Frage 1

Gold und Silber lieb' ich sehr....

Glänzende Augen werden einige von euch wohl bekommen, wenn ihr an Schätze denkt. Schließlich weiß man doch, was in eine ordentliche Schatzkiste hineingehört: Mit Rubinen und Smaragden besetzte Pokale, saphirbesetzte Ringe, Perlenketten, wertvolle Stoffe, geschliffene Diamanten und natürlich Gold – jede Menge Gold! Aber ist wirklich alles Gold, was glänzt? Mit Hilfe der Chemie lässt sich da so einiges herausfinden. Gold ist ein weiches Metall von hoher Dichte und guter Wärmeleitfähigkeit. Man kann es mechanisch sehr gut bearbeiten, z. B. zu ganz dünnen Blättern auswalzen – ihr habt bestimmt schon mal vergoldete Bilderrahmen gesehen. Gold kommt in der Natur als chemisches Element vor, denkt nur an die Goldnuggets in den Western. Man kann sie mechanisch aussieben, muss also das Gold nicht erst aus einer chemischen Verbindung abtrennen. Gold war und ist begehrt. Viele andere wertvolle Dinge wurden denn auch mit Gold verglichen, z. B. wurden Porzellan oder Salz als „weißes Gold“ bezeichnet. Vom chemischen Standpunkt aus gesehen ist Gold äußerst reaktionsträge und kann von (fast) keiner Substanz aufgelöst werden. Eisen beispielsweise ist chemisch weniger beständig: Wenn ihr ein Stück Eisen im Garten liegen lasst, wird es – je nach Witterung – mehr oder weniger schnell rosten oder – wie wir Chemiker sagen - korrodieren. Ein Stück Gold dagegen würde nicht korrodieren, aber höchstwahrscheinlich geklaut werden.

Da echtes Gold so wertvoll ist, kamen die Menschen früh auf den Gedanken, das Metall zu fälschen, z.B. den Goldanteil in Goldmünzen zu senken und das Gold durch andere - weniger wertvolle - Stoffe zu ersetzen (sog. ‚Münzverschlechterung’). Dazu wurden andere Metalle mit eingeschmolzen, also Legierungen hergestellt. Dabei ändert sich natürlich das Gewicht der Münzen bei gleicher Größe: Die Dichte (Masse pro Volumen) von echten und falschen Münzen ist unterschiedlich. Der Forscher Archimedes (287 -212 v. Chr.) hat eine simple aber pfiffige Methode entwickelt, um echtes Gold von Fälschungen zu unterscheiden (s. DECHEMAX-Wettbewerb „Kunststück Chemie“).

Heutzutage werden spektroskopische Methoden eingesetzt, um unerwünschte Zusätze zu entdecken. Beispielsweise kann das zu untersuchende Stück mit Elektronen beschossen werden. Diese wechselwirken mit den Atomen in der Oberfläche und werden abgelenkt. Aus der Art und Weise, wie die Elektronen abgelenkt werden, kann man u. a. schließen, welche chemischen Elemente sich in der Oberfläche befinden. Dies kann man sogar dazu nutzen, um den geographischen Fundort zuzuordnen, die genaue Zusammensetzung ist jeweils typisch für eine geographische Region– also eine Art mineralogischer Fingerabdruck.

Frage 1 (Klassenstufe 7-11)

a) Wie nennt man chemische Elemente, die als solche in der Natur vorkommen und nicht erst aus chemischen Verbindungen aufgearbeitet werden müssen?

• gediegen
• gebogen
• verborgen

Gediegen. Dass Gold zwar sehr selten ist, aber gediegen vorkommt, ist wohl mit einer der Gründe dafür, dass Gold lange Zeit DER Inbegriff für wertvolle Substanzen war.

b) Wie heißt die Flüssigkeit, mit der auch Gold aufgelöst werden kann?

• Prinzenbrause
• Königswasser
• Kaiserlösung
  

Königswasser, eine Mischung aus drei Teilen konzentrierter Salzsäure und einem Teil konzentrierter Salpetersäure. Gold wird also oxidiert. Formal liegt eine Verbindung vom Typ H[AuCl4] vor, Tetrachloro-Goldsäure. Die entsprechenden Anionen, [AuCl4]-, heißen Aurate, von Aurum, dem lateinischen Ausdruck für Gold.

Zusatzfrage für die Klassen 9 bis 11

Dass tatsächlich nicht immer alles Gold ist, was da in der Kiste so gülden glänzt, durfte Jonas vor kurzem (unfreiwillig) feststellen: Er hatte am Fluss goldgelbe Körner gefunden und fuhr erwartungsvoll ins Mineralogische Institut der Universität, um sich seinen Gold-Fund bestätigen zu lassen. Ein wenig Säure führte dann leider schnell den Nachweis, dass es sich nicht um echtes Gold handelte: Die Körner lösten sich auf und es stank etwas.

a) Um welche Substanz handelte es sich bei dem Fund von Jonas?

Es handelt sich um Katzengold oder Narrengold. Chemisch handelt es sich dabei um Pyrit, ein Eisensulfid der Formel FeS 2 . Schwefel tritt hier in der Oxidationsstufe -1 auf, ähnlich wie Sauerstoff im Wasserstoffperoxyd H ₂ O ₂ .

b) Welches Gas entsteht, wenn man dieses vermeintliche Gold mit Säure übergießt, das so einen unangenehmen Geruch verursacht?

Mit Säure versetzt, bildet sich ein stinkendes und giftiges Gas: H ₂ S, Schwefelwasserstoff. Der Schwefel wird bei der Reaktion zum Sulfid reduziert und durch die Säure ausgetrieben. Eisen in Form von Fe(+II) wird zu Fe(+III) oxidiert.

Zusatzfrage für die Klassen 10 und 11

Da Gold meistens leider nur in kleinen Partikeln vorkommt und mit anderen Stoffen, z.B. Silber- oder Kupfererzen, vermengt ist, müssen die einzelnen Bestandteile voneinander getrennt und gereinigt werden. Um besonders reine Stoffe zu erhalten, setzt man in einigen Fällen elektrischen Strom ein: elektrochemische Raffination. Im Prinzip nehmen die Kationen einer Lösung der entsprechenden Metallsalze, z.B. CuSO 4 , an der Kathode Elektronen auf und werden dadurch zum Metall reduziert. Man muss aber durch passende Prozessbedingungen dafür sorgen, dass nur die gewünschten Kationen entladen werden – und die Stromrechnung bezahlen.

a) Nach welchem Forscher ist der Zusammenhang zwischen der Ladungsmenge und der abgeschiedenen Stoffmenge benannt?

Michael Faraday (1791-1867)

b) Welche Ladung wird benötigt, um einen Kupfer-Block der Abmessungen 5*0,89*4 cm herzustellen, wenn ihr davon ausgeht, dass Kupfer als Cu(+II) vorliegt und der Strom ausschließlich zur Reduktion der Kupferionen eingesetzt wird?

Lösung:

Die Faraday-Konstante Fd (96485 C/mol) entspricht der Ladung eines Mols Elektronen. Zur Reduktion eines Mols eines in einwertiges Kations, z. B. Ag(+I), wird genau diese Ladung benötigt. Für höherwertige Kationen, z. B. Cu(+II), muss die doppelte Ladungsmenge eingesetzt werden. Ein Kupferblock der Abmessung 5*0,89*4 cm hat ein Volumen von 17,8 cm 3 . Bei einer Dichte des Kupfers von 8,92 g/cm 3 entspricht dies einem Gewicht von 158,776 g. Mit dem Molgewicht von Kupfer von 63,54 g/mol entspricht dies gerundet 2,5 Mol Kupfer. Dazu wird nach Faraday eine Ladungsmenge von 2,5*2*96485 = 482200,3 C (= A*s) benötigt. So oder sehr ähnlich sollte euer Ergebnis aussehen, es hängt allerdings (stark) davon ab, wie ihr gerundet habt und welche Literaturwerte ihr für das Molgewicht und die Dichte von Kupfer gefunden habt.