktion stattfindet.

  • Kupfersulfid + Sauerstoff → Kupferoxid + Schwefeldioxid ↑
Das Schwefeldioxid, ein gasförmiger Stoff, kann entweichen (das bedeutet der Pfeil ↑), muss aber wegen seinem Beitrag zum sauren Regen aus den Abgasen ausgewaschen werden.

Anschließend findet eine Reaktion des Kupferoxids mit Kohlenstoff statt und man erhält das reine, elementare Kupfer:

  • Kupferoxid + Kohlenstoff → Kupfer + Kohlenstoffdioxid
Siehe auch Video zur Reaktion von Kupferoxid mit Kohlenstoff: UbuntuStudio-Icons-Video Production.svg [1]


AUFGABE 4
  • Die letzte Reaktion, zur Gewinnung des elementaren Kupfers, kann in zwei Teilreaktionen zerlegt werden. Haltet beide Teilreaktionen als Reaktionsschema einzeln fest.

Tipp 1:

  • Eine Reaktion ist das "Entfernen" des Sauerstoffs vom Kupfer
  • Die zweite Reaktion hat Kohlenstoff als Edukt.

Tipp 2: Haltet für beide Reaktionen die bekannten Edukte bzw. Produkte fest und ergänzt notwendige aber noch fehlende Produkte/Edukte.

  • Welche der Teilreaktionen ist exotherm und welche ist endotherm? Zeichnet jeweils Energiediagramme zu beiden Teilreaktionen.
  • Jede einzelne Teilreaktion unterstützt jeweils die andere Teilreaktion. Überlegt wie dies geschieht!

Neue Begriffe zu Redoxreaktionen

Reaktionen der Art, bei der man zwei Teilreaktionen formulieren kann, die sich gegenseitig unterstützen, sind nicht Ungewöhnliches. Sie werden in verschiedenen chemischen Prozessen angewendet. Wir werden im Laufe des Chemie-Unterrichts weitere davon kennenlernen.

Die grundlegenden Ideen sind dabei immer die gleichen, so dass man spezielle Begriffe verwendet, um sie ohne Umwege beschreiben zu können.

Vorlage:Buch


AUFGABE 5

Erarbeite aus dem Buch heraus die Definitionen für die folgenden Begriffe ...

  • Oxidation
  • Reduktion
  • Redoxreaktion
  • Reduktionsmittel
  • Oxidationmittel
und wende die Begriffe auf die Reaktion zur Gewinnung von Kupfer an.


AUFGABE 4

Beschreibe, warum die Kupfergewinnung mit der betrachteten Reaktion möglich ist und verwende dabei die neu erlernten Begriffe.

Tipp :Denke an die Fragen, die in der Aufgabe 2 gestellt wurden. Die Antworten können teilweise direkt verwendet werden.

UbuntuStudio-Icons-Video Production.svg Video mit einer vollständigen Erklärung zur Gewinnung von Kupfer aus Kupferoxid mit Hilfe von Kohlenstoff.

Übungen zu den Redoxreaktionen

Moderne Kupfergewinnung

Heute wird Kupfer nicht mehr durch das Rösten und mit Hilfe von Kohle gewonnen.

Eines der weltweit größten Kupferproduzenten ist Chile. Und dort, bei der Stadt Chuquicamata, gibt es größten Kupfer-Tagebau der Welt. Chuquicamata ist eine Stadt in der Atacama-Wüste im Norden Chiles. Der Tagebau ist ungefähr 4.300 m lang und 3.000 m breit und bis 1000 Meter tief.

Chuquicamata panorama.jpg
ELECTROWINNING REFINING PLANT, PART OF ARIZONA'S EXTENSIVE COPPER INDUSTRY - NARA - 544053.jpg

Die Kupferproduktion ist der größte Umweltverschmutzer im Umkreis. Die Arsen und andere giftige Chemikalien enthaltenden Abwässer wurden jahrzehntelang direkt in die Wüste entsorgt und verseuchten die Landschaft. Auf einer Rundreise durch Chile und Argentinien konnte ich mir den Tagebau selber anschauen und man bekam auch einen Einblick in die großen Hallen, wo die Elektrolyse in vielen tausend Becken nebeneinander stattfindet. Der Strombedarf ist gigantisch.

Zur Erinnerung:

WIEDERHOLUNG Elektrolyse
Die Elektrolyse ist die Zerlegung einer Verbindung mit Hilfe von Strom.


AUFGABE 6

Hier zwei Videos, bei denen die Elektrolyse gezeigt wird. Dabei werden aber nicht Kupferoxid oder Kupfersulfid zerlegt, da beide nicht so gut im Wasser löslich sind.

  1. UbuntuStudio-Icons-Video Production.svg Elektrolyse von Kupferchlorid
  2. UbuntuStudio-Icons-Video Production.svg Elektrolyse von Kupfersulfat (englisch)

Aufgabe: Betrachte beide Videos. In beiden Videos kann man an einer der Elektroden das gebildete Kupfer erkennen. Im ersten erhält man bei der Zerlegung von Kupferchlorid noch Chlor (Endung -chlorid → Chlor). Dies wird nachgewiesen, indem das entstandene Gas in eine Iodid-Lösung eingeleitet wird, die sich daraufhin bräunlich färbt.

  • Halte als Überschrift fest: "Elektrolyse von Kupferchlorid"
  • Schreibe für die Elektrolyse von Kupferchlorid das Reaktionsschema (!!) auf schreibe dahinter, ob die Reaktion exo- oder endotherm ist.
  • Zeichne das passende Energiediagramm mit Zeit dazu.

Abschlusskontrolle

Vorlage:SelbstKontrolle

Ein Multiplechoice-Test zum Video allgemein

Im Video sind zwei Reaktionen zu beobachten. Welche sind es? (Die Oxidation von Kupfer) (!Die Reduktion von Wasserstoff) (Die Redoxreaktion von Kupferoxid mit Wasserstoff) (Die Redoxreaktion von Kupfer mit Wasser)

Für die erste Reaktion wird Kupfer erhitzt. Dann findet eine Reaktion mit Sauerstoff aus der Luft statt. Wie nennt man diese benötigte Energie? (!Exotherme Energie) (Aktivierungsenergie) (!Freiwerdende Energie) (!Redoxenergie)

Ist die Reaktion exotherm oder endotherm? (!endotherm) (exotherm) (!keines von beiden)

Vorlage:Tipp

Zwei Reaktionen finden hier also statt:

  • Die Oxidation von Kupfer
  • Die Redoxreaktion von Kupferoxid mit Wasserstoff


AUFGABE 7
Gib die Reaktionsschemata für beide Reaktionen an. Vorlage:Tipp Vorlage:Tipp




Betrachtung der Energie