How To Determine The

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1 ZÜRCHER HCHSCHULE FÜR ANGEWANDTE WISSENSCHAFTEN DEPARTEMENT LIFE SCIENCES UND FACILITY MANAGEMENT INSTITUT FÜR CHEMIE UND BILGISCHE CHEMIE (ICBC) WÄDENSWIL Aufschluss von Legierungen Messing von Remo Badertscher Ramona Bernet (Gruppe 3) Dozent: Dr. C. Yeretzian Praktikum: Chemisches Grundpraktikum CH08 Abgabedatum:

2 Abstract Von einer unbekannten Probe sowie von dem Reaktionsprodukt der cis- Bis(glycinato)kupfer(II)-Synthese wird ein Aufschluss durchgeführt und anschliessend der Cu-Gehalt iodometrisch bestimmt. Ergebnisse: Titer Natriumthiosulfatlösung t = Probe Nr. 102 (3), Cu w(cu 2+ ) = 64.62% ± 0.16% cis-bis(glycinato)kupfer(ii) (Syntheseprodukt vom ) w(cu 2+ ) = 30.52% ± 0.73%

3 Inhaltsverzeichnis 1 Vertiefte Aufgabenstellung Theoretischer Teil Titerbestimmung der Natriumthiosulfatlösung 0.1 mol/l Quantitative Analyse von Kupfer in Messing Aufschluss Titration Quantitative Analyse von Kupfer in cis-bis(glycinato)kupfer(ii) Aufschluss Titration Iod-Stärke-Komplex Anwendungsbeispiel Praktischer Teil Chemikalien und Geräteparameter Verwendete Geräte Verwendete Chemikalien: Durchführung Resultate, Messdaten, Auswertung Titerbestimmung Natriumthiosulfat 0.1 mol/l Cu-Gehaltsbestimmung mittels Iodometrie Validierung der Resultate/ Fehlerrechnung Diskussion und Ausblick Literaturverzeichnis Anhang Sicherheitsdaten... 12

4 1 Vertiefte Aufgabenstellung Von einer unbekannten Probe sowie von dem Reaktionsprodukt der cis-bis(glycinato)kupfer(ii)-synthese wird ein Aufschluss mit konzentrierter Salpetersäure durchgeführt und anschliessend mittels Iodometrie der Cu-Gehalt bestimmt. Der Aufschluss wird jeweils im Doppel durchgeführt und der Cu-Gehalt dreifach bestimmt. 2 Theoretischer Teil Aufschluss: Bei einem Aufschluss handelt es sich um einen Vorgang der chemischen Analytik bei dem schwerlösliche Stoffe in säure- oder wasserlösliche Verbindungen überführt und so für deren Analyse zugänglich gemacht werden. Legierung: Unter einer Legierung versteht man ein homogenes Gemisch mit metallischem Charakter, das aus zwei oder mehr Elementen besteht, wobei mindestens eines davon ein Metall ist. Unsere Legierung Messing besteht aus Kupfer und Zink. 2.1 Titerbestimmung der Natriumthiosulfatlösung 0.1 mol/l Aus Kaliumiodat (KI 3 ) und Kaliumiodid (KI) entsteht in saurer Lösung elementares Iod (I 2 ). xidation: Reduktion: Gesamtreaktion: Da man aber einen Überschuss an Kaliumiodid zugibt, reagiert es mit dem gebildeten elementaren Iod weiter zu Polyiodiden (, ). Da elementares Iod nicht gut Aufschluss von Legierungen Messing CGP CH 08_01 Seite 1 von 14

5 wasserlöslich ist wird so die Löslichkeit des Iods in Wasser verbessert. Das elementare Iod (I 2 ) wird durch das Thiosulfat ( ) zu Iodid reduziert und das Thiosulfat wird durch das Iod zu Tetrathionat ( ) oxidiert. xidation: Reduktion: Gesamtreaktion: Das Tetrathionat. wird ebenfalls vom Thiosulfat zu Iodid reduziert und oxidiert das Thiosulfat zu xidation: Reduktion: Gesamtreaktion: 2-2- S S S S S S 2+ Abbildung 1: Thiosulfat-Anion Abbildung 2: Tetrathionat-Anion Aufschluss von Legierungen Messing CGP CH 08_01 Seite 2 von 14

6 2.2 Quantitative Analyse von Kupfer in Messing Aufschluss Zuerst werden die Messingspäne mit Salpetersäure ( ) versetzt. xidation: Reduktion: Gesamtreaktion: Durch die Zugabe von reinst Wasser, bilden sich dann hellblaue Hexaaquakupfer(II)- Komplexe, die eine oktaedrische Struktur haben. Das sich bildende, farblose Stickstoffmonoxid ( ) reagiert sofort mit dem Luftsauerstoff zu braunem Stickstoffdioxid ( ). Da Stickstoffoxide sehr giftig sind muss der Aufschluss unbedingt in der Kapelle durchgeführt werden. Um alle nitrose Gase ( ) aus der Lösung auszutreiben, muss sie für einige Minuten zum Sieden erhitzt werden. xidation: Reduktion: Gesamtreaktion: Beim Neutralisieren der Lösung mit Ammoniak entstehen aus den hellblauen Hexaaquakupfer(II)-Komplexen tiefblaue Kupfer(II)hydroxid-Komplexe. Ausserdem neutralisiert das Ammoniak die Salpetersäure und fällt als Ammoniumnitrat aus. Aufschluss von Legierungen Messing CGP CH 08_01 Seite 3 von 14

7 Weil aber gleich wieder mit konzentrierter Essigsäure angesäuert wird löst sich das Ammoniumnitrat wieder. Und der Kupfer(II)hydroxid-Komplex wird zerstört, so dass das Kupfer als vorliegt Titration Das reagiert durch Zugabe von Kaliumiodid ( ) zum instabilen Kupfer(II)iodid ( ), das sofort in wasserunlösliches, gelbes Kupfer(I)iodid ( ) und elementares Iod ( ) zerfällt. xidation: Reduktion: Gesamtreaktion: Das Iod ( ) wird dann mit Natriumthiosulfat zurücktitriert. xidation: Reduktion: Gesamtreaktion: Aufschluss von Legierungen Messing CGP CH 08_01 Seite 4 von 14

8 2.3 Quantitative Analyse von Kupfer in cis-bis(glycinato)kupfer(ii) Aufschluss Grundsätzlich ist der Aufschluss derselbe wie im Kapitel auf Seite 3 beschrieben, ausser dass keine Nitrose Gase entstehen, weil keine xidation des Kupfers stattfindet, da es bereits als vorliegt. Somit findet auch keine Reduktion des Stickstoffs der Salpetersäure zu Stickstoffmonoxid statt Titration Die Titration ist ebenfalls dieselbe wie in Kapitel auf Seite 4 beschrieben ist. 2.4 Iod-Stärke-Komplex Es gibt zwei Typen von Stärke, die Amylose und das Amylopektin. Beides sind D-Glucosen, die α-1,4-glykosidisch miteinander verknüpft sind. Das Amylopektin aber ist zusätzlich noch α-1,6-glykosidisch verzweigt. Abbildung 3: schematische Amylose-Struktur Abbildung 4: schematische Amylopektin-Sturktur Die Stärkelösung muss gekocht werden, damit sich die Amylose in Wasser löst. Aufschluss von Legierungen Messing CGP CH 08_01 Seite 5 von 14

9 Die Stärke bildet in der Natur helikale Strukturen aus. Abbildung 5: helikale Amylose-Struktur Abbildung 6: helikale Amylopektin-Sturktur Wie vorgängig bereits erwähnt reagiert elementares Iod mit Iodid zu Polyiodiden. Diese Polyiodide werden nun in den Einschlusskanälen der Amylose-Helix eingelagert und bilden eine blaue Einschlussverbindung. Abbildung 7: Amylose-Helix mit eingelagerten Polyiodiden Aufschluss von Legierungen Messing CGP CH 08_01 Seite 6 von 14

10 2.5 Anwendungsbeispiel Bestimmung von Kupfer, hauptsächlich in Kupferbergbau- und Raffinierungslösungen. Desweitern kann die Methode in der Bestimmung der Reinheit von Kupfermetallen zum Einsatz kommen. Es werden optimale Ergebnisse erzielt, wenn Aliquote, welche Kupfer im Bereich von ca. 3 6 mmol Cu enthalten, titriert werden. ( 3 Praktischer Teil 3.1 Chemikalien und Geräteparameter Verwendete Geräte Magnetrührwerk Metrohm Dosimat Heizplatte ph-meter Erlenemyerkolben (300 ml) Masskolben (100 ml) Bechergläser (150 ml) Vollpipetten (20 ml) Verwendete Chemikalien: Chemikalien Reinheit Firma Ammoniak conc. intern cis-bis(glycinato)kupfer(ii) - intern entionisiertes Wasser - intern Essigsäure conc. intern Kaliumiodat puriss. p.a. Fluka Kaliumiodid - intern Natriumthiosulfatlösung 0.1 mol/l (Titrisol) Merck Probe: Nr 102 (3) Cu - intern Aufschluss von Legierungen Messing CGP CH 08_01 Seite 7 von 14

11 Salpetersäure conc. intern Salzsäure verd. intern Stärke - intern 3.2 Durchführung Analog Vorschriften 3.5 Aufschluss von Legierungen-Messing und 4.9 Iodometrie. Bemerkungen: Der Aufschluss muss in der Kapelle durchgeführt werden, da giftige nitrose Gase entstehen. Aus den aufgeschlossenen Lösungen (bei 20 C temperiert) wurde jeweils 20mL für die Cu-Gehaltsbestimmung entnommen. (Aliquot = 5) 3.3 Resultate, Messdaten, Auswertung Titerbestimmung Natriumthiosulfat 0.1 mol/l Einwaagen Verbrauch Titer KI 3 Na 2 S 2 3 [g] [mol] [ml] Mittelwert: Titer Natriumthiosulfatlösung = Berechnung Reaktionsgleichung: I I H + 3 I H 2 3 I Na 2 S NaI + 3 Na 2 S 4 6 Aufschluss von Legierungen Messing CGP CH 08_01 Seite 8 von 14

12 allgemeine Berechnung: Beispiel: Bestimmung Cu-Gehaltsbestimmung mittels Iodometrie Probe Nr. 102 (3), Cu Einwaagen Verbrauch Cu-Gehalt Aufschluss KI Na 2 S 2 3 [g] [g] [mol] [ml] [%] Mittelwert: Standardabweichung: 0.16 w(cu 2+ ) = 64.62% ± 0.16% Aufschluss von Legierungen Messing CGP CH 08_01 Seite 9 von 14

13 cis-bis(glycinato)kupfer(ii) (Syntheseprodukt vom ) Einwaagen Verbrauch Cu-Gehalt Aufschluss KI Na 2 S 2 3 [g] [g] [mol] [ml] [%] Mittelwert: Standardabweichnung: 0.73 w(cu 2+ ) = 30.52% ± 0.73% Berechnung Reaktionsgleichung: 2 Cu I - 2 CuI + I 2 I S I - + S allgemeine Berechnung: Beispiel: Probe Nr. 102 (3), Cu; 1.Bestimmung Aufschluss von Legierungen Messing CGP CH 08_01 Seite 10 von 14

14 3.4 Validierung der Resultate/ Fehlerrechnung Für die erhaltenen Resultate gelten die allgemeinen Fehler, welche bei einer Titration entstehen können (z.b. falsches Pipettieren, Übertitration, usw.). Der Umschlag war aber gut zu erkennen, sodass eine Übertitration ausgeschlossen werden kann. 4 Diskussion und Ausblick Der Versuch liess sich mit den vorhandenen Vorschriften ohne Probleme durchführen. Messing besteht ja unteranderem auch noch aus Zink. Warum das Zink nicht ebenfalls mit dem Iodid reagiert und somit für das Ergebnis relevant wird, können wir uns nur durch das Redoxpotential von Zink erklären (Kupfer ist edler als Zink und viele andere Metalle). Zudem kann Zink nur die xidationsstufen +II und 0 annehmen, Kupfer allerdings zusätzlich die xidationsstufe +I, was wiederum beim Redoxpotential hilft (Zwischenschritt möglich). Es ist darauf zu achten, dass nicht in einem zu saurem Milieu titriert wird. Weil das Kupfer(I)iodid in starken Mineralsäuren (wie hier die Salpetersäure) löslich ist und es so passieren könnte, dass das Kupfer(I) mit Luftsauerstoff zu Kupfer(II) oxidiert wird, was einen Mehrverbrauch an Thiosulfatlösung zur Folge hätte. Darum ist es sehr wichtig, dass die Lösung mit Ammoniak neutralisiert wird und dann nur schwach mit Essigsäure angesäuert wird. 5 Literaturverzeichnis (Zugriff am 2.. November 2008). Schönberg, H.: Praktikum in allgemeiner Chemie. Laboratorium für anorganische Chemie ETH Zürich (2003) (Zugriff am 2.. November 2008). (Zugriff am 2. November 2008) Aufschluss von Legierungen Messing CGP CH 08_01 Seite 11 von 14

15 6 Anhang 6.1 Sicherheitsdaten Name Natriumthiosulfatlösung (0.1mol/L) Physikalische Daten Löslichkeit in Wasser bei 20 C: löslich Dichte (20 C): ~1.01 g/cm 3 ph (20 C): ~9-10 Gefahrensymbol - R- und S-Sätze - Entsorgung Kategorie D (Salzlösungen) Name Kaliumiodat (puriss. p.a.) Physikalische Daten Löslichkeit in Wasser bei 20 C: löslich Dichte (20 C): 3.98 g/cm 3 ph (20 C): ~6 Smp: 560 C Gefahrensymbol - R- und S-Sätze R8 Entsorgung Kategorie D (Salzlösungen) Name Kaliumiodid Physikalische Daten Löslichkeit in Wasser bei 20 C: löslich Dichte (20 C): 3.13 g/cm 3 ph (20 C): ~6.9 Smp: 686 C Sdp: 1330 C Gefahrensymbol - R- und S-Sätze - Entsorgung Kategorie D (Salzlösungen) Aufschluss von Legierungen Messing CGP CH 08_01 Seite 12 von 14

16 Name Physikalische Daten Gefahrensymbol Salpetersäure conc. Dichte (20 C): 1.39 g/cm 3 ph (20 C): 0 Smp: ~32 C Sdp: 122 C ätzend R- und S-Sätze R35 S /37/39-45 Entsorgung Kategorie D (anorganische Säure) Name Physikalische Daten Gefahrensymbol Ammoniak conc. Dichte (20 C): 0.88 g/cm 3 Smp: C Sdp: 24.7 C ätzend umweltschädigend R- und S-Sätze R34-50 S 26-36/37/ Entsorgung Kategorie D Name Physikalische Daten Gefahrensymbol Essigsäure verd. - ätzend R- und S-Sätze R10-35 S /37/39-45 Entsorgung Kategorie D (anorganische Säure) Aufschluss von Legierungen Messing CGP CH 08_01 Seite 13 von 14

17 Name Physikalische Daten Gefahrensymbol Salzsäure verd. - ätzend R- und S-Sätze R34-37 S 26-36/37/39-45 Entsorgung Kategorie D (anorganische Säure) Aufschluss von Legierungen Messing CGP CH 08_01 Seite 14 von 14