Kupfer: Eigenschaften, Säureverhalten und Fehling’sche Lösung
Kupfer als edles Metall der Gruppe 11, sein Verhalten gegenüber Säuren und Iodid sowie Aufbau und Wirkprinzip der Fehling’schen Lösung.
Das Wichtigste in Kürze
- Kupfer ist ein Edelmetall der Gruppe 11 mit den Oxidationsstufen +1 und +2, das auch gediegen vorkommt.
- Kupfer löst sich nicht in Salzsäure, aber in konzentrierter Salpetersäure (zu \(\ce{Cu^2+}\) und \(\ce{NO2}\)) und konzentrierter Schwefelsäure (unter \(\ce{SO2}\)-Bildung, ohne \(\ce{H2}\)).
- \(\ce{Cu^2+}\) oxidiert Iodid zu \(\ce{I2}\) unter Fällung von schwerlöslichem \(\ce{CuI}\); das Iod wird mit Thiosulfat titriert.
- Die Fehling’sche Lösung besteht aus Kupfer(II)-sulfat, Kaliumnatriumtartrat, Natronlauge und Wasser und enthält einen blauen Kupfer(II)-Tartratkomplex.
- Reduzierende Stoffe wie Glucose reduzieren das Reagens zu rotbraunem \(\ce{Cu2O}\), Saccharose reagiert nicht.
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Kupfer im Überblick
Kupfer steht in der 11. Gruppe und ist ein typisches Übergangsmetall mit den Oxidationsstufen +1 und +2. Pharmazeutisch begegnet es dir vor allem in Nachweisreaktionen wie der Fehling-Probe und in der Iodometrie.
| Merkmal | Ausprägung |
|---|---|
| Stellung im Periodensystem | Gruppe 11, 4. Periode, 3d-Reihe |
| Elektronenkonfiguration | \(\ce{[Ar] 3d^{10} 4s^1}\) |
| Wichtige Oxidationsstufen | +1, +2 (in Wasser am stabilsten) |
| Vorkommen | gediegen und in Erzen |
| Eigenschaften | rötliches Edelmetall, sehr hohe elektrische und thermische Leitfähigkeit |
| Wichtige Verbindungen | \(\ce{CuSO4}\) (Lösung blau), \(\ce{CuCl}\), \(\ce{CuI}\), \(\ce{Cu2O}\) |
Kupfer als edles Metall
Kupfer leitet Wärme und Strom sehr gut. Es kommt in der Natur auch gediegen vor, also als Metall. Das liegt an seinem positiven Standardpotenzial von \(E^0(\ce{Cu^2+}/\ce{Cu}) = +0{,}34\) V (siehe Spannungsreihe).
Ein Edelmetall hat ein positives Standardpotenzial. Es kann \(\ce{H+}\) nicht zu \(\ce{H2}\) reduzieren und löst sich deshalb nicht in nicht oxidierenden Säuren.
In verdünnter oder wässriger Salzsäure bleibt Kupfer daher unverändert, es entsteht kein Wasserstoff. Oxidierende Säuren lösen es dagegen. Hier ist nicht \(\ce{H+}\) das Oxidationsmittel, sondern das Säureanion. Konzentrierte Salpetersäure bildet \(\ce{Cu^2+}\) und Stickstoffdioxid:
\[\ce{Cu + 4 HNO3 -> Cu(NO3)2 + 2 NO2 ^ + 2 H2O}\]
Konzentrierte, heiße Schwefelsäure wird zu \(\ce{SO2}\) reduziert. Auch hier entsteht kein Wasserstoff:
\[\ce{Cu + 2 H2SO4 -> CuSO4 + SO2 ^ + 2 H2O}\]
Die entstehende Kupfersulfat-Lösung ist blau, denn sie enthält den Aquakomplex des \(\ce{Cu^2+}\). Kupfer(I) bildet mit Halogenid schwerlösliche Salze: \(\ce{CuCl}\) und \(\ce{CuI}\) fallen aus Wasser aus. \(\ce{Cu^2+}\) selbst wirkt nicht reduzierend, sondern als Oxidationsmittel. Iodid oxidiert es zu Iod, wobei \(\ce{CuI}\) ausfällt:
\[\ce{2 Cu^2+ + 4 I- -> 2 CuI v + I2}\]
Das freigesetzte Iod titriert man anschließend mit Thiosulfat. So lässt sich Kupfer(II) iodometrisch bestimmen:
\[\ce{I2 + 2 S2O3^2- -> 2 I- + S4O6^2-}\]
Fehling’sche Lösung
Die Fehling’sche Lösung ist ein alkalisches Kupfer(II)-Reagens. Man mischt sie frisch aus zwei Teillösungen. Fehling I ist eine wässrige Lösung von Kupfer(II)-sulfat. Fehling II enthält Kaliumnatriumtartrat (Seignettesalz) in Natronlauge. Gemischt entsteht eine tiefblaue Lösung.
Ohne Tartrat würde \(\ce{Cu^2+}\) in der Lauge sofort als \(\ce{Cu(OH)2}\) ausfallen. Das Tartrat-Anion verhindert das. Es umgreift das Kupferion über deprotonierte Hydroxy- und Carboxylatgruppen als Chelatligand. Die reaktive Spezies ist also ein blauer Kupfer(II)-Tartratkomplex.
Die Zusammensetzung wird im Examen gerne gefragt: Kupfer(II)-sulfat, Kaliumnatriumtartrat, Natronlauge und Wasser. Achte darauf, dass Citrat, Ammoniak, Schwefelsäure, Ethanol, \(\ce{CuCl}\) und Glucose nicht dazugehören.
Auch die tiefblaue Farbe führt leicht zu Verwechslungen.
Kupfer(II)-Tartratkomplex in Natronlauge. Ligand ist Tartrat, als Chelat gebunden.
\(\ce{[Cu(NH3)4(H2O)2]^2+}\), gebildet mit Ammoniak. Er kommt in der Fehling’schen Lösung nicht vor.
Fehling-Reaktion
Die Fehling’sche Lösung weist reduzierende Substanzen nach, etwa Aldehyde. Sie selbst wirkt nicht reduzierend, sondern oxidiert die Probe. Dabei wird Cu(II) zu Cu(I) reduziert. Es fällt rotbraunes \(\ce{Cu2O}\) aus:
\[\ce{R-CHO + 2 Cu^2+ + 5 OH- -> R-COO- + Cu2O v + 3 H2O}\]
Im Reagens liegt \(\ce{Cu2O}\) also noch nicht vor. Es entsteht erst bei der Reduktion und zeigt den positiven Befund an.
Blau bleibt negativ, rotbraun ist positiv: Fehling oxidiert die Probe und wird selbst zu \(\ce{Cu2O}\) reduziert.
Glucose reagiert positiv, weil ihre offenkettige Form eine freie Aldehydgruppe besitzt. Saccharose wird dagegen nicht oxidiert. Beide anomeren Zentren sind glykosidisch verknüpft, es gibt kein freies Halbacetal. Mehr dazu unter reduzierende und nichtreduzierende Zucker.
Quiz
Aussage 1
Kupfer löst sich in konzentrierter Schwefelsäure unter Entwicklung von Wasserstoff.
Kupfer löst sich zwar, aber das Sulfat wird zu \(\ce{SO2}\) reduziert. Als Edelmetall kann Kupfer \(\ce{H+}\) nicht zu \(\ce{H2}\) reduzieren.
Aussage 2
Zur Herstellung der Fehling’schen Lösung benötigt man Kupfer(II)-sulfat, Kaliumnatriumtartrat und Natronlauge.
Fehling I enthält \(\ce{CuSO4}\), Fehling II Kaliumnatriumtartrat in Natronlauge, jeweils in Wasser gelöst.
Aussage 3
Mit Saccharose bildet die Fehling’sche Lösung keinen rotbraunen Niederschlag von \(\ce{Cu2O}\).
Saccharose besitzt kein freies Halbacetal und wirkt nicht reduzierend. Glucose dagegen reduziert Fehling zu \(\ce{Cu2O}\).
Aussage 4
Die tiefblaue Farbe der Fehling’schen Lösung beruht auf dem Komplex \(\ce{[Cu(NH3)4(H2O)2]^2+}\).
Fehling enthält kein Ammoniak. Die blaue Spezies ist ein Kupfer(II)-Tartratkomplex.
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