Prof. Blumes Tipp des Monats Juli 2009 (Tipp-Nr. 145)


Beim Experimentieren den Allgemeinen Warnhinweis unbedingt beachten.


Was ist mit den amerikanischen 1-Cent-Münzen los?

In einem früheren Tipp des Monats (Nr. 17) haben wir das schöne Experiment „Kupfer-Münzen vergolden“ und seine chemischen Hintergründe beschrieben. Um den Versuch erfolgreich durchzuführen, muss man Kupfermünzen vorher gut reinigen, dann in einer Mischung von Zinkpulver und Kalilauge kochen, gut abspülen sowie putzen (wobei sie silbrig glänzend werden) und schließlich zur Messingbildung in der heißen Bunsenbrennerflamme kurz erhitzen. Dann hat man die Münze „vergoldet“.

Wo bekommt man Kupfermünzen her? So schreiben wir in unserem Tipp:

Massive Kupfermünzen gibt es vor allem noch in den USA (1-Cent-Münzen) und - was schon aus Gründen der Reiseentfernung naheliegender ist - in England.

Das folgende Bild zeigt eine 1-Cent-USA-Auswahl aus meinem Münzentopf, in den alles hineinwandert, was so nach Auslandsaufenthalten in meinem Portemonnaie verbleibt (und was später nach Bethel bei Bielefeld „entsorgt“ wird).

Bild 1: 1-Cent-Münzen der USA. Die oberen vier stammen aus den 1990er Jahren, die unteren aus den 1970ern
(Foto: Blume)


Natürlich nimmt man zum „Vergolden“ am liebsten solche Kupfermünzen, die von vornherein blank sind. Folglich laden die glänzenden, neueren 1-Cent-Münzen der USA (dort liebevoll Penny genannt) geradezu zum Experimentieren ein.

So hat auch eine Chemielehrerin den Versuch „Münzen vergolden“ mit diesen blanken USA-Pennies durchgeführt. Zunächst ging alles gut. Die Münzen überzogen sich wie beschrieben mit dem silbrigen Zink. Aber als die Lehrerin dann die Münzen zur Umwandlung in Messing erhitzte, erlebte sie eine Überraschung: Plötzlich wurden die Münzen ganz weich und unter dem Druck der Tiegelzange deformiert („demoliert“).

Bild 2: In der Hitze demolierte 1-Cent-Münzen der USA
(Foto: Ghodsi/Sänger)


Die Erklärung ist einfach: Seit 1982 stellt man in den USA die 1-Cent-Münzen zunehmend nicht mehr aus Massivkupfer her, sondern aus dem wesentlich billigeren Zink her, welches man mit Kupfer plattiert. Das prüfen wir einmal nach.

Versuch 1: Blick in den Kern von 1-Cent-Münzen der USA
Wir wählen anhand der eingeprägten Jahreszahlen solche Münzen aus, die deutlich vor und nach 1982 hergestellt worden sind. Dann schneiden oder sägen wir die Münzen durch. Wenn man keine Geräte hat, kann man die Münzen auch kräftig ankratzen.
Ergebnis: Die alten Münzen bestehen nur aus Kupfer. Bei den neueren Münzen tritt ein silbrig glänzender Zinkkern zutage.

Bild 3: Durchtrennte 1-Cent-Münze der USA von 1993
(Foto: Blume)


Nun zur Erklärung des Verhaltens der Münzen in der Hitze
Beide Metalle unterscheiden sich vor allem in ihren Schmelzpunkten. Hier sind die Werte:

· Zink 419 °C
· Kupfer 1084 °C

Wenn man solche Münzen erhitzt, schmilzt zuerst der Zinkkern, und das geht ziemlich rasch. Mit dem Druck der Zange, mit der man die Münze in die Flamme hält, demoliert man dann das Stück entgültig.

Versuch 2: Erhitzen von 1-Cent-Münzen aus den USA
Wir wählen wieder Münzen aus, die deutlich vor und nach 1982 hergestellt worden sind.
Dann halten wir die Münzen mit einer Tiegelzange in die heiße Brennerflamme.
Ergebnis: Bei den alten Münzen passiert nichts; sie laufen aufgrund der Bildung von Kupfer(II)-oxid nur dunkel an. Die neueren Münzen dagegen werden rasch butterweich und scheinen regelrecht zu zerfließen.


Der Zinkkern hat natürlich auch Vorteile
Da der Kupfermantel sehr dünn ist und leicht verletzt werden kann, hat der Zinkkern Kontakt mit der Außenwelt. Letztlich ist das eine Metall-Anordnung, die wir vom Voltaelement her kennen. Nur handelt es sich hier um ein Kurzschluss- oder Lokalelement.

Aus diesem Grund wirkt der Zinkkern wie eine Opferanode und schützt das Kupfer vor Korrosion. Vielleicht behalten die neueren 1-Cent-Münzen deshalb so auffällig lange ihren Glanz.

Versuch 3: Durch Kupfer katalysierte Korrosion des Zinkkerns
Wir entfetten die zerschnittene oder angekratzte zinkhaltige Münze mit Ethanol. Dann legen wir sie in Leitungswasser und belassen sie einige Tage darin.
Ergebnis: Die Schnittstellen färben sich schwarz. Um und auf der Münze bildet sich ein weißer Niederschlag. Das Kupfer bleibt aber blank.

Bild 4: Die zerschnittene 1-Cent-USA-Münze aus Bild 3 nach einigen Stunden im Leitungswasser
(Foto: Blume)


Der silbrige Kern wird schon nach wenigen Stunden angegriffen. Das erkennen wir am Ergebnis von Folgereaktionen, die die Zink-Ionen betreffen: Die farblosen (weißen) Abscheidungen sind schwerlösliches Zinkhydroxid sowie Zinkcarbonat.

Hier sind zunächst die chemischen Prozesse, die bei der Korrosion ablaufen. (Wir verzichten auf die Berücksichtigung der die Reaktionsgleichungen unnötig komplizierenden Hydronium-Ionen.)


Das Kupfer wird nicht angegriffen; es spielt wie beim Volta-Element die Rolle eines Redox-Katalysators.

Wir erwarten, dass auch die Schnittstellen und Kratzer der Münze silbrig glänzend oder zumindest hell bleiben. Aber warum werden sie schwarz?

Um die Schwarzfärbung der zunächst metallisch-blanken Zinkflächen zu erklären, müssen wir wissen, dass es sich beim Zinkkern genau genommen um eine Mischung von Zink (99,2 %) und Kupfer (0,8 %) handelt. (Achtung: Oftmals wird auch der Gesamt-Kupfergehalt der 1-Cent-Münze angegeben. Der beträgt wegen der Plattierung 2,5 %.)

Wenn sich nun das Zink zersetzt, wird das fein verteilte, beigemischte Kupfer als schwarzer Rückstand sichtbar. Fein verteilte Metalle sind zunächst immer schwarz gefärbt. Denken Sie an das fein verteilte Silber bei der Schwarz-Weiß-Fotografie. Schwarzfärbung als Folge der Zersetzung einer Legierung hatten wir übrigens auch schon einmal bei der Demonstration der Einwirkung von Natronlauge auf Recycling-Aluminium beobachten können. Klicke hier (-> Versuch 4).


Zu den 1-Cent-Münzen der USA ist noch etwas nachzutragen
Diese wurden nicht nur aus Kupfer, sondern auch aus Bronze, Messing, Aluminium oder (1943) sogar aus Stahl hergestellt. (Letztere kann man mit einem Magneten finden.) Man sollte deshalb davon absehen, 1-Cent-Münzen aus den USA zu „vergolden“.

Am besten geht es mit alten deutschen 2-Pfennigstücken, denn die waren aus Massivkupfer gefertigt. Die erkennt man daran, dass sie (anders als die neueren 2-Pfennigstücke) nicht magnetisch sind. Andererseits sind diese alten unter Sammlern sehr begehrt, so dass manche Leute meinen, dass man sie nicht „vergolden“ sollte.

Zum Trost sei aber Folgendes gesagt: Mit unseren neuen Euro-Cent-Münzen funktioniert der Versuch dem Vernehmen nach auch ganz prima.


Rüdiger Blume


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Letzte Überarbeitung: 08. Januar 2012, Dagmar Wiechoczek