Klasse 9d auf den Spuren John Daltons

von Carl-Jürgen Bautsch

Bei der Dokumentation halfen mit: Franziska Schnoor, Eike Donker und Tobias Demian.

Die einfache Synthese von Kupfer und Schwefel bietet für Mittelstufenschüler die Möglichkeit, chemische Grundgesetze am Schülerversuch kennen zu lernen. Es wird vorweg die Masse eines Kupferblechs bestimmt, die Synthese mit Schwefel (im Überschuss) durchgeführt und das Produkt erneut gewogen. Vor über 200 Jahren hat John Dalton solche Versuche durchgeführt, um den Gesetzen der Massenverhältnisse bei chemischen Reaktionen auf die Spur zu kommen. Das Nachvollziehen solcher Messungen bietet mehrere didaktische und methodische Vorteile:

Es hat sich bewährt, die denkbaren Versuchsergebnisse in einer Vorbereitungsstunde anhand der Werteverteilung in einem XY-Diagramm zu diskutieren:

Zur Vorarbeit gehört auch die Demonstration des Versuches durch den Lehrer. Bei genügend Zeit können die Kupferbleche schon abgewogen und die Reagenzgläser mit etwas Schwefelblüte gefüllt werde.

Am Ende der Schülerpraktikums kommt das Programm des Arbeitskreise Computer im Chemieunterricht (AK) "UNIAUS für Windows" zum Einsatz. Die Schüler tippen ihre Meßwerte ein. Es kann auch eine elektronische Waage mit Interface zum Computer für diesen Versuch eingesetzt werden. Das bietet aber gegenüber dem Eintippen der Daten kaum Vorteile. In einer Auswertungsstunde erarbeiten die Schüler im Computerraum das Diagramm mit der Regressionsgeraden. Sie sollen geschickte Achseneinteilungen wählen, die Geradenfunktion berechnen und zeichnen lassen sowie das ganze sinnvoll beschriften. Natürlich soll auch die Wahl der Hintergrundfarben usw. nicht zu kurz kommen. Es wird für jeden Teilnehmer schließlich ein farbiges Diagramm für sein "Laborjournal" ausgedruckt und im Sinne der o.g. Thesen diskutiert.

Versuchsdurchführung:

Material: Schwefelblume, Kupferblech, Reagenzglas, Reagenzglashalter, Schere, Pinzette, genaue Waage, Spatel, Brenner

In das RG wird ca. cm hoch Schwefel eingefüllt. Ein etwa 1 bis 2 cm breites und 2 bis 5 cm langes Stück Kupferblech wird ausgeschnitten, die genaue Masse bestimmt und im oberen Teil des waagerecht gehaltenen RGs positioniert. Zunächst wird das Kupferblech etwas vorgewärmt, dann der Schwefel kräftig erhitzt. Beim Sieden wird dann auch abwechselnd das Kupferblech hoch erhitzt bis es - umgeben vom Schwefeldampf - rot durchglüht. Nach erfolgtem Umsatz soll der Schwefel erkalten während das Reaktionsprodukt noch weiter erhitzt wird! Das verhindert die Resublimation von Schwefel auf dem Produkt.
Das noch heiße Syntheseprodukt wird wiederum gewogen. Unter zwei Vorraussetzungen sind die Daten verwertbar: Es darf sich im Inneren kein unumgesetztes, biegsames Kupfer mehr befunden haben und es dürfen keine Schwefelreste anhaften (ergibt zu niedrige/hohe Massen!).

Beobachtungen:
Der Schwefel wird flüssig und zunehmend dunkelbraun bis er siedet. Weiter oben sammeln sich Ablagerungen. Das Kupferblech wird nahezu schwarz und glüht plötzlich auf. Die Glut setzt sich durch das ganze Blech fort. Der überschüssige Schwefel erkaltet zu einer braunen Masse. Das Produkt ist blauschwarz - glänzend und porös.

Tabelle mit den Messergebnissen vom 19.12.1997, Klasse 9d

Versuch Nr.:

Masse Kupfer [g]

0,35

0,50

0,24

0,80

0,14

0,30

0,35

0,30

0,19

0,21

0,42

0,74

1,04

0,27

Masse Kupfersulfid [g]

0,57

0,68

0,33

0,95

0,19

0,47

0,49

0,39

0,25

0,27

0,51

0,94

1,22

0,33

Die Regressionsgerade der Werte zeigt unter Berücksichtigung des Nullpunktes die Funktion y = 1,255x an. Die Korrelation ist mit 0,96 brauchbar. Das Massenverhältnis Kupfer zu gebundenem Schwefel lautet also etwa 1Cu : 0,255S.
Die Schüler haben meist nach einem halben Jahr Chemieunterricht noch keine Erfahrungen mit der Ermittlung der Teilchenverhältnisse in festen Verbindungen. Auch Dalton kam seinerzeit vielfach zu falschen Relationen bei der Bestimmung der Massenverhältnisse zwischen den Elementen, weil er diese Zusammenhänge noch nicht untersucht hatte oder sie zu seiner Zeit überhaupt noch unbekannt waren. Später konnten seine Massenangeben (z.B. für Sauerstoff) verbessert werden. Hier muss nun im Unterricht die Information eingebracht werden, dass sich immer zwei Anteile Kupfer an einen Anteil Schwefel binden. Mit 2 dividiert korrigiert sich so die Kupfermasse auf 0,5Cu : 0,255S oder 1Cu : 0,510S. Damit stellt sich heraus, dass die Kupferteilchen ungefähr doppelt soviel Masse aufweisen wie die Schwefelteilchen.

Die Orientierung der Messergebnisse, sprich Punkte an einer Geraden wird bei diesem Versuch immer deutlich. Das zeigen Vergleiche mit den Messergebnissen mehrerer Jahrgänge. Das Gesetz der konstanten Proportionen kann also an den Messergebnissen erkannt werden. Wird der Schwefel aber nicht ausreichend vor erhitzt, so scheinen Konkurrenzreaktionen abzulaufen, die zu stöchiometrisch unklaren Gemischen führen. Generell besteht das Problem einer zu großen Massenzunahme (z.B. 1Cu : 0,3S). Die Oxidbildung als Ursache scheidet aus, da Kupfer-II-oxid mit 1Cu : 0,252S nahezu die gleiche Massenrelation hat, wie Kupfer-I-sulfid und Kupfer-I-oxid sogar niedrigere Massenzunahmen bewirken würden (1 Cu : 0,125). Auch die Röstreduktion mit Sauerstoff sollte hier nicht stören, weil sie nicht zu niedrigeren Massenzunahmen führen kann. Als Konkurrenzreaktion ist also die Bildung des schwarzen Kupfer-II-sulfides mit einer Massenzunahme von 1Cu : 0,504S zu vermuten. Ein entscheidender Effekt könnte aber auch von der Resublimation gasförmigen Schwefels in der Abkühlphase auf dem Produkt ausgehen. Die Schüler sollten also im Umgang mit Reagenzglas und Bunsenbrenner geübt sein und sich genau an die Durchführungs - Tipps halten!
Eine erhebliche didaktische Verbesserung ergäbe sich natürlich, wenn Bedingungen geschaffen würden, die zu einer Kupfer-I-sulfidsynthese also im Teilchenverhältnis 1 : 1 führten.