De gouden cent

Datum: Maart 2006

Principe:

Schijnbare transmutatie met koperen 1 ct muntjes.

Materiaal:

  • Zink korrels (Zn)
  • Koperen 1ct muntstukjes
  • Bekerglas 150 ml
  • Horlogeglas
  • Roerstaaf
  • Natronloog (NaOH)
  • Kroezentang
  • Bunsen brander
  • Driepoot
  • Spiritusbrander
  • Azijnzuur - huishoud
  • Spatel
  • Glazen bakje
  • Tissues

Uitvoering:

  • Maak een 25 ml oplossing van 3-6 M NaOH in het bekerglas van 150 ml.
  • Leg er enkele zink korrels in mbv een spatel (let erop dat de loog niet op je handen of in je gezicht spat)
  • Plaats het bekerglas op de driepoot, leg het horlogeglas erop, plaats de spiritusbrander eronder en steek deze aan.
  • Roer regelmatig even met de roerstaaf
  • Maak ondertussen de munten schoon door ze in een bakje met azijnzuur te leggen. Zorg ervoor dat ze niet op elkaar liggen en draai ze ook om.
  • Haal, als de doffe kleur verdwenen is, de muntstukken met de tang uit de loog oplossing, spoel ze even af onder de kraan en leg ze vervolgens in de zink/loog oplossing.
  • Observeer.
  • Draai de muntstukken ook om zodat ze egaal verkleurd zijn.
  • Haal de muntstukken na 5-10 min met de tang uit de zink/loog oplossing, spoel ze voorzichtig af onder de kraan en droog ze met de tissues. 
  • Probeer te vermijden dat je de muntstukken met je vingers aanraakt.
  • Steek de bunsen brander aan.
  • Pak een muntstuk vast met de tang en houdt het in de vlam.
  • Observeer.

Resultaten:

Onbehandelde munten 
Zink/loogoplossing maken
Munt erin

Na enkele minuten zien we dat de munten een zilverachtige kleur gekregen hebben.

Voor en Na "verzilveren"

Ik kwam helaas een hand tekort om de foto's te maken terwijl de munt in de brandervlam gehouden wordt. We zien echter dat de muntstukken nu een goudachtige kleur verkrijgen.

Eindresultaat
Om te kijken of het het resultaat goed te bewaren is heb ik de munten ingesealed.

Discussie en conclusie:

Het lijkt wel alsof we van de koperen munt eerst een zilveren munt maken en deze vervolgens weer omzetten naar een gouden munt. De droom van de alchemisten, de transmutatie van de elementen, gerealiseerd. Helaas is dat dus niet wat er gebeurd.

We kunnen drie stappen onderscheiden in het hierboven uitgevoerde experiment:
Stap 1: Het oplossen van Zn in loog onder vorming van het zincaat-ion [Zn(OH)4]2-
Stap 2: Het reduceren van het zincaat-ion tot metallisch zink op het oppervlak van de koperen cent
Stap 3: De vorming van messing in de hete vlam van de bunsenbrander.

Stap 1 en Stap 3 zijn makkelijk te verklaren.

De eerste stap die we uitvoeren is een beetje zink oplossen in loog volgens onderstaande elektrochemische reaktie:

Zn + 4OH-   <=>  [Zn(OH)4]2- + 2e E = +1.23 V
2H2O + 2e  <=>  H2 + 2OH- E = -0.83 V
------------------------------------------------------
Zn + 2OH- + 2H2 <=>  [Zn(OH)4]2- + H2 E = 0.4 V

In de derde stap wordt messing, een legering,  gevormd door het verhitten van de met zink gecoate koperen muntstuk. Dit is een typisch voorbeeld van het maken van een legering bij hoge temperatuur.

De tweede stap is de reductie van de [Zn(OH)4]2- ionen naar zink metaal dat zich afzet op het koperen oppervlak van de cent. Deze stap is iets complexer dan ze op het eerste gezicht lijkt. Als men zich er makkelijk vanaf wil maken dan poneert men dat het zincaat-ion gereduceerd wordt tot een zinklaagje op het koperoppervlak. Hiermee suggererend dat het koper verantwoordelijk is voor de reductie. Elke elektrochemicus gaat dan echter onmiddellijk stijgeren. Koper is edeler dan zink hetgeen deze reactie in principe onmogelijk maakt. Volgens de Holleman kan men een zink-koper-paar maken door zinkgranulaten met kopersulfaat te laten reageren volgens: 
Zn + Cu2+ --> Zn2+ + Cu

De vraag die men zich hier dan moet stellen is welke reductor verantwoordelijk is voor de reductie van het zincaat-ion tot zink?

Het water zelf kan het niet zijn omdat bij deze pH het zink geoxideerd wordt door het water. Szczepankiewicx et al hebben dit uitgebreid onderzocht en zijn tot de conclusie gekomen dat het reducerende element in dit proces het zink zelf is en dat de drijvende kracht is gerelateerd aan het verschil in reductiepotentiaal van het zincaat-ion op verschillende oppervlaktes als gevolg van lage-temperatuur legeringsvorming.

Eerst toonden ze aan dat de reductiepotentiaal van het zincaat ion sterk be´nvloedt wordt door het oppervalk waarop de reductie plaatsvindt. Een stijging van de reductiepotentiaal kan verklaard worden als de zink atomen in het rooster van het edeler metaal diffunderen waardoor een zink legering gevormd wordt. 

ZnZn + Zn2+(aq) --> Zn2+(aq) + ZnCu

ZnCu is echter een andere manier om messing op te schrijven en hierboven poneerden we dat we dat pas in de derde stap maakten. Er zijn echter verschillende vormen van messing en de kleur daarvan is afhankelijk van het zink gehalte. Een vorm, a-messing genaamd is goudkleurig als het zinkgehalte < 35% is. Een andere vorm, g-messing genaamd is zilver-grijskleurig als het zinkgehalte > 45% is. Het duurt inderdaad enige tijd voordat de zilverkleur gevormd is hetgeen klopt met het gegeven dat diffusie een langzaam proces is bij een lage temperatuur. Het duurt enige tijd om een voldoende hoge zink concentratie op te bouwen om de zilverkleurige messing te verkrijgen.

Ik heb dit nog eens nagezocht in van Erp en daar gevonden dat men de messinggroep kan onderscheiden in:
1. Zn gehalte ca. 15%: roodmessing, similor of tombalk
2. Zn gehalte 20-35%: gewone messing of geelkoper
3. Zn gehalte ca. 40%: yellowmetaal
4. Zn gehalte ca. 45%: bathmetaal of witmessing
5. Zn gehalte 50 - 60%: hardsoldeer.
De naamgeving spreekt al voor zich en correspondeert met hetgeen hierboven is besproken.

Op basis van dit mechanisme kan men concluderen ook dat het niet noodzakelijk is om zincaat ionen te maken om de reductie van zink te laten plaatsvinden. Ze hebben dit vervolgens aangetoond door het granulaire zink in een ZnCl2 oplossing te plaatsen hetgeen ook resulteerde in verzinking van een koperen cent. 

Opmerkingen:

  • Men kan de muntstukken ook met een schuursponsje schoonmaken, maar de hierboven beschreven methode is makkelijker.
  • Men verwart messing wel eens met brons. Brons is echter een koper-tin legering.
  • In de alchemistische benadering van dit experiment stelt de loogoplossing "water" voor, de zinkgranules de "aarde" en het verwarmen van de munt het "vuur".

Literatuur:

  • Steven H.Szczepankiewicz, Joseph F. Bieron, Mariusz Kozik; "The Golden Penny Demonstration"; Journal of Chemical Education; 72 5 1995; p. 386-388.
  • Sheryl Dominic; "Gold Pennies"; Journal of Chemical Education; 72 5 1995; p. 389-390.
  • I.A. Leenson; "More Experiments in the Penny lab"; Journal of Chemical Education; 75 11 1998; p. 1385.
  • A.F. Holleman, Nils Wiberg; 'Lehrbuch der Anorganische Chemie'; de Gruyter; 91-100 Ed.; 1985; p. 996-1009, 1034-1041.
  • Dr. H van Erp; 'Beginselen der Chemie - Tweede deel'; van Dishoeck; 1904; p. 168,169.

Relevante websites:

Achtergrondinformatie:

Legeringen 

Een legering is een materiaal dat is opgebouwd uit verschillende elementen en tevens karakteristieke metaaleigenschappen heeft. Door een legering te maken is het mogelijk om de eigenschappen van de pure materialen te wijzigen. Zuiver goud bv is te zacht om in juwelen gebruikt te worden terwijl een legering van kopen en goud hard is. In juwelen gebruikt men meestal 14 karaats goud (14/24 karaat=58% goud).  

Men kan drie types legering onderscheiden:
1. Oplossingslegeringen:
    Homogene mengsels waarin de verschillende componenten willekeurig en
    uniform verdeeld zijn. 
    Als de atomen van het ene metaal op plaatsen kan gaan zitten waar normaal de atomen van
    het andere metaal zitten spreken we van substitutionele legeringen. 
         Voorbeeld: zilver/goud legeringen.
    Als de atomen van het ene metaal de ruimte tussen de atomen van het andere metaal kan
    opvullen spreekt men van een interstitiale legering.
         Voorbeeld: staal is een legering van koolstof en ijzer.
2. Heterogene legeringen:
    In heterogene legeringen zij  de componenten (zoals het woord al zegt) niet homogeen
    verdeeld. In het algemeen kan men stellen dat de eigenschappen van een heterogene
    legering niet alleen bepaald worden door de samenstelling maar ook door de manier waarbij
    het metaal zich gevormd heeft bij het vast worden van het gesmolten mengsel.
         Voorbeeld: Pearliet staal is opgebouwd uit twee verschillende fases van Fe en Fe3C
                        (cementiet) in afwisselende lagen 
3. Intermetallische verbindingen:
    Homogene legeringen met specifieke eigenschappen en samenstelling. 
         Voorbeeld: Duraluminium, CuAl2, wordt gemaakt van koper en aluminium.


15-01-2017