Praktikum Qualitative analytische Chemie - Exam

Aufgabe 1)

Die qualitative analytische Chemie ist ein wesentlicher Bestandteil der praktischen Chemieausbildung. Die Hauptziele umfassen die Identifikation von chemischen Verbindungen und Elementen in einer Probe durch Bestimmung der chemischen Zusammensetzung und Verwendung von Nachweisreaktionen. Je nach Methodik kann zwischen makro-, mikro-, und semimikro-Analysenmethoden unterschieden werden. Zu den wichtigsten Verfahren gehören Fällungsreaktionen, Farbreaktionen und Flammenfärbung, welche in verschiedenen Bereichen wie der Umweltanalytik, medizinischen Diagnostik und Materialwissenschaften Anwendung finden.

a)

Angenommen, Du erhältst eine unbekannte wässrige Probe und sollst qualitative Nachweisreaktionen durchführen, um die Anwesenheit von Chlorid (Cl⁻) und Sulfat (SO₄²⁻) Ionen zu bestimmen.

• (a) Beschreibe ausführlich die Nachweisreaktion für Chlorid (Cl⁻)-Ionen unter Verwendung von Silbernitrat (AgNO₃). Was passiert, wenn Chlorid-Ionen vorhanden sind und wie kann das entsprechende Ergebnis interpretiert werden?
• (b) Erkläre den Ablauf der Nachweisreaktion für Sulfat (SO₄²⁻)-Ionen mit Bariumchlorid (BaCl₂). Wie lautet die Reaktionsgleichung? Welche Beobachtungen lassen auf das Vorhandensein von Sulfat-Ionen schließen?

Lösung:

Die qualitative analytische Chemie ist ein wesentlicher Bestandteil der praktischen Chemieausbildung. Die Hauptziele umfassen die Identifikation von chemischen Verbindungen und Elementen in einer Probe durch Bestimmung der chemischen Zusammensetzung und Verwendung von Nachweisreaktionen. Je nach Methodik kann zwischen makro-, mikro- und semimikro-Analysenmethoden unterschieden werden. Zu den wichtigsten Verfahren gehören Fällungsreaktionen, Farbreaktionen und Flammenfärbung, welche in verschiedenen Bereichen wie der Umweltanalytik, medizinischen Diagnostik und Materialwissenschaften Anwendung finden.

Übung:

Angenommen, Du erhältst eine unbekannte wässrige Probe und sollst qualitative Nachweisreaktionen durchführen, um die Anwesenheit von Chlorid (Cl⁻) und Sulfat (SO₄²⁻) Ionen zu bestimmen.

• (a) Beschreibe ausführlich die Nachweisreaktion für Chlorid (Cl⁻)-Ionen unter Verwendung von Silbernitrat (AgNO₃). Was passiert, wenn Chlorid-Ionen vorhanden sind und wie kann das entsprechende Ergebnis interpretiert werden?
• (b) Erkläre den Ablauf der Nachweisreaktion für Sulfat (SO₄²⁻)-Ionen mit Bariumchlorid (BaCl₂). Wie lautet die Reaktionsgleichung? Welche Beobachtungen lassen auf das Vorhandensein von Sulfat-Ionen schließen?

Antworten:

• (a) Nachweisreaktion für Chlorid (Cl⁻)-Ionen:
  1. Füge einige Tropfen der unbekannten wässrigen Probe in ein Reagenzglas.
  2. Gib ein paar Tropfen Silbernitratlösung (AgNO₃) hinzu.
  3. Beobachte die Reaktionsprodukte.

  Wenn Chlorid-Ionen (Cl⁻) in der Probe vorhanden sind, entsteht ein weißer, käsiger Niederschlag von Silberchlorid (AgCl). Die Reaktionsgleichung lautet:

  AgNO₃ (aq) + Cl⁻ (aq) → AgCl (s) + NO₃⁻ (aq)

  Die Bildung des weißen Niederschlags von AgCl ist ein klarer Hinweis auf die Anwesenheit von Chlorid-Ionen in der Probe.

• (b) Nachweisreaktion für Sulfat (SO₄²⁻)-Ionen:
  1. Füge einige Tropfen der unbekannten wässrigen Probe in ein Reagenzglas.
  2. Gib ein paar Tropfen Bariumchlorid-Lösung (BaCl₂) hinzu.
  3. Beobachte die Reaktionsprodukte.

  Wenn Sulfat-Ionen (SO₄²⁻) in der Probe vorhanden sind, entsteht ein weißer, feiner Niederschlag von Bariumsulfat (BaSO₄). Die Reaktionsgleichung lautet:

  BaCl₂ (aq) + SO₄²⁻ (aq) → BaSO₄ (s) + 2 Cl⁻ (aq)

  Die Bildung des weißen Niederschlags von BaSO₄ ist ein eindeutiger Hinweis auf die Anwesenheit von Sulfat-Ionen in der Probe.

b)

Gegeben sei eine Probe, die mehrere Metallionen enthalten könnte. Zur Identifikation verwendest Du die Flammenfärbungsmethode.

• (a) Welche Flammenfärbung würdest Du bei der Anwesenheit von Natrium- (Na⁺), Kalium- (K⁺) und Kupfer- (Cu²⁺) Ionen erwarten? Beschreibe die Farbe der Flamme für jedes dieser Ionen.
• (b) Angenommen, du beobachtest bei der Durchführung der Flammenfärbung eine intensive gelbe Flamme. Welches Metallion ist wahrscheinlich vorhanden und welche weiteren Schritte könntest du unternehmen, um die Anwesenheit dieses Metallions weiter zu bestätigen?

Lösung:

Die qualitative analytische Chemie ist ein wesentlicher Bestandteil der praktischen Chemieausbildung. Die Hauptziele umfassen die Identifikation von chemischen Verbindungen und Elementen in einer Probe durch Bestimmung der chemischen Zusammensetzung und Verwendung von Nachweisreaktionen. Je nach Methodik kann zwischen makro-, mikro- und semimikro-Analysenmethoden unterschieden werden. Zu den wichtigsten Verfahren gehören Fällungsreaktionen, Farbreaktionen und Flammenfärbung, welche in verschiedenen Bereichen wie der Umweltanalytik, medizinischen Diagnostik und Materialwissenschaften Anwendung finden.

Übung:

Gegeben sei eine Probe, die mehrere Metallionen enthalten könnte. Zur Identifikation verwendest Du die Flammenfärbungsmethode.

• (a) Welche Flammenfärbung würdest Du bei der Anwesenheit von Natrium- (Na⁺), Kalium- (K⁺) und Kupfer- (Cu²⁺) Ionen erwarten? Beschreibe die Farbe der Flamme für jedes dieser Ionen.
• (b) Angenommen, du beobachtest bei der Durchführung der Flammenfärbung eine intensive gelbe Flamme. Welches Metallion ist wahrscheinlich vorhanden und welche weiteren Schritte könntest du unternehmen, um die Anwesenheit dieses Metallions weiter zu bestätigen?

Antworten:

• (a) Flammenfärbung für verschiedene Metallionen:
  • Natrium-Ionen (Na⁺): Eine intensive gelbe Flamme.
  • Kalium-Ionen (K⁺): Eine violette bis fliederfarbene Flamme, die jedoch oft schwer zu sehen ist und durch ein Kobaltglas (spezieller Filter) betrachtet werden sollte, um andere Farben zu unterdrücken.
  • Kupfer-Ionen (Cu²⁺): Eine grüne bis blaugrüne Flamme.
• (b) Beobachtung einer intensiven gelben Flamme:

  Wenn du eine intensive gelbe Flamme beobachtest, ist es sehr wahrscheinlich, dass Natrium-Ionen (Na⁺) in der Probe vorhanden sind. Um die Anwesenheit von Natrium-Ionen weiter zu bestätigen, könntest du folgende Schritte unternehmen:

  • 1. Verwendung von Kobaltglas: Beobachte die Flammenfärbung durch ein Kobaltglas, um sicherzustellen, dass die gelbe Farbe nicht durch andere Metallionen maskiert wird.
  • 2. Nasschemische Nachweise: Durchführung spezifischer nasschemischer Nachweisreaktionen für Natrium, wie zum Beispiel die Bildung von Na₂[Co(NO₂)₆] (Natriumhexanitrocobaltat(III)), das einen charakteristischen gelben Niederschlag bildet.

Aufgabe 2)

Du hast eine unbekannte wässrige Lösung und musst herausfinden, welche Anionen darin enthalten sind. Führe die spezifischen chemischen Reaktionen durch, um die Anionen zu identifizieren, und erkläre dabei die chemischen Prozesse.

a)

Beschreibe das Vorgehen bei der Identifikation von Chloridionen (Cl^-) in der Probe. Welche Reagenzien werden verwendet und welches Produkt entsteht? Erkläre die Reaktionsgleichung.

Lösung:

Vorgehen zur Identifikation von Chloridionen (Cl^-) in der Probe:Um Chloridionen in einer wässrigen Lösung nachzuweisen, folgt man einem bestimmten chemischen Verfahren. Hier sind die Schritte im Detail:

• Reagenzien: Verwende eine Silbernitratlösung (AgNO₃) als Reagenz.
• Testdurchführung: Gib einige Tropfen der Silbernitratlösung zu der unbekannten wässrigen Lösung.
• Beobachtung: Wenn Chloridionen (Cl^-) in der Probe vorhanden sind, bildet sich ein weißer, käsiger Niederschlag. Dies ist das Silberchlorid (AgCl).

Erklärung der Chemischen Reaktionsgleichung:Die chemische Reaktion, die bei der Zugabe von Silbernitrat (AgNO₃) zur Lösung stattfindet, kann wie folgt beschrieben werden:

• Durch die Wechselwirkung der Chloridionen (Cl^-) mit den Silberionen (Ag⁺) entsteht Silberchlorid (AgCl), welches als weißer Feststoff ausfällt.
• Die Reaktionsgleichung hierfür lautet:

  AgNO3 + Cl- → AgCl ↓ + NO3-

  • Hierbei steht „↓“ für den Niederschlag, der sich bildet.
  • Das Silberchlorid (AgCl) ist schwerlöslich in Wasser und fällt daher als fester Stoff aus.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die Identifikation von Chloridionen mittels Silbernitrat einfach durchzuführen ist und durch die Bildung eines weißen Niederschlags bestätigt wird.

b)

Für die Identifikation von Sulfationen (SO₄^2-) in der Lösung, beschreibe die spezifische chemische Reaktion, einschließlich der nötigen Reagenzien und des erwarteten Ergebnisses. Stelle die vollständige Reaktionsgleichung auf.

Lösung:

Vorgehen zur Identifikation von Sulfationen (SO₄^2-) in der Probe:Um Sulfationen in einer unbekannten wässrigen Lösung nachzuweisen, gibt es ein spezifisches chemisches Verfahren. Hier sind die Details der Durchführung:

• Reagenzien: Verwende eine Bariumchloridlösung (BaCl₂) als Reagenz.
• Testdurchführung: Gib einige Tropfen der Bariumchloridlösung zu der unbekannten wässrigen Lösung.
• Beobachtung: Wenn Sulfationen (SO₄^2-) in der Probe vorhanden sind, bildet sich ein weißer, feinkristalliner Niederschlag. Dies ist das Bariumsulfat (BaSO₄).

Erklärung der Chemischen Reaktionsgleichung:Die chemische Reaktion, die bei der Zugabe von Bariumchlorid (BaCl₂) zur Lösung stattfindet, kann wie folgt beschrieben werden:

• Die Sulfationen (SO₄^2-) reagieren mit den Bariumionen (Ba²⁺) zu Bariumsulfat (BaSO₄), das als weißer Feststoff ausfällt.
• Die Reaktionsgleichung hierfür lautet:

  BaCl2 + SO42- → BaSO4 ↓ + 2 Cl-

  • Hierbei steht „↓“ für den Niederschlag, der sich bildet.
  • Das Bariumsulfat (BaSO₄) ist schwerlöslich in Wasser und fällt daher als fester Stoff aus.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die Identifikation von Sulfationen mittels Bariumchlorid zuverlässig durch die Bildung eines weißen Niederschlags bestätigt wird.

c)

Bei der Untersuchung auf Carbonationen (CO₃^2-) wird eine Säure hinzugefügt. Erläutere, welche Beobachtungen du machen solltest und welche Gase dabei entstehen. Ergänze die Reaktionsgleichung.

Lösung:

Vorgehen zur Identifikation von Carbonationen (CO₃^2-) in der Probe:Um Carbonationen in einer unbekannten wässrigen Lösung nachzuweisen, folgt man einem bestimmten chemischen Verfahren, bei dem eine Säure eingesetzt wird. Hier sind die Schritte im Detail:

• Reagenzien: Verwende eine starke Säure, wie z.B. Salzsäure (HCl).
• Testdurchführung: Gib einige Tropfen der Salzsäure zu der unbekannten wässrigen Lösung.
• Beobachtung: Wenn Carbonationen (CO₃^2-) in der Probe vorhanden sind, kommt es zur Bildung von Gasblasen. Diese Gasblasen sind Kohlendioxid (CO₂)-Gase.

Erklärung der Chemischen Reaktionsgleichung:Die chemische Reaktion, die bei der Zugabe von Salzsäure (HCl) zur Lösung stattfindet, kann wie folgt beschrieben werden:

• Die Carbonationen (CO₃^2-) reagieren mit den Wasserstoffionen (H⁺) der Säure zu Kohlensäure (H₂CO₃), die dann sofort zu Wasser (H₂O) und Kohlendioxid (CO₂) zerfällt. Das Kohlendioxid entweicht als Gas.
• Die Reaktionsgleichung hierfür lautet:

  CO32- + 2 HCl → CO2 ↑ + H2O + 2 Cl-

  • Hierbei steht „↑“ für das entstehende Gas.
  • Das entstehende Kohlendioxid (CO₂) ist als Gas erkennbar, das aus der Lösung entweicht.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die Identifikation von Carbonationen mittels Zugabe einer Säure durch die Bildung von Gasblasen bestätigt wird, wobei das entstehende Gas Kohlendioxid (CO₂) ist.

d)

Erkläre, wie man Nitrationen (NO₃^-) mit Devarda's Legierung nachweist und welches Gas freigesetzt wird. Formuliere die chemische Reaktion, die dabei abläuft, und gib eine Erklärung für den Mechanismus dieser Reaktion.

Lösung:

Vorgehen zur Identifikation von Nitrationen (NO₃^-) in der Probe mit Devarda's Legierung:Um Nitrationen in einer unbekannten wässrigen Lösung nachzuweisen, kann Devarda's Legierung verwendet werden. Hier sind die Schritte im Detail:

• Reagenzien: Devarda’s Legierung (ein Gemisch aus Aluminium, Kupfer und Zink) sowie eine starke Base, wie z.B. Natriumhydroxid (NaOH).
• Testdurchführung: Gib etwas Devarda’s Legierung und Natriumhydroxid zur unbekannten wässrigen Lösung und erwärme die Mischung vorsichtig.
• Beobachtung: Wenn Nitrationen (NO₃^-) in der Probe vorhanden sind, wird Ammoniak (NH₃) als Gas freigesetzt.

Erklärung der Chemischen Reaktionsgleichung:Die chemische Reaktion, die zur Freisetzung von Ammoniak bei der Zugabe von Devarda's Legierung und Natriumhydroxid (NaOH) stattfindet, kann wie folgt beschrieben werden:

• Die Nitrationen (NO₃^-) werden in Anwesenheit von Devarda's Legierung und Natriumhydroxid (NaOH) reduziert und es entsteht Ammoniak (NH₃) als Gas.
• Die Reaktionsgleichung hierfür lautet:

  3 NO3- + 8 Al + 5 OH- + 18 H2O → 3 NH3 ↑ + 8 Al(OH)4-

  • Hierbei steht „↑“ für das freigesetzte Gas.
  • Das entstehende Ammoniak (NH₃) ist an seinem charakteristischen stechenden Geruch erkennbar.

Erklärung des Mechanismus der Reaktion:

• Devarda’s Legierung wirkt als Reduktionsmittel und reduziert die Nitrationen (NO₃^-) in alkalischem Milieu (NaOH) zu Ammoniak (NH₃).
• Das Aluminium in der Legierung verliert Elektronen und wird oxidiert, während die Nitrationen Elektronen aufnehmen und reduziert werden, wodurch Ammoniak entsteht.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die Identifikation von Nitrationen mittels Devarda's Legierung durch die Freisetzung von Ammoniak (NH₃) und dessen typischen stechenden Geruch bestätigt wird.

Aufgabe 3)

Kontext des Hauptproblems: Du arbeitest in einem analytischen Chemielabor und sollst Kationen in einer unbekannten Lösung identifizieren. Hierzu nutzt Du verschiedene Nachweisreaktionen, die eine Farbänderung oder einen Niederschlag hervorrufen können. Es stehen Dir Reagenzien wie beispielsweise Niederschlagsreagenzien, Komplexbildner und Flammenfärbungsreagenzien zur Verfügung. Du entscheidest Dich dazu, systematisch vorzugehen und die Kationen in Gruppen zu trennen. Dabei führt der Nachweis jeder Gruppe zu Unterschiede in den Reaktionen.

a)

• a) Beschreibe detailliert, wie Du vorgehst um Kationen der 1. Gruppe (Chlorid-Gruppe) nachzuweisen. Welche spezifischen Reagenzien verwendest Du und welche Reaktionen erwartest Du? Nenne mindestens zwei Beispielkationen und die entsprechende Beobachtung.

Lösung:

• a) Um Kationen der 1. Gruppe (Chlorid-Gruppe) nachzuweisen, gehst Du systematisch vor. Die Kationen dieser Gruppe umfassen insbesondere Silber (Ag⁺), Blei (Pb²⁺) und Quecksilber(I) (Hg₂²⁺). Diese Kationen bilden mit Chloridionen schwerlösliche Chloride.

• Schritte zum Nachweis:
• Schritt 1: Vorbereitung der Probenlösung
• Verdünne die unbekannte Lösung zu einer neutralen oder leicht sauren wässrigen Lösung, um die Reaktionsbedingungen zu optimieren.
• Schritt 2: Zugabe des Reagenz
• Gib zu der Probenlösung verdünnte Salzsäure (HCl) hinzu.
• Schritt 3: Beobachtung der Reaktion
• Wenn Kationen der 1. Gruppe vorhanden sind, fällt ein weißer Niederschlag aus. Diese unlöslichen Chloride sind spezifisch für die Kationen der 1. Gruppe.
• Beispielkationen und Beobachtungen:
• Silber (Ag⁺): Bei der Zugabe von HCl bildet sich ein weißer, käsiger Niederschlag von Silberchlorid (AgCl).
• Blei (Pb²⁺): Bei der Zugabe von HCl bildet sich ein weißer Niederschlag von Bleichlorid (PbCl₂).
• Reaktionsgleichungen:
• Für Silber (Ag⁺):

  Ag^+ (aq) + Cl^- (aq) -> AgCl (s)

• Für Blei (Pb²⁺):

  Pb^{2+} (aq) + 2Cl^- (aq) -> PbCl_2 (s)

Die Fällungsreaktionen dieser Kationen sind ziemlich spezifisch, da nur sehr wenige andere Chloride unter diesen Bedingungen schwerlöslich sind.

b)

• b) Du hast nach der Gruppenfällung in einer Probe einen weißen Niederschlag erhalten. Führe eine qualitative Analyse durch, um zu bestimmen, ob es sich um Barium-Ionen (Ba²⁺) handelt. Formuliere die Reaktionsgleichung, die stattfinden würde. Welche weiteren Schritte würdest Du unternehmen, um dies zu verifizieren?

Lösung:

• b) Um zu bestimmen, ob der weiße Niederschlag Barium-Ionen (Ba²⁺) enthält, führst Du eine qualitative Analyse nach den folgenden Schritten durch.
• Schritte zur Identifizierung von Barium-Ionen (Ba²⁺):
• Schritt 1: Auflösen des NiederschlagsVersuche, den weißen Niederschlag in einer kleinen Menge verdünnter Salzsäure (HCl) aufzulösen. Bariumchlorid (BaCl₂) ist löslich und der Niederschlag sollte sich auflösen, wenn es sich um Barium-Ionen handelt.
• Schritt 2: Zugabe von Schwefelsäure (H₂SO₄)Gib einige Tropfen verdünnter Schwefelsäure (H₂SO₄) zu der klaren Lösung hinzu. Wenn Barium-Ionen vorhanden sind, wird sich sofort ein weißer, schwerlöslicher Niederschlag von Bariumsulfat (BaSO₄) bilden.
• Reaktionsgleichung:
• Zur Bildung des Bariumsulfats:

  Ba^{2+} (aq) + SO_4^{2-} (aq) -> BaSO_4 (s)

• Zusätzliche Schritte zur Verifizierung:
• Schritt 3: FlammenfärbungstestNimm eine kleine Menge des zuvor erhaltenen (möglichen) Bariumsulfats und halte sie in eine Flamme. Barium-Ionen verursachen eine grüne Flammenfärbung, was ein deutlicher Hinweis auf ihre Anwesenheit ist.
• Schritt 4: KomplexbildungFühre einen Komplexbildner-Test durch, indem Du die Lösung mit Natriumthiosulfat (Na₂S₂O₃) behandelst. Barium-Ionen bilden spezifische Komplexe, die identifiziert werden können.

c)

• c) Erläutere den Ablauf und das Prinzip der Flammenfärbungstests zur Identifikation von Kalium- und Natrium-Ionen. Berechne die Energie, die bei der Emission von Licht für Natrium-Ionen anfällt, wenn die Frequenz des emittierten Lichts 589 nm beträgt. Verwende die Gleichungen: \textit{E} = h \textit{ν}, wobei \textit{h} das Plancksche Wirkungsquantum (\textit{h} = 6.626 × 10^-34 J·s) und \textit{ν} die Frequenz ist. Beachte, dass die Frequenz \textit{ν} durch \textit{ν} = \textit{c} / λ gegeben ist, wobei \textit{c} die Lichtgeschwindigkeit (\textit{c} = 3 × 10⁸ m/s) und λ die Wellenlänge (589 nm) ist.

Lösung:

• c) Der Flammenfärbungstest ist eine analytische Methode zur Identifikation von Metallionen basierend auf der Farbe, die sie in einer Flamme erzeugen. Kalium- und Natrium-Ionen zeigen charakteristische Farben, wenn sie in einer Flamme erhitzt werden.
• Ablauf des Flammenfärbungstests:
• Schritt 1: Vorbereitung der ProbeBereite eine verdünnte Lösung oder ein feuchtes Salz des zu testenden Metallions vor.
• Schritt 2: Eintauchen des TestmaterialsBefeuchte einen sauberen Metallstab oder einen Holzspatel und tauche ihn in die Probe.
• Schritt 3: Halten in die FlammeHalte das Testmaterial in die nicht-leuchtende (blaue) Zone einer Bunsenbrennerflamme und beobachte die Farbänderung.
• Beobachtungen bei Kalium- und Natrium-Ionen:
• Kalium-Ionen (K⁺): Kalium-Ionen erzeugen eine violette oder blass-lila Flammenfärbung.
• Natrium-Ionen (Na⁺): Natrium-Ionen erzeugen eine intensive gelbe Flammenfärbung.
• Berechnung der Energie bei Emission von Licht:
• Einheit der Wellenlänge umrechnen:Die Wellenlänge λ = 589 nm = 589 × 10^-9 m.
• Frequenz (ν) des Lichts berechnen:\textit{ν} = \textit{c} / λ = (3 × 10⁸ m/s) / (589 × 10^-9 m) = 5.09 × 10¹⁴ Hz.
• Energie (E) berechnen:\textit{E} = h \textit{ν}\textit{E} = (6.626 × 10^-34 J·s) × (5.09 × 10¹⁴ Hz)\textit{E} = 3.37 × 10^-19 J.
• Somit beträgt die Energie, die bei der Emission von Licht für Natrium-Ionen bei einer Wellenlänge von 589 nm anfällt, 3.37 × 10^-19 Joule.

Aufgabe 4)

Du hast 5g eines unbekannten Salzgemisches, das verschiedene Kationen und Anionen enthält. Deine Aufgabe ist es, die Anionen und Kationen systematisch zu trennen und zu identifizieren. Benutze qualitative Analyseverfahren und dokumentiere alle relevanten Beobachtungen. Um dies zu erreichen, durchläufst Du mehrere Schritte: vorläufige Tests (Vorproben), Hauptreaktionen des Gemisches mit verschiedenen Reagenzien und anschließende Trennanalysen. Dabei nutzt Du Reagenzien wie HCl, H2SO4, NaOH und AgNO3. Erläutere und begründe Dein Vorgehen in jeder Phase und beschreibe die chemischen Prozesse, die auftreten.

a)

Beschreibe und erkläre die Vorproben, die Du durchführst, um erste Hinweise auf die in Deinem Gemisch enthaltenen Ionen zu erhalten. Welche Reaktionen führst Du durch, und welche Beobachtungen machst Du, um eine vorläufige Einschätzung der Anionen und Kationen zu machen, die vorhanden sein könnten?

Lösung:

Vorproben zur Identifikation von Ionen in einem Salzgemisch

Vorproben sind ein entscheidender erster Schritt in der qualitativen Analyse, um Hinweise auf die Anwesenheit bestimmter Kationen und Anionen in einem unbekannten Salzgemisch zu erhalten. Diese Vorproben erlauben es Dir, durch einfache chemische Reaktionen und die Beobachtung ihrer Resultate eine vorläufige Einschätzung der enthaltenen Ionen zu machen.

• Flammenfärbung: Der Flammenfärbungstest identifiziert Kationen basierend auf den charakteristischen Farben, die sie in der Flamme zeigen.
  • Kalium (\(K\)): violette Färbung
  • Natrium (\(Na\)): gelbe Färbung
  • Calcium (\(Ca\)): ziegelrote Färbung
  • Barium (\(Ba\)): grüne Färbung
  • Kupfer (\(Cu\)): grün-blaue Färbung
• Reaktion mit verdünnter Salzsäure (HCl): Diese Reaktion kann das Vorhandensein von Carbonaten (\(CO_3^{2-}\)) nachweisen. Wenn es sprudelt und Gas (CO_2) freisetzt, deutet dies auf Carbonate hin.
  • \(CO_3^{2-} + 2HCl \rightarrow CO_2 + H_2O + 2Cl^{-}\) (Gasentwicklung)
• Reaktion mit Silbernitrat (AgNO_3): Wenn sich ein weißer Niederschlag bildet, deutet dies auf Chloride (\(Cl^-\)) hin.
  • \(Cl^{-} + AgNO_3 \rightarrow AgCl + NO_3^{-}\) (weißer Niederschlag)
• Reaktion mit verdünnter Schwefelsäure (H_2SO_4): Dieser Test kann Sulfate (\(SO_4^{2-}\)) oder Carbonate (\(CO_3^{2-}\)) nachweisen.
  • Sulfate bilden mit Bariumchlorid (BaCl_2) einen weißen Niederschlag:
    • \(SO_4^{2-} + BaCl_2 \rightarrow BaSO_4 + 2Cl^{-}\) (weißer Niederschlag)
  • Carbonate erzeugen eine Gasentwicklung von CO_2:
    • \(CO_3^{2-} + H_2SO_4 \rightarrow CO_2 + H_2O + SO_4^{2-}\)
• Reaktion mit Natriumhydroxid (NaOH): Dieser Test kann die Anwesenheit von Metallionen wie Eisen (\(Fe^{2+}\) und \(Fe^{3+}\)) oder Kupfer (\(Cu^{2+}\)) hervorheben.
  • \(Fe^{2+} + 2NaOH \rightarrow Fe(OH)_2 + 2Na^+\) (grüner Niederschlag)
  • \(Fe^{3+} + 3NaOH \rightarrow Fe(OH)_3 + 3Na^+\) (brauner Niederschlag)
  • \(Cu^{2+} + 2NaOH \rightarrow Cu(OH)_2 + 2Na^+\) (blauer Niederschlag)

Durch Durchführung dieser Vorproben und die genaue Beobachtung der resultierenden Reaktionen und Niederschläge kannst Du eine vorläufige Einschätzung der vorliegenden Kationen und Anionen in Deinem Salzgemisch treffen. Diese Beobachtungen sind wesentlich für die weiteren Schritte der Trennanalyse und Identifikation.

b)

Erkläre den Vorgang der Fällungsreaktionen und dokumentiere, wie Du mit Hilfe von HCl, H2SO4, und AgNO3 spezifische Anionen und Kationen in Deinem Gemisch identifizierst. Erstelle dazu eine Reaktionsgleichung für die Fällung von Chloriden und Halogeniden.

Lösung:

Fällungsreaktionen zur Identifikation von Anionen und Kationen

Durch Fällungsreaktionen kannst Du bestimmte Anionen und Kationen in Deinem unbekannten Salzgemisch identifizieren. Diese Reaktionen führen zur Bildung unlöslicher Verbindungen, die als Niederschläge sichtbar werden. Im Folgenden beschreibe ich den Vorgang und dokumentiere die Schritte zur Identifikation.

Reaktion mit verdünnter Salzsäure (HCl)

• Ziel: Nachweis von Carbonaten (CO₃^2-)
• Vorgehen: Du gibst verdünnte HCl zu einer Probe des Salzgemisches.
• Beobachtung: Wenn sich Blasen bilden und ein Gas aufsteigt, handelt es sich hierbei um Kohlendioxid (CO₂), was auf das Vorhandensein von Carbonaten hinweist.
• Reaktionsgleichung:

  CO32- + 2HCl → CO2 + H2O + 2Cl-

Reaktion mit Silbernitrat (AgNO₃)

• Ziel: Nachweis von Chloriden (Cl^-) und Halogeniden
• Vorgehen: Du gibst AgNO₃-Lösung zu einer Probe des Salzgemisches.
• Beobachtung: Ein weißer Niederschlag deutet auf das Vorhandensein von Chloriden hin. Bei anderen Halogeniden wie Bromiden (Br^-) oder Iodiden (I^-) kann die Farbe des Niederschlags variieren (gelblich bis beige).
• Reaktionsgleichung für Chlorid:

  Cl- + AgNO3 → AgCl (weißer Niederschlag) + NO3-

• Reaktionsgleichung für Bromid:

  Br- + AgNO3 → AgBr (beige-gelber Niederschlag) + NO3-

• Reaktionsgleichung für Iodid:

  I- + AgNO3 → AgI (blassgelber Niederschlag) + NO3-

Reaktion mit verdünnter Schwefelsäure (H₂SO₄)

• Ziel: Nachweis von Sulfaten (SO₄^2-) und Carbonaten (CO₃^2-)
• Vorgehen: Du gibst verdünnte H₂SO₄ zu einer Probe des Salzgemisches.
• Beobachtung:
  • Bei Sulfaten bildet sich ein weißer Niederschlag, wenn Du anschließend Bariumchlorid (BaCl₂) zu Gibst.
  • Bei Carbonaten entsteht schäumendes CO₂ Gas.
• Reaktionsgleichung für Sulfate:

  SO42- + BaCl2 → BaSO4 (weißer Niederschlag) + 2Cl-

• Reaktionsgleichung für Carbonate:

  CO32- + H2SO4 → CO2 + H2O + SO42-

Indem Du diese Fällungsreaktionen durchführst und die resultierenden Niederschläge und Gasentwicklungen beobachtest, kannst Du spezifische Anionen und Kationen in Deinem Salzgemisch identifizieren. Diese Informationen sind entscheidend für die nachfolgenden Trenn- und Analysenmethoden.

c)

Nachdem Du einige Anionen und Kationen identifiziert hast, erläutere, wie Du die verbleibenden Substanzen trennst und weiter analysierst. Nutze NaOH, um Hydroxide zu fällen, und erkläre die chemischen Gleichgewichte und Unterschiede in der Löslichkeit, die dabei beobachtet werden. Berechne hierbei das Löslichkeitsprodukt (Ksp) für eine typische Fällungsreaktion.

Lösung:

Trennung und Weiteranalyse der verbleibenden Substanzen mit NaOH

Nachdem Du einige Anionen und Kationen identifiziert hast, verbleiben noch weitere Substanzen, die getrennt und analysiert werden müssen. Ein nützliches Reagens zur Trennung von Kationen ist Natriumhydroxid (NaOH), da es Metallhydroxide bildet, die unterschiedlich löslich sind. Hier werde ich den genauen Prozess und die chemischen Gleichgewichte erläutern sowie das Löslichkeitsprodukt (K_sp) berechnen.

Fällung von Hydroxiden mit NaOH

NaOH kann verwendet werden, um verschiedene Metallkationen auszufällen, indem es Metallhydroxide bildet. Die Unterschiede in der Löslichkeit dieser Hydroxide ermöglichen die Trennung der Kationen.

• Beispiel für eine Fällungsreaktion:
  • Fällung von Eisen(III)-Ion (Fe³⁺):

    Fe3+ + 3NaOH → Fe(OH)3 (brauner Niederschlag) + 3Na+

  • Fällung von Kupfer(II)-Ion (Cu²⁺):

    Cu2+ + 2NaOH → Cu(OH)2 (blauer Niederschlag) + 2Na+

Chemisches Gleichgewicht und Löslichkeit

Die Fällungsreaktionen sind reversibel, und das chemische Gleichgewicht spielt eine wichtige Rolle. Die Löslichkeit eines Salzes wird durch das Löslichkeitsprodukt (K_sp) beschrieben. Das Löslichkeitsprodukt ist ein Maß für die Löslichkeit eines Salzes in Wasser und gibt an, wie weit die Lösung gesättigt ist.

Berechnung des Löslichkeitsprodukts (K_sp)

Angenommen, wir betrachten die Fällung von Kupfer(II)-hydroxid (Cu(OH)₂):

Cu(OH)2 (s) ⇌ Cu2+ (aq) + 2OH- (aq)

Das Gleichgewicht setzt sich nach:

Ksp = [Cu2+][OH-]2

Wenn das Löslichkeitsprodukt (K_sp) von Cu(OH)₂ bekannt ist, z.B. K_sp = 2.2 × 10^-20, können wir die Konzentrationen der Ionen in einer gesättigten Lösung berechnen:

• Angenommen, die Konzentration von Cu²⁺ ist x, dann ist die Konzentration von OH^- 2x.
• Setzen wir dies in die Gleichung ein:

  2.2 × 10-20 = x (2x)2 = 4x3

• Um x zu finden, lösen wir die Gleichung:

  x = (2.2 × 10-20 / 4)1/3 = (5.5 × 10-21)1/3 ≈ 8.1 × 10-8 M

• Somit ist die Konzentration von Cu²⁺ in der gesättigten Lösung 8.1 × 10^-8 M, und die Konzentration von OH^- ist 2 × 8.1 × 10^-8 = 1.6 × 10^-7 M.

Praktische Anwendung

Indem Du NaOH zu Deinem Salzgemisch gibst, bildest Du Metallhydroxide, die Du aufgrund ihrer unterschiedlichen Löslichkeit trennen kannst. Beispielsweise fällt Eisen(III)-hydroxid bei einer höheren Konzentration von OH^- aus als Kupfer(II)-hydroxid, was eine schrittweise Trennung ermöglicht.

Durch die Beobachtung der Bildung von Niederschlägen und die Anwendung des Konzepts des Löslichkeitsprodukts kannst Du systematisch Kationen in Deinem Gemisch trennen und identifizieren.