Versuch 2 - Qualitativer Nachweis von Kationen durch Trennungsgang und Spektralanalyse PDF

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Qualitativer Nachweis von Kationen durch Trennungsgang und Spektralanalyse...

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Protokoll zu Versuch 2: Qualitativer Nachweis von Kationen durch Trennungsgang und Spektralanalyse Im Allgemeinen beeinflussen sich in Analysenproben mit unterschiedlichen Kationen die entsprechenden Nachweisreaktionen gegenseitig. Um Kationen durch selektive Fällungsreagenzien gruppenweise in schwerlösliche Niederschläge zu überführen, wurden Trennungsgänge entwickelt. Das gegenseitige Störpotential ist innerhalb dieser Gruppen von nur wenigen Kationen stark reduziert und die Einzelnachweise können direkt oder nach weiteren Separationsschritten ausgeführt werden. Alkalimetalle besitzen die Eigenschaft, die nichtleuchtende Bunsenflamme charakteristisch zu färben. Werden deren nur locker gebundene Außenelektronen, nachdem sie durch die relativ geringe Energie der Bunsenflamme auf ein höheres Energieniveau gebracht worden sind, wieder in den Ausgangszustand befördert, geben sie die absorbierte Energie in Form von sichtbarer Lichtstrahlung wieder ab. Die Farbe der Lichtstrahlung entspricht der aufgenommenen Energie und ist charakteristisch für jedes Alkalimetall. Sie ergibt sich aus der Wellenlänge.

1. Nachweis der Elemente der Alkali-Metalle durch Flammenfärbung 1.1 Vorproben Die auf Uhrgläsern mit konz. HCl angefeuchteten Metallsalze LiCl, NaCl, KCl, RbCl und CsCl bringt man mit einem vorher ausgeglühten Magnesiastäbchen in die Bunsenflamme. Dabei zeigt sich die für das jeweilige Element charakteristische Flammenfärbung: Bei LiCl rot; bei NaCl gelb; bei KCl violett (durch ein Kobaltglas betrachtet!); bei RbCl violett und bei CsCl blau.

1.2 Spektralanalyse der Alkalimetalle Um die Spektren der bereitgestellten Salze aus 1.1 durch ein Handspektroskop zu betrachten, muss das Gerät erst kalibriert werden. Dazu stellt man die Wellenlängenskala so ein, dass die Na-Linie im Spektroskop, die man durch etwas NaCl in der Bunsenflamme erzeugt, bei 589 nm liegt. Dann betrachtet man bei Durchführung wie bei 1.1 die einzelnen Spektren, die wie folgt liegen: LiCl NaCl KCl RbCl CsCl.

ca. 670 nm ca. 590 nm ca. 770 nm ca. 780 nm und ca. 460 nm.

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2. Einzelreaktionen der HCl-Gruppe Die Elemente Hg, Ag und Pb gehören zu der sogenannten Salzsäuregruppe, da sie mit Salzsäure schwerlösliche Chloride bilden. 2.1 Reaktionen von Hg22+, Ag+ und Pb2+ mit verd. HCl Es wird jeweils eine Spatelspitze Hg2(NO3)2, AgNO3 und Pb(NO3)2 in 1-2 ml H2O und versetzt sie mit wenig verdünnter Salzsäure. Dabei entstehen jeweils folgende Niederschläge: Hg22+  fällt weiss, trüb aus Ag+  fällt weiss, milchig aus Pb2+  fällt weiss, flockig aus Pb2+ + 2Cl-  PbCl2(f) Hg22+ + 2Cl-  Hg2Cl2(f) Ag+ + Cl-  AgCl(f) In der Siedehitze setzt sich der Bodensatz des Quecksilbers ab und das Gemisch klärt sich, bei Silber ebenso; das Blei löst sich. Die jeweilige Löslichkeit von AgCl und PbCl2 in einer gesättigten wässrigen Lösung sehen wie folgt aus: L(AgCl) = c (Ag+) = c (Cl-) KL(AgCl) = L2(AgCl) L(AgCl) = √KL = √10-10 mol2/l2 = 10-5 mol/L L(PbCl2) = c(Pb2+) = ½ c (Cl-) KL(PbCl2) = L(PbCl2) {2L(PbCl2)}2 = 4L3 (PbCl2) L(PbCl) = 3√KL/4 L(PbCl2) = 3√8∙10-6 mol3/l3 = 2 · 10-2 mol/l Die Löslichkeit von AgCl bzw. PbCl2 in einer 0,1 molaren Chloridlösung ist folgendermaßen zu formulieren: L(AgCl) = c (Ag+) KL(AgCl) = L(AgCl) · c (Cl-) L(AgCl) = KL/ c (Cl-) L(AgCl) = 10-10 mol2l-2 / 0,1 mol-1 = 10-9 mol/l L(PbCl2) = c(Pb2+) KL(PbCl2) = L(PbCl2) · c2(Cl-) L(PbCl2) = KL / c2(Cl-) L(PbCl2) = 3,2 · 10-5 mol3l-3 / (0,1)2 mol2l-2 = 3,2 · 10-3 mol/l

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2.2. Verhalten der mit HCl gebildeten Niederschläge gegen NH4OH Nach Wiederholung der Reaktionen unter 2.1 wird der jeweils entstandene Niederschlag jedoch nicht erhitzt, sondern gleich nach der Fällung bis zur alkalischen Reaktion mit Ammoniak(NH3)-Lösung versetzt. Dabei löst sich der Niederschlag des Silberchlorids auf, der des Bleichlorids löst oder verändert sich nicht und die Quecksilberverbindung färbt sich schwarz. PbCl2 + NH3  keine Reaktion Hg2Cl2(f) + 2NH3  Hg(f) + HgClNH2(f) + NH4+ + ClAgCl(f) + 2NH3  Ag(NH3)2+ + Cl-

3. Einzelreaktionen der Erdalkali-Gruppe 3.1 Reaktionen von Ca2+, Sr2+ und Ba2+ mit Ammonium-Carbonat (NH4)2CO3 Je eine Spatelspitze CaCl2, SrCl2 und BaCl2 werden in etwa 5 ml Wasser gelöst und jeweils 1 ml der Lösungen mit Ammonium-Carbonat-Lösung versetzt. Es entstehen weiße, in verdünnter Essigsäure lösliche Niederschläge von CaCO3, SrCO3 und BaCO3. Ca2+ + CO32-  CaCO3(f) Sr2+ + CO32-  SrCO3(f) Ba2+ + CO32-  BaCO3(f) 3.2 Nachweisreaktion für Ca2+ Etwas verdünnte Essigsäure und eine Spatelspitze Natriumacetat (als Puffersystem) werden zu 1 ml Calciumchlorid-Lösung gegeben. Bei Zusatz von einigen Tropfen AmmoniumoxalatLösung fällt weißes CaC2CO4 aus. CaCO3(f) + H3O+  Ca2+ + CO2(g) + H2O Ca2+ + C2O42-  CaC2O4(f) 3.3 Nachweisreaktion für Sr2+ Nach Herstellung einer gesättigten Gipslösung durch intensives Schütteln von Calciumsulfat CaSO4 mit 2-3 ml Wasser versetzt man 1 ml der Strontiumchlorid-Lösung mit 1 ml der dekantierten Gipslösung. Man erhält einen weißen Niederschlag von SrSO4. Sr2+ + SO42-  SrSO4(f) 3.4 Nachweisreaktion für Ba2+ 1 ml Bariumchlorid-Lösung wird mit einigen Tropfen verdünnter Essigsäure angesäuert. Nach Zusatz einiger Tropfen Kaliumdichromat-Lösung entsteht ein gelber Niederschlag von BaCrO4. (Im Gegensatz zu SrCrO4 ist BaCrO4 in verdünnter Essigsäure unlöslich.) 2CrO42- + 2H+  Cr2O72- + H2O Ba2- + CrO42-  BaCrO4(f) 3

3.5 Spektroskopische Identifizierung von Ca, Sr und Ba Nach Anfeuchten mit einigen Tropfen konzentrierter HCl werden probenweise einige Kristalle der Erdalkalichloride mit einem Magnesiastäbchen in die Flamme des Bunsenbrenners gebracht und das Linienspektrum mit dem Handspektroskop beobachtet. Dabei sind folgende Flammenfärbungen und charakteristische Linien zu beobachten: Ca Sr Ba

  

ziegelrot rot grün

  

ca. 500, 525 und 600 nm mehrere rote Linien, ca. 450, 550, 600 und 650 nm ca. 500 nm, 550 nm

4. Trennungsgang für die Salzsäure-, die Erdalkali- und die Alkaligruppe Die zu untersuchenden Analysenlösungen können die Elemente der Salzsäuregruppe Hg(I), Ag und Pb, die Erdalkalimetalle Ca, Sr, Ba und die Alkalimetalle Li, Na und K enthalten. In zwei verschiedenen Analysenlösungen werden die Elemente der HCl-Gruppe in einem systematischen Trennungsgang voneinander getrennt und identifiziert. Im Filtrat der HCl-Gruppe werden die Erdalkalimetalle als Carbonate abgetrennt und im Filtrat dieser Gruppe die Alkalimetalle spektralanalytisch nachgewiesen. 4.1 Trennungsgang Zunächst werden zu einer Spatelspitze der vorgegebenen Analysen 3 ml verdünnte HCl gegeben. Nach Erwärmen, Durchschütteln und anschließendem Abkühlen der Lösung gibt man tropfenweise weitere HCl zu, bis die Fällung vervollständigt ist. Der Niederschlag wird in der Kälte abfiltriert und auf dem Filterpapier dreimal mit je 5 ml kaltem Wasser ausgewaschen. Nach Prüfung des Filtrats mit HCl, wird der Niederschlag auf dem Filter mit 2-3 ml siedendem H2O übergossen. Das in ein zweites Reagenzglas durchlaufende Filtrat wird wiederum zum Sieden gebracht und über den Niederschlag auf dem Filter gegossen. Nach fünfmaliger Wiederholung wird das Filtrat für die Nachweise von Blei auf drei Reagenzgläser verteilt. 4.2 Identifizierung der Kationen der Salzsäuregruppe 4.2.1 Prüfung auf Pb2+ a) Zu der Lösung werden wenige Tropfen K2CrO4-Lösung gegeben. Die auftretende gelbe Fällung von PbCrO4 weist die Anwesenheit von Pb an. Pb2+ + CrO42-  PbCrO4(f) b) Zu der Lösung werden einige Tropfen NaI-Lösung gegeben. Auch hier bestätigt die gelbe Fällung von PbI2 die Anwesenheit von Pb. Pb2+ + 2I-  PbI2(f) c) Da sich beim Abkühlen keine glänzenden PbCl2-Kristalle abscheiden, ist die Anwesenheit von viel Blei auszuschließen. Pb2+ + 2Cl-  PbCl2(f)

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4.2.2 Prüfung auf Hg22+ Der nach der Extraktion auf dem Filter verbliebene Rückstand wird mit ¼ Reagenzglasfüllung verd. NH3-Lösung übergossen. Eine auch nach dreimaliger Wiederholung des Übergießens unveränderte Farbe, eine nichteintretende Schwarzfärbung, des Niederschlags schließt die Anwesenheit von Hg22+ aus. 4.2.3 Prüfung auf Ag+ Das Filtrat wird mit verd. HNO3 angesäuert. Der auftretende, weiße Niederschlag weist Ag nach. Er geht mit NH3 wieder in Lösung, durch Zusatz von KI fällt gelbes AgI aus. Ag+ + I-  AgI(f) 4.3 Abtrennung und Identifizierung von Ca2+, Sr2+, Ba2+, Li+, Na+ und K+ Das Filtrat der HCl-Gruppe wird mit verdünntem Ammoniak basisch gemacht, mit Ammoniumcarbonat-Lösung versetzt und aufgekocht. Es entsteht ein weißer Niederschlag, der die Anwesenheit von Erdalkalimetallen nachweist. Dieser Niederschlag wird abfiltriert und zweimal mit destilliertem Wasser gewaschen. Bei spektroskopischer Untersuchung des Filtrats sind über die ablesbaren Wellenlängen 670 nm und 589 nm die Alkalimetalle Li und Na nachzuweisen! Der Niederschlag der Erdalkalimetalle wird in wenig verdünnter Essigsäure gelöst. Um diesen auf Anwesenheit von Barium zu testen, setzt man einem kleinen Teil der Lösung eine kleine Spatelspitze Natriumacetat zu und gibt Kaliumdichromatlösung hinzu. Aufgrund eines auftretenden gelben Niederschlags ist zunächst auf die Anwesenheit von Barium zu tippen; da sich Barium aber nicht in der zu untersuchenden Probe befindet, lässt die Ausfällung nur auf die Anwesenheit von Blei schließen, da dies wie Barium mit Kaliumdichromat ausfällt. Es ist wahrscheinlich, dass unter 4.1 die Abkühlung nicht genügend stattgefunden hat und das Blei so weiter in die Erdalkaligruppe mitgetragen wurde. Also werden nun weiter wenige Tropfen Kaliumdichromat der Lösung zugesetzt, der Niederschlag abgetrennt und nun regulär weiterverfahren: Um auf Sr2+ zu prüfen, versetzt man das Filtrat der Probe nun wie in 3.3 mit Gipswasser. Es ist ein weißer Niederschlag zu beobachten, der die Anwesenheit von Sr2+ eindeutig nachweist. Da bei Zusatz von einigen Tropfen Ammoniumoxalat-Lösung nach Zugabe von verdünnter Essigsäure und einer Spatelspitze Natriumacetat zu dem Filtrat keine Ausfällung von weißem CaC2O4 zu beobachten ist, ist die Anwesenheit von Ca2+ auszuschließen.

Somit enthält die zu untersuchende Probe folgende Kationen: -

Pb2+ Ag+ Na+ Li+ Sr2+

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