Praktikum Quantitative Analysen

Transkript

1 Praktikum Quantitative Analysen Wintersemester 2010/11

2 A: klassische Methoden vorwiegend chemische Arbeitsmethoden Bestimmung der Bestandteile durch eine chemische Reaktion Gravimetrie Die zu bestimmende Substanz wird vollständig gefällt und anschließend der Niederschlag ausgewogen. Masse des Niederschlags Ergebnis. Volumetrie - Maßanalyse - Titration Die zu bestimmende Substanz wird mit einer Reagenzlösung mit bekannter Konzentration vollständig umgesetzt. Verbrauch und Konzentration der Reagenzlösung Ergebnis. Titer: Gehalt der Lösung Gasanalyse Einzelne Gase werden aus dem Gasgemisch entfernt. Volumenabnahme Ergebnis.

3 Systematischer Gang Seminar Quantitative Analysen einer gravimetrischen Bestimmung 1 Entnahme und Vorbereitung der Probe 2 Einwaage der Probe 3 Lösen bzw. Aufschließen der Probe 4 Fällen des zu bestimmenden Bestandteils bzw. abtrennen von anderen Bestandteilen Fällungsform 5 Filtrieren und auswaschen des Niederschlages 6 Trocknen bzw. überführen des Niederschlages in eine Wägeform 7 Auswaage der Wägeform 8 Berechnung des Ergebnisses

4 1. Entnahme und Vorbereitung der Probe Seminar Quantitative Analysen Ziel: Gewinnung einer Probe mit konstanter mittleren Zusammensetzung Durchschnittsmuster Methode: Zerkleinern und mischen großer Substanzmengen 2. Einwaage der Probe Wichtige Eigenschaften der Analysenwaage (für die Makroanalyse): Genauigkeit:± 0,1 mg Empfindlichkeit: 2 3 Skalenteilen (SKT) bei 1 mg Übergewicht 3. Lösen bzw. Aufschließen der Substanz Lösen in Säuren: HCl, HNO 3, H 2 SO 4, HCl + HNO 3, HCl + Br 2, HCl + KClO 3, HClO 4 Schmelzaufschluß: Na 2 CO 3, NaOH, Na 2 O 2, Na 2 CO 3 + KNO 3, Na 2 CO 3 + S 8, K 2 S 2 O 7

5 Aufschlußverfahren Seminar Quantitative Analysen Analysensubstanz Aufschlußart Aufschlußmittel Tiegel Silikate, Sulfate alkalisch Na 2 CO 3 Pt Silikate und Cr- und Sn-Erze Silikate für Na- und K- Bestimmung alkalisch NaOH oder KOH Ag, Ni alkalisch CaCO 3 + NH 4 Cl Pt Sulfide alkalisch - oxidierend Na 2 CO 3 oder K 2 CO 3 und NaNO 3 oder KNO 3 Fe, Ni Sulfide; Cr- und Sn- Erze; Cr- und Sihaltige Legierungen alkalisch - oxidierend Na 2 O 2 + Na 2 CO 3 Fe, Ni Ag As-, Sb-, Sn-haltige Substanzen alkalisch - schwefelnd Na 2 CO 3 + S 8 Freiberger-Aufschluß Porzellan basische und amphotere Oxide sauer KHSO 4 oder K 2 S 2 O 7 Pt

6 4. Fällen Niederschlag = Fällungsform Ein Niederschlag ist als Fällungsform geeignet, wenn a) die zu bestimmende Substanz vollständig gefällt wird; eine Fällung ist quantitativ, wenn c(x) Rest 10-6 mol/l b) der Niederschlag sauber ist, d. h. keine anderen Ionen mitgefällt werden. zu b) Gut kristalline Niederschläge meist sauber wie z. B. (NH 4 )MgPO 4, BaSO 4, CaC 2 O 4 langsam fällen!!!! Käsige Niederschläge wie z. B. Fe(OH) 3 oder Al(OH) 3 sind als ausgeflockte Kolloidale durch adsorbierte Ionen verunreinigt. Zusatz von Elektrolyten, die bevorzugt adsorbiert werden und beim Trocknen oder Glühen des Niederschlages flüchtig sind. z. B. Zusatz von NH 4+ beim Fällen von Fe(OH) 3

7 Löslichkeit Seminar Quantitative Analysen Die quantitative Löslichkeit = Sättigungskonzentration in reinem H 2 O gibt die Menge eines Stoffes an, die unter gegebenen Bedingungen (T, p, wenn nicht anders angegeben Standardbedingungen) maximal in einer bestimmten Menge der Lösung löslich ist. = L m+ n m K m L n n Def.: Die Lösung enthält keine undissoziierten Moleküle (z. B. AgCl) d. h. es handelt sich in der Regel um starke, vollständig dissoziierte Elektrolyte, die beim Überschreiten der Sättigungskonzentration aus der Lösung ausfallen. Ein Elektrolyt der allgemeinen Zusammensetzung A m B n reagiert somit in Lösung vollständig zu n A m und m B n.

8 Beispiel 1 Seminar Quantitative Analysen Ist die Fällung von Cl - als AgCl bei Zugabe der äquivalenten Menge an AgNO 3 quantitativ? Cl - + Ag + AgCl K L (AgCl) = 1, mol 2 /l 2 Zugabe der äquivalenten Menge bedeutet: c(cl - ) = c(ag + ) und c mol (AgCl) l Sä (Cl ) = L(AgCl) = KL = 1,7 10 = c Sä (Cl - ) > 10-6 mol/l 1, mol l Die Fällung ist bei Zugabe äquivalenter Mengen nicht quantitativ!!!

9 Beispiel 2 Seminar Quantitative Analysen Ist die Fällung von Fe 3+ als Fe(OH) 3 bei Zugabe der äquivalenten Menge an OH - quantitativ? Fe OH - Fe(OH) 3 K L (Fe(OH) 3 ) = 3, mol 4 /l 4 Zugabe der äquivalenten Menge bedeutet: c(oh - ) = 3 c(fe 3+ ) und c K (Fe(OH) ) (Fe ) L(Fe(OH) ) 1 3 L 3 4 Sä = 3 = + = = , , mol l c Sä (Fe 3+ ) < 10-6 mol/l Die Fällung ist bei Zugabe äquivalenter Mengen quantitativ!!!

10 zu 4a) Beeinflussung der Löslichkeit Temperaturänderung Erniedrigung der Temperatur Erniedrigung des Löslichkeitsproduktes K L und damit der Löslichkeit. Änderung des Lösungsmittels Zusatz von organischen Lösungsmitteln Verkleinerung des Löslichkeitsproduktes K L von rein anorganischen Salzen. PbSO 4 : % Ethanol Zeiteinfluß Stehen lassen des Niederschlags unter der Lösung Aufhebung der Übersättigungserscheinung.

11 Regeln zur Durchführung einer Fällung Angestrebt: 1.) Ein gut kristalliner (d. h. sauberer), grobkristalliner (d. h. gut filtrierbarer) Niederschlag. Soweit es die Löslichkeit erlaubt: Analysenlösung und Fällungsmittel verdünnen; in der Hitze fällen; langsam, tropfenweise unter Rühren fällen 2.) Eine quantitative Fällung event. Zusatz eines organischen Lösungsmittels; Fällungsmittel in geringem Überschuß zugeben; Lösung event. vor der Filtration abkühlen lassen; zur Aufhebung von Übersättigungserscheinungen einige Stunden stehen lassen. Ein geringfügig verunreinigter Niederschlag wird nach der Filtration wieder aufgelöst und ein zweites mal gefällt. Umkristallisation bzw. der Niederschlag wird umgefällt

12 5. Filtrieren und Auswaschen des Niederschlages Methoden der Filtration, Filtermaterialen a) Analysentrichter mit Papierfilter Analysentrichter: Trichter aus Glas mit einem langen Ablaufrohr Filterpapier: Quantitative Filter ; Rückstand beim Veraschen maximal 0,1 mg Schwarzbandfilter: große Porenweite 7 µm z. B. Fe(OH) 3, Al(OH) 3 Weißbandfilter: mittlere Porenweite 5 µm z.b. Sulfide Rotbandfilter: kleine Porenweite 3 µm Blaubandfilter: kleine Porenweite 2 µm z. B. BaSO 4!!

13 b) Vakuum-Filtrierapparatur mit Filtertiegeln Glasfiltertiegel Erläuterung zur Bezeichnung von Glasfiltertiegeln: Seminar Quantitative Analysen Erste Zahl Buchstabe Zweite Zahl Größe Material Porendurchmesser 1 = 30 ml G = Geräteglas µm 2 = 50 ml D = Duranglas µm 10 = 15 ml N = Normalglas µm B = Quarzglas µm µm µm 5 < 1 3 µm

14 Porzellanfiltertiegel Kennzeichnung: Erste Zahl Buchstabe Zweite Zahl z. B. 1 A 1 oder 2 P 2 erste Zahl = Größenangabe (steigende Zahl steigende Größe) Buchstabe: A oder P, hängt vom Hersteller ab; gibt in der Kombination mit der 2. Zahl die exakte Porenweite an Zweite Zahl = Angabe der Porenweite (steigende Zahl = zunehmende Porenweite) Porosität: 1 = 6 µm 2 = 7 µm 3 = 8 µm Vorteil gegenüber dem Glasfiltertiegel: Temperaturbeständig bis 1000 C!!!

15 Ausführung der Filtration und Auswaschen des Niederschlages Die Hauptmenge der Lösung wird vom abgesetzten Niederschlag abdekantiert; der Niederschlag wird mit mehreren kleinen Portionen Waschlösung im Becherglas unter Dekantieren gewaschen; erst der ausgewaschene Niederschlag wird mit wenig Waschlösung auf den Filtertiegel gespült. Wahl der Waschflüssigkeit: Reines Wasser ist meistens ungeeignet Fehler: a) Löslichkeit der Niederschlages zu hoch! Abhilfe: Zusatz von etwas Fällungsmittel oder / und einem organischen LM: Waschen in der Kälte b) Niederschlag läuft kolloidal durch! Abhilfe: Zusatz von Salzen, Säuren oder Basen, die die am Niederschlag adsorbierten Ionen ( nötig zur Ausflockung des Kolloids) ersetzen; sie müssen beim Trocknen des Niederschlages flüchtig sein. NH 4 F, NH 4 NO 3, NH 4 CH 3 COO, HCl, HNO 3, CH 3 COOH, NH 3 c) In der Lösung vorhandene Salze hydrolysieren Verunreinigung des Niederschlages! Abhilfe: Zusatz einer verdünnten Säure.

16 6. Trocknen bzw. Überführen des Niederschlages in die Wägeform Niederschlag über Papierfilter filtrieren Wägeform Fällungsform (i. allg.) z. B. Fe 2 O 3 Fe(OH) 3 Filter im Porzellantiegel veraschen und Rückstand mit dem Brenner oder im Muffelofen bei ca C glühen. Niederschläge über Glas- oder Porzellanfiltertiegel filtrieren a) Fällungsform = Wägeform Niederschlag wird im Glasfiltertiegel bei ca C im Trockenschrank getrocknet z. B. CaC 2 O 4 b) Fällungsform Wägeform Niederschlag wird im Porzellanfiltertiegel bei ca C geglüht z. B. Fe 2 O 3 Es muß immer auf Gewichtskonstanz geprüft werden!!

17 Beim Trocknen des Niederschlages bzw. der Überführung der Fällungsform in in die Wägeform sind verschiedene Punkte zu beachten: Die Trockenschränke und Öfen sind zum Trocknen bzw. Glühen da jedoch nicht zur Durchführung von Reaktionen!!! Sie werden über Nacht abgeschaltet hohe Temperatur: Gefahr des Verspritzens, wenn der Niederschlag noch sehr feucht ist evtl. im Trockenschrank vortrocknen (~110 C) Tiegelschuhe verwenden (Fehler vermeiden) festbacken im Muffelofen vermeiden (mögliche Ursache: Glasur am Boden) Trocknungszeit und -temperatur im Protokoll vermerken stets absolut gleiche Zeiten einhalten

18 7. Auswaage der Wägeform Seminar Quantitative Analysen Die Auswaage erfolgt nach dem vollständigen Abkühlen im Exsikkator auf der Analysenwaage Grund: H 2 O am Tiegel (Kondenswasser) bzw. Auftrieb durch heiße Luft Analysenwaagen sind sehr genau (± 0,1 mg) aber auch sehr empfindlich!!! Sauberkeit Scheibe schließen Tiegel müssen kalt und in Ruhe sein

19 8. Berechnung des Ergebnisses Benötigt wird der stöchiometrische Faktor ; er gibt an, wieviel Gramm der gesuchten Substanz einem Gramm der Auswaage entspricht. F gewogen gesucht = f f 2 1 M(gesucht) M(gewogen) z.b. 2 (NH4 )Mg[PO 1 Mg P O ] f 1 und f 2 müssen so gewählt werden, daß im Zähler und im Nenner die gleiche Anzahl des bestimmten Elementes stehen. Die Masse der gesuchten Substanz berechnet sich dann wie folgt: m(gesucht) = F m(gewogen) bzw. m(gesucht) = F m(gewogen) 100 m(einwaage)