Gravimetrie und Redoxtitration

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1 Praktikum 1 Chemie Gravimetrie und Redoxtitration WS 006 /07 Verfasser: David Weibel, Carlo Weingart weibeld@student.ethz.ch carlow@student.ethz.ch Datum: Assistentin: Maha Maglinao

2 Zusammenfassung: In diesem Versuch wurden zwei Experimente durchgeführt. In einem ersten Experiment wurde mittels Gravimetrie der Nickelgehalt einer 10 Rappen Münze bestimmt. Dafür wurde die Münze in Salpetersäure und Salzsäure aufgelöst. Die entstehenden Kupferionen werden an das Thiosulfat gebunden und die Nickelionen bilden einen Komplex mit dem Dimethylglyoxim. Der Ni-DMG Komplex wurde in einer Keramiknutsche gefiltert und anschliessend getrocknet. Aus dem Gewicht des Substrates errechnete man den Nickelgehalt der Münze. Das gemittelte Resultat von 1.7 wt% wich nur gering von dem theoretischen Ni-Gehalt von 5 wt% ab bei einer Standardabweichung von.69. Im zweiten Experiment wurde der Kupfergehalt einer 10 Cent Euro Münze mittels Iodometrie bestimmt. Wiederum wurde die Münze in Salpetersäure und Schwefelsäure aufgelöst. Danach wurden die Kupferionen mit dem Iodid aus dem beigefügten Kaliumiodid gebunden. Diese Lösung wurde mit Natriumthiosulfat titriert. Die erhaltenen Werte für den Kupfergehalt von über 140 wt% waren unrealistisch und enorm über dem theoretischen Wert von 89 wt%. Wir haben den Endpunkt der Titration verpasst, weil wir die Versuchsvorschrift an diesem Punkt missverstanden haben. Wir konnten den Cu-Gehalt also nicht genügend genau bestimmen. David Weibel / Carlo Weingart - 1 -

3 1 Einleitung 1.1 Ziel Dieser Versuch bestand aus zwei Teilversuchen. Das Ziel des ersten Experiments war, der Massenprozentgehalt an Nickel in einer 10 Rappen Münze zu messen. Dabei kam die Methode der Gravimetrie zum Einsatz. Das Ziel des zweiten Experiments war, der Massenprozentgehalt an Kupfer in einer 10 Cent Euro Münze iodometrisch zu bestimmen. 1. Methode der Gravimetrie Die Gravimetrie ist ein analytisches Verfahren um die Konzentration einer chemischen Verbindung in einer Lösung durch eine Fällungsreaktion zu bestimmen. In unserem Fall war dies Nickel. Dazu musste die Münze aufgelöst werden um das Nickel zu separieren. Das Nickel wurde anschliessend in einen schwer löslichen Komplex mit bekannter Stöchiometrie überführt. Mit dem Wägen der Münze und dem Produkt konnte der Nickelgehalt bestimmt werden Auflösung der Cu/Ni-Legierung (Oxidation) Die Münze, bestehend aus einer Cu/Ni-Legierung wird mittels konzentrierter Salpetersäure aufgelöst, wobei die Metalle oxidiert werden. Es entstehen dabei giftige Stickstoffverbindungen (NO x ), welche als braun-rotes Gas aus der Lösung steigen. [1] Cu( s) Cu Ni( s) Ni NO ( aq) + H NO ( aq) + 4H ( aq) + e ( aq) + e + + ( aq) + e ( aq) + 3e NO ( g) + H NO( g) + H O( l) O( l) 1.. Komplexbildung Die Metalle liegen nun in Form von Ni + und Cu + Ionen aquatisiert vor. Das Kupferion wird mit dem Thiosulfat-Anion komplexiert. Der entstehende Komplex ist gut wasserlöslich und reagiert nicht mit dem Dimethylglyoxim. Somit entstehen in der Lösung mit DMG nur die schwer-löslichen [Ni(HDMG) ]-Komplexe, welche als rötlichen Feststoff ausfallen. [1] Abb.1: Bildung des Ni-Komplexes David Weibel / Carlo Weingart - -

4 1..3 Berechnung Mit Hilfe der gemessenen Masse vom erhaltenen Ni-Komplex kann man die Masse vom vorhandenen reinen Ni wie folgt berechnen: ( Ni( HDMG) ) 5) M ( = M ( Ni( HDMG) ) M( = g/mol, M(Ni(HDMG) ) = g/mol Die Masse des Komplexes wird mit 5 multipliziert, weil nur 0% der Lösung verwendet wurde. Aus der Masse an Ni kann der Gehalt an Ni in der Münze berechnet werden: 100% = wt%( coin) Der molare Prozentgehalt wird wie folgt berechnet: M ( *100% = mol% Ni coin) + M ( Cu) M ( 1.3 Methode der Iodometrie Die Iodometrie ist eine Redoxtitration zur analytischen Bestimmung von chemischen Substanzen (in unserem Fall Cu) mit Hilfe von Iod. Das freie Iod hat eine oxidierende, das Iodid-Ion eine reduzierende Wirkung. Die Stöchiometrie des schwer löslichen Komplexes (CuI) muss dabei bekannt sein Bildung des Kupferiodid Wenn man zu den Kupferionen einen Überschuss an Iodid-Anionen beifügt bildet sich das schwerlösliche Kupferiodid. Dieser Feststoff fällt als gelblichweisser Niederschlag aus. [1] (1) Cu I - CuI + I 1.3. Titration mit Thiosulfat Das gebildete Iod wird mit einer Thiosulfatlösung spezifisch titriert. Dabei verschiebt sich das Gleichgewicht der obigen Reaktion gemäss Le Chatelier nach rechts. Die Titration ist beendet wenn alle Kupferionen zu Kupferiodid umgewandelt wurden und kein Iod mehr entsteht. [1] () I + S O 3 - I - + S 4 O 6 - Parallel dazu bildet sich folgendes Gleichgewicht: David Weibel / Carlo Weingart - 3 -

5 (3) I + I - (aq) I 3 - Die Triiodid-Anionen sind an ihrer sehr kräftigen braun-roten Farbe erkennbar. Wenn kein Iod mehr vorhanden ist, gibt es auch kein Triiodid mehr und die Lösung erscheint farblos Berechnung Die Gleichungen (1) und () zeigen dass pro mol Kupfer gleich viel mol Thiosulfat reagiert. Deshalb kann man den Gehalt an Kupfer der Münze direkt berechnen: n( Na ) * S O3 M ( Cu) *10 *100% = wt%( Cu) Münze) M(Cu) = g/mol Die Stoffmenge an Thiosulfat muss mit dem Faktor 10 multipliziert werden, weil pro Messung nur 10% der Lösung verwendet wurde. 1.4 Fehlerrechnung Der Mittelwert wurde wie folgt berechnet: 1 m = * n n= Anzahl Werte, x= Werte n x i i= 1 Die Standardabweichung wurde aus dem Mittelwert gemäss folgender Formel berechnet: s = n i= 1 ( x i a) n Leitstoffe Die Leitstoffe dieses Versuches waren Kupfer und Nickel aus den jeweiligen Münzen. Auch Salpetersäure, konzentrierte Salzsäure, Dimethylglyoxim, und Natriumthiosulfat wurden verwendet. 1.6 Hypothese 1. Mit der Methode der Gravimetrie sollte es möglich sein den Nickelgehalt einer Münze zu bestimmen. Wenn man das genaue Gewicht der Münze kennt sollte man dann den prozentualen Gehalt berechnen können. David Weibel / Carlo Weingart - 4 -

6 . Wenn man mit Hilfe der Iodometrie die Menge an Kupfer in einer Lösung exakt bestimmen kann sollte es möglich sein den prozentualen Gehalt an Kupfer in einer 10 Cent Euro Münze zu berechnen. Material und Methode.1 Gravimetrie.1.1 Material Für dieses Experiment wurde eine 10 Rappen Münze analysiert. Sie wurde mit 15M (65%) Salpetersäure (HNO 3 ) und 1M Salzsäure (HCL) aufgelöst. Weiter benötigte man 00g/l Weinsäure (C 4 H 6 O 6 ) und 00g/l Natriumthiosulfat (Na S O 3 ) für die Maskierung und Komplexbildung des Kupfers. Danach wurde M HCL, 5wt% Ammoniumhydroxid (NH 4 OH) und 00g/l Ammoniumacetat (NH 3 CH 3 COO) benötigt um den ph der Lösung einzustellen. Schliesslich verwendete man Dimethylglyoxime (10g in 1l Ethanol) um den Nickel-Komplex zu bilden..1. Methode Auflösung der Münze / Herstellung der Stammlösung: Zuerst wurde die Münze mit Aceton gewaschen und mit einem Papiertuch getrocknet. Anschliessend hat man auf der digitalen Waage die Masse bestimmt. Die Münze wird in ein 400ml Becherglas gegeben und 0ml Salpetersäure zugefügt. Dabei wurde langsam erhitzt bis sie nach 0min. anfängt zu sieden. Danach wird so lange Salzsäure zugegeben bis keine nitrosen Gase mehr entweichen. Die Metallionen sind nun in einer blau-grünen Lösung gelöst. Die erhaltne Lösung wird nun in einen 1000ml Messkolben gegeben. Das Becherglas wird dabei mehrmals mit entionisiertem Wasser ausgewaschen und ebenfalls in den Messkolben gegeben. Anschliessend hat man den Messkolben mit entionisiertem Wasser aufgefüllt. Bestimmung des Nickelgehalts: 00ml der Stammlösung wurde in ein 600ml Becherglas gegeben. Dann hat man 5ml der Weinsäure dazugegeben. Ab jetzt wird mit dem ph-meter gearbeitet. Es wird Ammoniumhydroxid dazugegeben bis die Lösung leicht alkalisch reagiert. Jetzt gibt man Salzsäure dazu, bis die Lösung einen ph von 3-5 aufweist. Das Becherglas wird mit entionisiertem Wasser aufgefüllt bis 400ml. Die Lösung wird dann auf exakt 45 C aufgeheizt und danach gibt man 15ml Natriumthiosulfat dazu. Das Kupfer wurde während einer 15min. Wartezeit maskiert. Danach gibt man 40ml 1% DMG sowie 40ml Ammoniumacetat dazu (ph 6.5-7). Die dunkelrote Lösung wurde unter rühren während 30min abgekühlt. Dieser Vorgang wurde mit zwei weiteren 600ml Bechergläsern wiederholt. David Weibel / Carlo Weingart - 5 -

7 Drei Keramiknutschen wurden gewogen und beschriftet. Dann wurden die erstellten Lösungen mit jeweils einer Nutsche gefiltert. Dabei bleibt der Ni- Komplex im Filter zurück und dieser wurde über Nacht in den Trockenofen gestellt (110 C). Die Keramiknutschen wurden dann erneut gewogen.. Iodometrie..1 Material Die Leitsubstanz in diesem Experiment war eine 10 Cent Euro Münze von Irland. Die Münze wurde in 15M Salpetersäure (HNO 3 ) und konzentrierter Schwefelsäure (H SO 4 95% - 97%) aufgelöst. Für die iodometrische Bestimmung des Kupfers wurde eine Stärkelösung (0.g/l), festes Kaliumiodid, Harnstoff-Lösung (CH 4 N O 100g/l) und Natriumthiosulfat Lösung (Na S O 3 0.M) verwendet... Methode Herstellung der Stammlösung: Die Münze wurde in ein 50ml Becherglas gegeben und 0ml Salpetersäure dazugegeben. Stickoxide steigen als rot-brauner Rauch auf. Der blaue Niederschlag am Becherrand wurde mit entionisiertem Wasser heruntergewaschen. Sobald keine Stickoxide mehr aufstiegen wurden 0ml Schwefelsäure dazugegeben. Die Lösung hat man nun bis zum Sieden langsam erhitzt um die letzten NO x aus der Lösung zu entfernen. Danach wurde die Lösung auf Raumtemperatur abgekühlt. Die erhaltene Lösung wird in einen 50ml Messkolben gegeben. Das Becherglas wurde mit entionisiertem Wasser mehrmals ausgespült und ebenfalls in den Messkolben gegeben. Danach wurde der Messkolben aufgefüllt. Titration: Mit der Vollpipette wurden5ml der Stammlösung in einen 100ml Erlenmeyerkolben gegeben. Man hat 10ml der Harnstofflösung dazugegeben und auf den Magnetrührer gestellt. Nach 5 Minuten wurde g Kaliumiodid dazugegeben, worauf sich braun-grüner Niederschlag bildete. Dieser liess man sedimentieren. Man hat danach mit der langsamen Titration mit Natriumthiosulfat begonnen. Sobald die Lösung nur noch leicht gelb war, hat man ml Stärkelösung dazugegeben. Die Lösung verfärbte sich blau bis violett. Jetzt wurde die Titration nur noch Tropfenweise weitergeführt. Die Titration war beendet, sobald die Oberfläche farblos war oder sich leicht weiss verfärbte. David Weibel / Carlo Weingart - 6 -

8 3 Resultate 3.1 Gravimetrie Tabelle 1: Das Gewicht und theoretischer Ni-Gehalt der Münze Theoretischer wt% Theoretischer Gehalt an Alter Ni in der Münze [] Gewicht nach Reinigung Nickel Münze %.974 ± g ± g Tabelle 1 zeigt das gemessene Gewicht nach der Reinigung mit Aceton (.974g), sowie den theoretischen Gehalt an Nickel von 0.744g, respektive 5%. Tabelle : Berechnete Massen, wt% und Mol% Ni der drei Proben inkl. Fehlerrechnung 1. Probe. Probe 3. Probe Durchschnitt Standardabweichung Ni(HDMG) ) ± [g] [g] Wt% Ni [%] Mol% Ni [%] Der Gehalt an Nickel in Massenprozenten beträgt bei der ersten Probe 4.11, bei der zweiten.19 und bei der dritten einen massiv tieferen Wert von Iodometrie Tabelle 3: Gewicht, Alter, Herkunft und theoretischer Kupfergehalt der Münze Alter, Theoretischer wt% Cu in der Gewicht der Theoretischer Herkunftsland Münze [3] Münze Gehalt an Kupfer Münze Ireland % ± 0.001g ± 0.001g Die irische Münze hat einen theoretischen Kupfergehalt von 3.641g, respektive 89%. (Tab 3) Tabelle 4: Berechneter Kupfergehalt der drei Proben inkl. Fehlerrechnung 1. Probe. Probe 3. Probe Durchschnitt Standardabweichung V(Na S O 3 ) ± 0.1 [ml] C(Na S O 3 ) [mol/l] Cu) ± [g] Wt% Cu [%] Die Massen des erhaltenen Kupfer betragen zwischen 5.85 und 6.1g. Die Standardabweichung beträgt dabei nur Der durchschnittliche Wert für den massenprozentualen Anteil an Kupfer beträgt 140%. David Weibel / Carlo Weingart - 7 -

9 4 Diskussion 4.1 Gravimetrie Vergleich der Resultate mit der Hypothese Im Verlaufe des Versuchs konnten wir die Hypothese bestätigen. Mit Hilfe der Gravimetrie bestimmten wir in den drei Proben einen Durchschnittswert von 1.70 wt% Ni in der Münze. Dieser Wert war recht nahe am theoretisch exakten Wert von 5 wt%. Die erste Probe wich sogar nur 0.89% vom theoretischen Wert ab Kritische Beurteilung & Verbesserung Die im Vergleich zu den anderen beiden Proben grosse Abweichung der dritten Probe vom exakten Wert (6. wt%) lässt sich folgendermassen erklären. Die dritte Probe hatte viel weniger Zeit um die Ni-Komplexe zu bilden. Vielleicht wurde nicht alles Ni in der Lösung komplexiert. Da die Resultate doch recht exakt zu sein scheinen, sollte man nichts an dem Versuch verändern. 4. Iodometrie 4..1 Vergleich der Resultate mit der Hypothese Die Hypothese konnte nicht bestätigt werden. Die Resultate bezüglich des Kupferanteils in der Münze waren nicht zuverlässig. Somit kann man sagen, dass mit der Iodometrie der Kupfergehalt unserer Münze nicht ermittelt werden konnte. 4.. Kritische Beurteilung & Verbesserung In diesem Experiment hat man im Durchschnitt einen Kupferanteil von wt% erhalten. Dieser Wert ist natürlich vollkommen unmöglich und weicht sehr stark vom theoretischen Kupfergehalt in der Münze von 89 wt% ab. Obwohl die erhaltenen Werte für die drei Proben alle viel zu hoch waren, sind sie doch sehr nahe beieinander. Dies zeigt auch die kleine Standardabweichung von 3.1. Dies lässt sich folgendermassen erklären: Während der Titration wurde so viel Natriumthiosulfat hinzugegeben, bis die gesamte Lösung eine klare bis weissliche Farbe erhielt. Das war nicht korrekt, da anstelle der gesamten Lösung nur die oberste Schicht eine klare Farbe erhalten sollte. Wir haben diesen Punkt in der Versuchsanleitung missverstanden. Um sagen zu können, was man an dem Versuch verbessern könnte müsste man zuerst den Versuch nochmals durchführen. So könnte man sehen was für Resultate die Methode liefert, wenn die Titration am richtigen Zeitpunkt gestoppt wird. Da die Iodometrie eine sehr genaue Methode ist, sollten eigentlich die Resultate dann viel exakter herauskommen. David Weibel / Carlo Weingart - 8 -

10 5 Quellen [1] Versuchsvorschrift zum Versuch Gravimetrie und Iodometrie, Praktikum I, Peter Walde 005 [] besucht am [3] besucht am David Weibel / Carlo Weingart - 9 -