Analyse einer unbekannten Substanz

Transkript

1 Analyse einer unbekannten Substanz Jorge Ferreiro, 1. Semester, D-CHAB, Assistent : Kyrill Stanek Abstract: In diesem letzten Versuch musste eine vollständige quantitative Analyse einer unbekannten Substanz durchgeführt werden. Dabei wurde das Vorhandensein gewisser Kationen und Anionen mittels der erlernten Verfahren (Soda-Pottasche-Aufschluss, Flammenfärbung, Nachweisreaktionen für Anionen etc.) die Substanz analysiert und somit ihre Zusammensetzung erfahren. Ich habe die Substanz E bekommen, die eine hellblaue bis türkisblaue Färbung hatte und relativ feucht und feinkörnig war. Die Analyse hat folgende Resultate geliefert: Borat, Acetat, Chlorid, Sulfat, Cu 2+, Fe 3+, Zn 2+, Mn 2+ und Li +. Alle diese Anionen bzw. Kationen waren also in der Substanz vorhanden. Bei dieser Analyse muss vor allem auf gewisse Störfaktoren geachtet werden, die bei Nachweisen von ähnlichen Kationen bzw. Anionen der Fall sein können. Zürich, 18. Dezember 2007 Jorge Ferreiro 1

2 1. Einführung In der Wissenschaft steht man sehr oft vor dem Rätsel, welche Substanz man vor sich liegen hat. Oft hat man keine reinen Stoffe, sondern eine Menge Gemische. Um beispielsweise eine quantitative Analyse durchzuführen, muss man geeignete Methoden finden, die je nach dem welche Verbindung im unbekannten Gemisch ist, sehr vorteilhaft sein können. Ein gutes Beispiel dafür ist der Nickelnachweis mit EDTA: Wenn man weiss, dass Nickel in einem Substanzgemisch vorhanden ist, wird man mithilfe der Gravimetrie die Quantität diese Ni 2+ sehr exakt nachweisen können. Um dies jedoch zu tun, muss man durch qualitative Analysen das Nickel ermitteln. In den letzten Versuchen haben wir einige solcher Analysemethoden kennengelernt: die Flammenfärbung, die verschiedenen Aufschlussverfahren oder unzählige Nachweisreaktion für Kationen und Anionen. Das Prinzip dieses Abschlussexperiments ist es, diese Analysemethoden auf ein unbekanntes Substanzgemisch anzuwenden und somit seine genaure Zusammensetzung zu kennen. 2. Verwendete Chemikalien Tab. 1 : Chemikalienliste [2] Summenformel R-Sätze S-Sätze Gefahren Entsorgung NH 4 SCN 20/21/ / Gesundheitsschädlich HCl (1/2-)26-45 Ätzend H 2 SO 4 35 (1/2-) Ätzend, gesunheitsschädlich NH (1/2-) /37/ Giftig, umweltgefährdend KI K 4 [Fe(CN) 6 ] 52/ Metallabfall K 2 C 2 O 4 21/22 (2-)24/25 Gesundheitsschädlich Dmg C 2 H 5 OH 11 (2-)7-16 leichtentzündlich Direkt in den Magen HNO (1/2) Brandfördernd, ätzend PbO 2 20/21/ / Gesundheitsschädlich NaOH 35 (1/2-)26-37/39-45 Ätzend NaCO Reizend K 2 CrO / /43-48/ Sehr giftig, umweltgefährdend Sonderabfall (NH 4 ) 2 CO Reizend Zn-Pulver /53 (2-) Leichentzündlich, Metallabfall 2

3 60/61 umweltgefährdend BaCl (1/2-)45 Giftig Metallabfall H 2 O /22-35 (1/2-) /37/39-45 Brandfördernd, ätzend 3. Vorgehen und Resultate In folgender Tabelle sollen die Resultate kurz und übersichtlich präsentiert werden. Die Erklärungen und Reaktionen folgen dann weiter unten. Folgende Anionen und Kationen habe ich in meinem Substanzgemisch E gefunden: Tab. 2: Resultate der Analyse Das Substanzgemisch E hat eine hellblaue bis türkisblaue Färbung (keine eindeutige Farbe mehr eine Mischung) und ist relativ feucht. Die Körnung ist sehr fein Anionenanalyse Anionen Acetat, Borat, Sulfat, Chlorid Kationen Lithium, Kupfer, Mangan, Zink, Eisen(III) CO achweis: 44 mg der unbekannten Substanz E werden mit einigen Tropfen Essigsäure versetzt. Dabei wird bei Anwesenheit von Carbonat ein starkes Aufschäumen beobachtet. CO CH 3 COOH H 2 O + CO CH 3 COO - (1) Es entsteht CO 2, das mit einer Pasteurpipette eingefangen werden kann. Wenn man das CO 2 in eine Barytwasserlösung einfliessen lässt, entsteht eine Trübung. CO 2 + Ba(OH) 2 BaCO 3 + H 2 O (2) Bei der Substanz E war weder ein Aufschäumen nach der Zugabe der Essigsäure sichtbar noch eine Trübung des Barytwassers. CO Nachweis negativ! CH 3 COO - - achweis: Eine Spatelspitze der unbekannten Substanz E wird mit vier Spatelspitzen KHSO 4 vermischt und verrieben. Dabei sollte bei Anwesenheit von Acetat ein starker Essiggeruch auftreten. CH 3 COO - + KHSO 4 CH 3 COOH + K + + SO 4 2- (3) Bei unserer unbekannten Substanz ist ein starker Essiggeruch aufgetreten. CH 3 COO - - Nachweis positiv! B(OH) achweis: 100 mg der unbekannten Substanz E werden mit 2 M H 2 SO 4 angesäuert und anschliessend mit Ethanol versetzt. Die organische Borverbindung kann nun angezündet werden und es sollte bei Anwesenheit von Bor eine charakteristische Grünfärbung entstehen. 3

4 B(OH) C 2 H 5 OH B(C 2 H 5 O) H 2 O (4) Tatsächlich konnte ich eine grüne Flammenfärbung erkennen. B(OH) Nachweis positiv! Existieren in der Substanz andere Kationen als Ammonium-, Alkali- und Magnesiumionen so können diese stören. Aus diesem Grunde wird für die nächsten Anionennachweise der Soda- Pottasche-Aufschluss verwendet. Somit werden alle schwerlöslichen Metallsalze entfernt und der Nachweis kann mit der Lösung weitergeführt werden. SO achweis: 2 ml der Analyselösung werden mit 1 M HCl angesäuert und anschliessend mit einer kleinen Spatelspitze BaCl 2 versetzt und anschliessen zentrifugiert. Tritt ein feiner weisser Niederschlag auf, ist das Sulfat nachgewiesen. SO BaCl 2 BaSO Cl - (5) Beim unbekannten Salz E wurde dieser Niederschlag sehr deutlich festgestellt. SO Nachweis positiv! (COO - ) 2 achweis: Einige Tropfen der Analysesubstanz werden zuerst angesäuert und anschliessend mit einer Spatelspitze CaCl 2 versetzt bis die Fällung beendet ist. Dieser Niederschlag wird langsam mit einigen Tropfen H 2 SO 4 versetzt bis die Fällung wieder gelöst ist. Anschliessend wird die Lösung mit KMnO 4 versetzt, wobei CO 2 entsteht, das man zur Probe wiederum in Barytwasser einleiten lassen kann. CaCl 2 + C 2 O 4 2- Ca(COO) Cl - (6) Bei der Substanz E konnte kein Niederschlag gefunden werden und auch kein CO 2 wurde nachgewiesen. (COO - ) 2 - Nachweis negativ! O achweis: Einige Tropfen der Analyselösung sollen mit einem 1 ml FeSO 4 Lösung versetzt werden. Danach wird die gesamte Lösung mit H 2 SO 4 angesäuert bis die gesamte Lösung klar wird. Wenn im Reagenzglas oben ein dunkler Ring entsteht, ist das Nitrat nachgewiesen. FeSO 4 + NO 3 - (aq) Fe(NO 3 ) 2 (7) Bei meiner Substanz hat sich kein Ring ausgebildet. NO Nachweis negativ! O achweis: Die Lösung wird mit Sulfinsäure R-S(=O)-OH versetzt und anschliessend mit α-napthylamin zugegeben. Dabei tritt eine Reaktion auf und bei Anwesenheit von Nitrit entsteht ein roter Azofarbstoff. (8) Meine Analysesubstanz hat sich nicht rot gefärbt. NO Nachweis negativ! Für die Auftrennung der Halogenide müssen diese zuerst gefällt werden. Dafür wird ein wenig des Sodaauszugs mit einigen Tropfen konzentriertem Ammoniak versetzt und 4

5 anschliessend mit einer 5%igen Silbernitratlösung versetzt und schlussendlich mit HNO 3 bis zum ph von 2 angesäuert. Es entsteht ein Niederschlag, der abzentrifugiert wird. I - - achweis: Nun wird der Niederschlag des Halogenidaufschlusses mit Wasser nachgewaschen und anschliessend mit nochmals mit Ammoniak versetzt, damit AgCl und AgBr in Lösung gehen. AgI entspricht der HSAB-Regel und ist eine sehr stabile Verbindung, die als Niederschlag bleiben wird. Man kann die überstehende Lösung dekantieren und den Niederschlag wird Zn und H 2 SO 4 zugegeben. Das Zink wird abzentrifugiert und die Lösung wird mit Chloroform unterschichtet. Bei Anwesenheit von Iod tritt eine charakteristische violett Färbung ein. Zn dient als Reduktionsmittel; das Iodid als Nucleophil, um am Chloroform ein Chlorid zu substituieren. I 2 + Zn (s) 2 I - + Zn 2+ (aq) (9) CHCl 3 + I - CHCl 2 I + Cl - (10) Der Nachweis war sehr schwer, weil man nach dem ersten Zentrifugieren beinahe keinen Niederschlag erkennen konnte. Auf jeden Fall ist keine violette Färbung aufgetreten. I - - Nachweis negativ! Br - - achweis: Der Nachweis der Bromids und des Chlorids sind gekoppelt. Die dekantierte Lösung vom Iodidnachweis wird nun mit H 2 SO 4 angesäuert, damit AgBr und AgCl, falls vorhanden, ausfallen. Man zentrifugiert und gibt anschliessend tropfenweise und unter rühren Ammoniumcarbonat hinzu, was das AgCl löst. Man kann nun die Lösung mit einigen Tropfen H 2 SO 4 versetzen: Beim feinen Niederschlag handelt es sich um Silberchlorid. Cl - - Nachweis positiv! Um das Bromid nachzuweisen wird der unlösliche Teil mit Zn und H 2 SO 4 versetzt, wobei die Silberionen reduziert werden. Danach wird die Lösung mit Chloroform unterschichtet und anschliessen wird Javelwasser dazugetropft. Bei Anwesenheit von Brom entsteht eine charakteristische Blaufärbung. Br - - Nachweis negativ! 5

6 3.2 Kationenanalyse Um die Kationen zu analysieren, werden sie mittels einer Gruppentrennung in vier Gruppen getrennt, welche jeweils ähnliche Kationen enthalten. H achweis: Den Ammoniumnachweis kann man direkt mit dem unbekannten Feststoff durchführen. Dafür wird eine Spatelspitze der unbekannten Probe mit wenig Wasser und gelöst und durch Zuführen von NaOH alkalisch gemacht. Man sollte da schon einen Geruch nach Ammoniak wahrnehmen können: NH NaOH NH 3 + Na + + H 2 O (11) Meistens wird noch eine Pipette mit konzentrierter Schwefelsäure in das Reagenzglas gehalten, wobei eine starke Rauchentwicklung auftritt. Bei der Analyse unserer Substanz ist weder Rauch entstanden noch der penetrante Ammoniakgeruch. NH Nachweis negativ! 6

7 Gruppe A: K + - achweis: Für den Kaliumnachweis wird die Anwesenheit von Ammonium vorausgesetzt, weil man diese Lösung solange erwärmen sollte, bis kein Ammoniakgeruch mehr erkennbar ist. Ich habe trotzdem die Lösung mit Perchlorsäure versetzt und keine Kristallbildung entdeckt. K + - Nachweis negativ! Li + - achweis: Der Lithiumnachweis ist mithilfe der Flammenfärbung eindeutig: Ich habe im Handspektrometer eine karminrote Farbe gesehen, was sich mit dem Emissionsspektrum des Li + deckt. Li + - Nachweis positiv! Mg 2+ - achweis: Einige Tropfen konzentrier Ammoniak werden der Testlösung beigefügt und anschliessend durch einen Phosphatpuffer der ph auf 9.00 gebracht. Dabei sollte sich MgHPO 4 bilden (Kristalle unter Mikroskop). Mg 2+ + H 2 PO 4 + NH 3 MgHPO 4 + NH 4 + (12) Bei mir waren jedoch keine Kristalle (nicht einmal ein Niederschlag) sichtbar. Mg 2+ - Nachweis negativ! Gruppe B: Al 3+ - achweis: Man gibt eine Spatelspitze Aurinitricarbonsäure hinzu und neutralisiert sofort mit Ammoniak, wobei sich ein gelatinöser Niederschlag bilden sollte. Bei meinem Substanzgemisch war kein Niederschlag sichtbar. Al 3+ - Nachweis negativ! Cr 3+ - achweis: Erscheint die Lösung gelblich, so ist Chrom sehr wahrscheinlich vorhanden. Man prüft dies jedoch, indem man die Lösung ansäuert und anschliessend mit Wasserstoffperoxid in Ether löst. Bildet sich eine Blaufärbung der organischen Phase, ist das Chrom nachgewiesen. Meine Lösung war von Anfang an nicht gelblich und hat auch keine Blaufärbung im Ether ausgebildet. Cr 3+ - Nachweis negativ! Fe 3+ - achweis: Der Eisen(III)-Nachweis erfolgt mithilfe von Thiocyanat: Dafür gibt man in die Analysesubstanz eine grosse Spatelspitze NH 4 SCN hinzu und anschliessend unterschichtet man mit Diethylether. Dabei sollte sich die organische Phase blutrot färben. [Fe(H 2 O) 6 ] NH 4 SCN [Fe(H 2 O) 3 (SCN) 3 ] + 3 NH H 2 O Bei mir ist diese rote Färbung aufgetreten. Fe 3+ - Nachweis positiv! Mn 2+ - achweis: Der Nachweis findet mithilfe von PbO 2 statt. Dafür wird die Lösung zuerst angesäuert und anschliessend ein wenig erwärmt. Bei Anwesenheit von Mangan wird dieses durch das Pb(+IV) oxidiert, und zwar zu MnO 4 -. Mein Substanzgemisch war schon nach der Auftrennung relativ violett, was darauf hindeutet, dass Mangan vorhanden ist. Die Lösung hat sich nach Zugabe des Blei(IV)oxids erwartungsgemäss noch violetter gefärbt. Mn 2+ - Nachweis positiv! Gruppe C: 7

8 Ba 2+ - achweis: Durch Zugabe von einigen Tropfen konzentrierter H 2 SO 4 sollte sich sofort ein Niderschlag bilden, das schwerlösliche BaSO 4. Ba 2+ (aq) + H 2 SO 4 BaSO H + Bei meiner Lösung hat sich kein Niederschalg gebildet. Ba 2+ - Nachweis negativ! Sr 2+ - iederschlag: Auch hier sollte durch Zugabe konzentrierter H 2 SO 4 das schwerlösliche SrSO 4 ausfalle. Um es vom Bariumsulfat zu unterscheiden, kann man den Niederschalag zentrifugugieren und HNO 3 zutropfen. Wenn der Niderschalg widerstandsfähig ist, handelt es sich um SrSO 4. Sr 2+ (aq) + H 2 SO 4 SrSO H + Auch hier hat sich bei mir nichts gebildet. Sr 2+ - Nachweis negativ! Ca 2+ - achweis: Die Testlösung wird mit weniger Essigsäure versetzt und anschliessend mit 0.5 M K 2 C 2 O 4 Lösung versetzt. Bildet sich ein feiner Niederschlag, ist Kalzium nachgewiesen. Ca 2+ (aq) + K 2 C 2 O 4 CaC 2 O K + Hier hat sich auch kein Niederschlag gebildet. Ca 2+ - Nachweis negativ! Gruppe D: Zn 2+ - achweis: Die Lösung wird durch Zugabe von HCl auf einen ph von etwa 6 gebracht. Dabei sollte durch den Überschuss an OH - - Ionen Zn(OH) 2 ausfallen. Wenn nun durch Zugaben von Kaliumhexacyanoferrat(III) ein heller Niederschlag auftritt, ist Zink nachgewiesen. Der Niederschlag ist schwer zu erkennen; aber bei meiner Substanz ist er eingetreten. Zn 2+ - Nachweis positiv! Cu 2+ - achweis: Man gibt zu einer kleinen Menge der Anaylselösung eine Spatelspitze KI hinzu. Bei Anwesenheit von Kupferionen, färbt sich die Lösung braun und es entsteht ein Niederschlag. [Cu(H 2 O) 4 ] KI CuI K H 2 O Bei meiner Substanz haben sich sofort nach Zugabe, die Braunfärbung und der Niederschlag gebildet. Cu 2+ - Nachweis positiv! i 2+ - achweis: Der Nachweis von Nickel erfolgt mithilfe von 2%iger Dimethyglyoximlösung. Dabei bildet sich ein karminroter Niederschlag. [Ni(H 2 O) 6 ] 2+ + H 2 dmg [Ni(dmg)] + 6 H 2 O Bei meiner Anaylselösung hat sich kein Niederschlag gebildet. Ni 2+ - Nachweis negativ! 8

9 Co 2+ - achweis: Der Nachweis für Kobalt erfolgt analog zum Nachweis des Chroms bzw. des Eisens. In meiner Anaylselösung hat sich keine blaue Farbe erkennbar gemacht. Co 2+ - Nachweis negativ! 3.3 Störungen Es können bei diversen Nachweisen Störungen auftreten. Dabei bereiten vor allem die Übergangsmetalle Probleme, weil sie sich in ihren Eigenschaften sehr ähnlich sind(vor allem Fe, Co, Ni, Mn und Cr). Ausserdem stören genau diese Metalle den Nachweis von anderen Kationen (z.b. ist Fe 3+ ein Störfaktor für den Nachweis von Al 3+ ). Um die Störungen zu vermeiden, werden die Problemfaktoren durch geschickte chemische Umwandlungen ausser Kraft gesetzt. Fe 3+ kann man z.b. mit Fluoridionen sehr gezielt zum schwerlöslichen [FeF 6 ] 3- komplexieren, das sofort ausfällt. Auf diese Weise wird z.b. der Kobaltnachweis nicht durch Eisenionen gestört. Allgemein kann man Störungen vermeiden, indem man sich mit den chemischen Eigenschaften gewisser Kationen/Anionen beschäftigt. Ich habe in meiner Versuchsreihe keine Störungen erhalten, weil ich diese auch profilaktisch beseitigt habe Fragen Warum ist der Sodaauszug notwendig? Mithilfe des Sodaauszugs werden stabile Salze (z.b. Silikate oder Silberhalogenide) in Lösung gebracht. Dieser Schritt ist notwendig, damit die beispielsweise die Halogenide in Lösung gehen, um sie anschliessend nachzuwesen. Wenn man den Sodaauszug nicht macht, wird z.b. bei Anwesenheit von Chlor und Silber nur Silberchlorid vorliegen und man kann weder Ag + noch Cl - nachweisen. Warum darf beim Chlorid- achweis der Sodaauszug nicht mit Salzsäure oder Schwefelsäure angesäuert werden? Warum muss überhaupt angesäuert werden? Falls es Chloridionen hat, befinden sich diese in Lösung (Sodaauszug). Durch Zugabe von Säure werden die Ionen gebunden, d.h. durch den Überschuss an Cl - wird HCl gebildet. Das Ansäuern dient in erster Linie dem Binden gewisser freier Anionen, die Nachweise stören können. 4. Quellen [1] H. Schönberg, PRAKTIKUM IN ALLGEMEINER CHEMIE anorganische und analytische Chemie,, Laboratorium für anorganische Chemie ETH Zürich, 2007 [2] Fluka Katalog (CH) Riedel de Häen, Sigma-Aldrich, 2007/2008 9