7.4 Fällungs- und Komplexbildungsreaktionen

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1 7.4 Fällungs- und Komplexbildungsreaktionen Ionenaustausch-Reaktionen Bei Ionenaustausch-Reaktionen von Ionenverbindungen tauschen Kationen und Anionen ihre Bindungspartner aus. Die Triebkräfte der Reaktionen liegen in der Bildung von - schwer löslichen Niederschlägen. (a) - Gasen, die aus der Lösung entweichen. (b) - schwachen Elektrolyten, die in geringem Umfang dissoziiert sind. (c) a) Fällungsreaktionen Ag + (aq) + NO - 3 (aq) + Na + (aq) + Cl - (aq) AgCl (s) + Na + (aq) + NO - 3 (aq) b) Gasbildungsreaktionen 2 H + (aq) + 2 Cl - (aq) + 2 Na + (aq) + S 2- (aq) H 2 S (g) + 2 Na + (aq) + Cl - (aq) c) z. B. Neutralisation H + (aq) + Cl - (aq) + Na + (aq) + OH - (aq) H 2 O (l) + Na + (aq) + Cl - (aq)

2 Löslichkeitsprodukt und Fällungsreaktionen Viele Ionenverbindungen sind nur geringfügig in Wasser löslich. Im Gleichgewichtszustand ist die Geschwindigkeit der Auflösung und der Wiederausscheidung gleich groß. Ag + Cl - AgCl (s) Ag + (aq) + Cl - (aq) AgCl T = 25 C K = + c(ag ) c(cl c(agcl) Da c(agcl) = konstant, gilt: - ) K L = K c c(agcl) = c(ag + ) c(cl - ) Der Zahlenwert für das Löslichkeitsprodukt K L ist eine quantitative Aussage über die Löslichkeit einer Ionenverbindung.

3 Verwendung von K L Schwer lösliche Salze (K L < 1): Angabe der Löslichkeit in Form des Löslichkeitsproduktes Leicht lösliche Salze (K L > 1): Angabe der Löslichkeit in g Salz / 100 g Wasser Fällungsreaktionen Für eine Ionenverbindung ist das Ionenprodukt < K L : das Ionenprodukt = K L : das Ionenprodukt > K L : Die Lösung ist nicht gesättigt. Die Lösung ist gesättigt. Die Lösung ist übersättigt. Es kommt zur Fällung, bis K L erreicht wird.

4 Einige Ionennachweise durch Fällungsreaktionen Nachweis Zugabe Fällung K L * Cl - AgNO 3 -Lsg. AgCl 1, Br - AgNO 3 -Lsg. AgBr I - AgNO 3 -Lsg. AgI 8, SO 4 2- CO 3 2- BaCl 2 -Lsg. BaSO 4 1, Ba(OH) 2 -Lsg. BaCO 3 1, S 2- Pb(NO 3 ) 2 -Lsg. PbS Ca 2+ (NH 4 ) 2 C 2 O 4 -Lsg. CaC 2 O 4 1, Al ** NaOH-Lsg. Al(OH) Fe ** NaOH-Lsg. Fe(OH) Pb 2+ K 2 CrO 4 -Lsg. PbCrO * in mol 2 L -2 ** in mol 4 L -4

5 Komplexbildung Kationen liegen in wässriger Lösung als Aquo- Komplexe vor. Andere Komplexe werden durch stufenweisen Austausch von Wasser- Liganden gegen andere Liganden erhalten. [Cr(H 2 O) 6 ] 3+ + NH 3 [Cr(H 2 O) 5 NH 3 ] 3+ + H 2 O [Cr(H 2 O) 5 NH 3 ] 3+ + NH 3 [Cr(H 2 O) 4 (NH 3 ) 2 ] 3+ + [Cr(H 2 O)(NH 3 ) 5 ] 3+ + NH 3 [Cr(NH 3 ) 6 ] 3+ + H 2 O H 2 O [Cr(H 2 O) 6 ] NH 3 [Cr(NH 3 ) 6 ] H 2 O Einfachkeitshalber wird das koordinierte Wasser häufig nicht angegeben. Cr NH 3 [Cr(NH 3 ) 6 ] 3+ Cu NH 3 [Cu(NH 3 ) 4 ] 2+ Ag NH 3 [Ag(NH 3 ) 2 ] +

6 Komplex-Verbindungen Ein Komplex-Ion besteht aus einem Metallion oder -atom als Zentralatom, an welchem mehrere Moleküle oder Ionen, die Liganden, angelagert sind. Ag NH 3 [Ag(NH 3 ) 2 ] + Zentral- Ligand Komplex atom (Koordinationsverbindung) KZ = 2 Die Anzahl der direkt an das Zentralatom gebundenen Atome nennt man Koordinationszahl. Die häufigsten Koordinationszahlen sind 2, 4 oder 6. Liganden, die sich mit einem Atom (ihres Moleküls) an das Zentralatom binden, sind einzähnig. Dagegen werden Liganden, die sich mit zwei oder mehr Atomen ihres Moleküls an das Zentralatom binden können, zweizähnig oder mehrzähnig genannt. Solche Komplexe werden als Chelat- Komplexe (chele = Krebsschere) bezeichnet.

7 Bindungsverhältnisse in Komplexen Ein freier Ligand verfügt über wenigstens ein nichtbindendes Elektronenpaar, das er dem Zentralatom zur Verfügung stellen kann. Die Art der Bindung zwischen Zentralatom und Ligand reicht von überwiegend kovalent bis überwiegend ionisch.

8 Lösung durch Komplexbildung Viele schwerlösliche Ionenverbindungen können durch die Bildung von Komplexen in Lösung gebracht werden. Salze AgCl (s) Ag + + Cl - Ag NH 3 [Ag(NH 3 ) 2 ] + AgCl (s) + 2 NH 3 [Ag(NH 3 ) 2 ] + + Cl - Durch die Bildung des Komplexes [Ag(NH 3 ) 2 ] + wird die Konzentration an Ag + -Ionen in der Lösung stark verringert. Das Ionenprodukt c(ag + ) c(cl - ) ist dann kleiner als das Löslichkeitsprodukt K L. AgCl löst sich fortwährend auf. Metallhydroxide Al OH - Al(OH) 3 (s) Al(OH) 3 (s) + OH - [Al(OH) 4 ] -

9 Nomenklatur von Komplexen - Anionische Liganden erhalten Endung -o. F - - Fluoro CN - - Cyano Cl Chloro S 2 O 3 - Thiosulfato OH - - Hydroxo - Bezeichnung neutraler Liganden wie folgt: H 2 O - Aquo NH 3 - Ammin - Liganden in alphabetischer Reihenfolge; Anzahl der Liganden durch griechisches Zahlwort 1 mono- 2 di- 3 tri- 4 tetra- 5 penta- 6 hexa- - Kationische und neutrale Komplexe mit deutschen Namen des Zentralatoms - Anionische Komplexe mit lateinischen Namen des Zentralatoms und Endung -at

10 Symbol dt. Name lat. Name Anion. Kompl. Fe Eisen Ferrum -ferrat Cu Kupfer Cuprum -cuprat Zn Zink Zinkum -zinkat Ag Silber Argentum -argentat Au Gold Aurum -aurat Pt Platin Platina -platinat Al Aluminium (unbekannt) -aluminat Cr Chrom (unbekannt) -chromat Ni Nickel (unbekannt) -niccolat Co Cobalt (unbekannt) -cobaltat - Oxidationszahl (Ionenladung) des Zentralatoms durch römische Ziffer - Ladung des Komplexes ergibt sich als Summe der Ladungen des Zentralatoms und der Liganden [Ag(NH 3 ) 2 ] + [Ag(NH 3 ) 2 ]Cl [Fe(CN) 6 ] 4- K 4 [Fe(CN) 6 ] [Co(NH 3 ) 3 Cl 3 ] Diamminsilber(I)-Komplex Diamminsilber(I)-chlorid Hexacyanoferrat(II)-Komplex Kalium-hexacyanoferrat(II) Triammintrichlorocobalt(III)

11 Beispiel Wasserhärte Ionenaustausch- und Komplexbildungsreaktionen Unter der Wasserhärte versteht man die Stoffmengenkonzentration c(ca 2+ + Mg 2+ ) in mmol/l, die in Wasser gelöst vorliegt. Wasserhärte bzw. Gesamthärte Calciumhärte % Magnesiumhärte % Carbonathärte bzw. Härtehydrogencarbonat (temporäre Härte) Nichtcarbonathärte bzw. Resthärte (permanente Härte) - Ca(HCO 3 ) 2 - CaSO 4, CaCl 2 - Mg(HCO 3 ) 2 - MgSO 4, MgCl 2 durch Kochen entfernbar nicht durch Kochen entfernbar

12 Härtebereiche von Trinkwasser Härtebereich c(ca 2+ +Mg 2+ ) dh 1 weich 0-1,3 mmol/l mittelhart 1,3-2,5 mmol/l hart 2,5-3,8 mmol/l sehr hart > 3,8 mmol/l > 21 1 mmol (Ca 2+ + Mg 2+ ) / L H 2 O = 5,6 dh

13 Enthärtung von Wasser Fällung Kalk-Soda-Verfahren Ca(HCO 3 ) 2 + Ca(OH) 2 2 CaCO H 2 O CaSO 4 + Na 2 CO 3 CaCO 3 + Na 2 SO 4 Trinatriumphosphat-Verfahren 3 Ca(HCO 3 ) Na 3 PO 4 2 Ca 3 (PO 4 ) NaHCO 3 3 CaSO Na 3 PO 4 2 Ca 3 (PO 4 ) Na 2 SO 4 Komplexbildung Polyphosphate Ca 2+ + (P 3 O 10 ) 5- [Ca(P 3 O 10 )] 3- Polycarboxylate Ca 2+ + EDTA 4- [Ca(EDTA)] 2-

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