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Die glühende Münze
Pok
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Die glühende Münze

Ein einfaches Experiment zum Thema Katalyse


Geräte:

Bunsenbrenner, Heizplatte, kleines Becherglas oder Erlenmeyerkolben, Eisendraht, Kupferdraht oder verkupfertes Geldstück, Metallplatte (obligatorisch)


Chemikalien:

Aceton (F, Xi)


Ammoniaklösung (25 %) (C, N)




Hinweis: Es ist nicht auszuschließen, dass sich Acetondämpfe entzünden. Entsprechende Vorkehrungen treffen!


Durchführung:

Ein Becherglas wird ca. 1 cm hoch mit Aceton oder Ammoniaklösung befüllt und auf eine Metallplatte gestellt, die zur Wärmeableitung dient. Ein Kupferstück oder eine verkupferte Münze wird an einem Eisendraht befestigt, mit dem Brenner auf Rotglut erhitzt und zügig in das Becherglas gehängt. Das untere Ende des Kupferstückes sollte sich dann ca. 5 mm über der Flüssigkeit befinden. Falls 25%ige Ammoniaklösung eingesetzt wird, erwärmt man das Gefäß auf einer Heizplatte zunächst auf 40 °C und dann langsam weiter auf 80 °C, sodass das Ammoniak kontinuierlich aus der Lösung ausgast. Nachdem das heiße Kupferstück in das Becherglas gehängt wurde, güht es an einigen Stellen rhythmisch auf, ohne dass sich das Aceton bzw. die Ammoniakdämpfe entzünden. Durch Zufächeln von Luft oder das Hoch- und Runterbewegen des Kupferstücks kann das Glühen verstärkt werden. Es hält fast bis zur vollständigen Verdunstung des Acetons an (bei 20 ml ca. 10-15 min) und im Falle von Ammoniak solange bis der Großteil des Gases aus der Lösung ausgetrieben wurde (bei 20 ml ca. 3-5 min). Das Gefäß heizt sich während des Versuchs auf und muss nachher noch abkühlen gelassen werden.


Erklärung:

Kupfer katalysiert die Oxidation von Aceton bzw. Ammoniak mit Luftsauerstoff. Die dabei freigesetzte Energie wird in Form von Wärme abgegeben und bringt das Kupfer zum Glühen. Durch unterschiedlich starke Zufuhr eines der beiden Reaktionspartner kommt es zu rhythmisch pulsierenden Glühzonen. Das schnelle Aufglühen scheint nur die Oberfläche der Kupferstücke zu betreffen, weil es fast ebenso schnell wieder abklingt. Die Wärme wird dann langsam an das darunterliegende Metall abgegeben. Mit einem Digitalthermometer wurden auf der Oberfläche einer 2-Cent-Münze bis zu 520 °C (Aceton) bzw. 605 °C (Ammoniak) gemessen. Die tatsächliche Temperatur liegt vermutlich aber 100 bis 300 °C darüber, was ungefähr mit der Glühfarbe übereinstimmen würde. Sehr dünne Kupferdrähte können sich angeblich bis zum Schmelzen erhitzen, was an dem großen Oberfläche/Volumen-Verhältnis liegt.

Hauptreaktion bei der Aceton-Oxidation:
2 CH3COCH3 + 3 O2 → 2 CH3CHO + 2 CO2 + 2 H2O

Es werden diverse Nebenprodukte gebildet, wie z.B. Ketene, Methan und einfache organische Säuren. Das entstehende Aldehyd macht sich durch seinen Geruch bemerkbar.

Hauptreaktion bei Ammoniak-Oxidation:
4 NH3 + 3 O2 -> 2 N2 + 6 H2O

Es können Stickoxide als Nebenprodukte gebildet werden, welche sich mit überschüssigem Ammoniak ggf. zu Ammoniumnitrat und -nitrit verbinden können. Weißer Rauch oder braune Dämpfe, welche auf diese Nebenreaktionen hindeuten würden, wurden hier aber nicht beobachtet.


Entsorgung:

Das Aceton kann wiederverwendet werden, falls Verunreinigungen der Reaktionsprodukte nicht stören. Andernfalls wird es zu den halogenfreien organischen Lösemittelabfällen gegeben. Die Ammoniaklösung wird neutralisiert und stark verdünnt ins Abwasser gegeben.


Bilder:


Befestigung der Münze durch Blumendraht


Heiße Münze über dem Aceton. Dunkle Stellen sind oberflächlich oxidiert und leuchten im Dunklen heller als der Rest.


In Dunkelheit aufgenommen - es wirkt hier heller als real. 1 Sekunde Belichtung mit ISO 400.


Gebogener, dicker Kupferdraht statt einer Münze. Man erkennt unterschiedliche Stadien der Oxidation. Links: zum Teil oxidiert, zum Teil freies Kupfer. Mitte: Kupferoberfläche reduziert. Rechts: Kupferoberfläche oxidiert und stärker glühend.


Nach dem Experiment ist die Münze schwarz, da sie nach der Entnahme aus dem Acetondampf noch kurz weiterglüht und an der Luft oxidiert.


Nach kurzer HCl-Behandlung sieht die Münze fast wie neu aus. Katalysatoren kosten Geld (hier 2 Cent). Man kann sie nach der Reaktion wieder unverändert wiedergewinnen.


Zeitlupe des rhythmischen Glühens


Videos:




Ähnliches Video mit Ammoniaklösung und einer Kupferkette:




Quellen:

Aceton-Oxidation:
http://weirdscience.eu/%C5%9Awiec%C4%85ca%20blaszka%20-%20katalizator%20miedziowy.html
http://lecturedemos.chem.umass.edu/chemReactions5_4.html
http://www.chemieunterricht.de/dc2/grundsch/versuche/gs-v-090.htm ("Der leuchtende Kupferdraht")

Ammoniak-Oxidation:
http://www.chem.umass.edu/demonstrations/chemReactions5_4.html
http://lulelaboratory.blogspot.tw/2012/12/a-light-bulb-without-electricity.html
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Super!

Mit Ammoniak kenne ich noch eine Variation: Einen großen Steh- oder Erlenmeyerkolben mit Weithals mit so viel 25%igen Salmiakgeist befüllen, dass nur der Boden gerade bedeckt ist und erwärmen, bis der Ammoniak sich gut im Gefäß verteilt. Dann Chromsäure-Kristalle einwerfen. Gibt nen prima Feuerwerk im Gefäß. Mr. Green

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Schönes Experiment!
Die 2-Cent Münze mit ihrer Rille eignet sich ja ideal zum Befestigen Smile
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Fingers Anhänger haben da auch schöne Acetonlampen gebaut:
http://fingers-welt.de/phpBB/viewtopic.php?f=14&t=2356&hilit=Acetonlampe&start=25

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Sehr gut dokumentierter Versuch!
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Ich habe das Experiment heute nachgemacht und zwar in Form der "Acetonlampe", die in dem o.a. link gezeigt wird. Zum Glück hatte ich ein paar durchgebrannte Glühbirnen da (aus denen ich irgendwann mal die Glühwendeln herauspräparieren wollte). Von 6 Birnen gingen vier kaputt, bei zweien schaffte ich es, den Glaskolben unversehrt vom Sockel abzutrennen.

Hier eine "Acetonlampe" mit einer einfachen Spirale aus Kupferdarht (0,5 mm stark) in einer Aufhängung ebenfalls aus Kupferdarht (1,5 mm):



Beide "Lampen" einmal mit einem 1-cent-Stück und einmal mit einem Herz aus Kupferdraht (0,5 mm)



Das geht wirklich erstaunlich gut. Die Münze leuchtet heller, wenn sie nicht zu dicht über dem Aceton hängt. Dünne Drahtfiguren hängt man dagegen besser dicht über der Flüssigkeitsoberfläche auf. Das Glühen hält mit 2-3 ml Aceton im Glaskolben 10-15 Minuten an. Nachteilig ist nur, daß der gebildete Acetaldehyd schlecht riecht und ziemlich giftig ist.

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