Anorganisches Einführungspraktikum

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1 83 P Reaktionen von Metallen und Salzlösungen Beim Verbrennen von Metallpulvern wird bereits eine Metallreihe von unedlen bis zu den edlen Metallen beobachtet und als unterschiedliche Oxidierbarkeit der Metalle gedeutet. Dieselbe Reihe ist festzustellen, wenn Metalle in Lösungen verschiedener Metallchloride, -nitrate oder -sulfate eintauchen und bestimmte Metalle aus ihrer Lösung elementar ausfallen: Fällungsreihe der Metalle. Die genannten Metallreihen korrespondieren ebenfalls mit der Spannungsreihe der Metalle (vgl. P9.1.2). Vorüberlegungen: Aus Silbernitrat-Lösung werden Silberkristalle gefällt, wenn Bleche aus a) Aluminium, b) Kupfer und c) Zink einige Minuten lang in die Lösung eintauchen. Begründen Sie diese Erscheinungen und notieren Sie Reaktionssymbole Reagenzgläser Reagenzglasständer Bechergläser Thermometer Silbernitrat-Lösung Kupfersulfat-Lösung Kupferdraht, Eisennagel Magnesium-Pulver Bleche von Silber, Kupfer, Blei und Zink Bleinitrat-Lösung Zinksulfat-Lösung 1. Teilversuch: In ein halb mit Silbernitrat-Lösung gefülltes Reagenzglas wird spiralförmig gewendelter Kupferdraht gegeben und ruhig einige Minuten stehen gelassen. In Kupfersulfat-Lösung wird ein Eisennagel getaucht und ruhig stehen gelassen. Die Beobachtungen werden notiert und erklärt. 2. Teilversuch: In wenige ml Kupfersulfat-Lösung werden einige Spatelspitzen Magnesium-Pulver gegeben. Es wird geschüttelt und die Temperaturänderung der Lösung gemessen. Der Farbwechsel der Lösung wird beobachtet und interpretiert. 3. Teilversuch: Kleine Silber-, Kupfer-, und Zinkbleche werden ggf. blank geschmirgelt und jeweils in wenige ml Silbernitrat-, Kupfersulfat-, und Zinksulfat-Lösung gegeben. Notieren Sie tabellarisch, in welchen Fällen eine Reaktion zu beobachten ist. Die Schwermetallsalz-Lösungen sind in das entsprechende Sammelgefäß zu entsorgen.

2 84 P Spannungsreihe einiger Metalle Verschiedene Metalle korrodieren in unterschiedlichem Maße. Dieses Korrosions- oder Lösebestreben führt zur Ausbildung von elektrochemischen Gleichgewichten: es bauen sich elektrochemische Potentiale auf. Allerdings sind immer nur Potentialdifferenzen zwischen zwei Potentialen messbar - sie sind an einigen Metallkombinationen mit einem Spannungsmesser zu messen. Es soll erkannt werden, dass alle Metalle in die Spannungsreihe der Metalle eingeordnet werden können und diese Reihe mit der Fällungsund Oxidationsreihe der Metalle korrespondiert. Ein Silberblech wird in Kochsalzlösung getaucht und mit einem Pol des Spannungsprüfers verbunden. Nacheinander werden Bleche von Aluminium, Blei, Kupfer, Magnesium und Zink in die Lösung getaucht und mit dem anderen Messpol verbunden. a) In welcher Reihenfolge werden die Spannungen immer größer? Begründen Sie. b) Welche Spannungswerte erwarten Sie, wenn man Standardhalbzellen verwendet? Bechergläser (150 ml) Metallproben Spannungsmessgerät Elektrolyt-Lösungen wie Kochsalz-Lösung Kabel oder Zitronensaft Krokodilklemmen Elektromotor Planen Sie Experimente zur Stellung verschiedener Metalle in der Spannungsreihe. Führen Sie die Experimente durch und protokollieren Sie die Ergebnisse. Die Lösungen werden über das Abwasser entsorgt.

3 85 P Galvanische Zellen Elektrochemische Spannungen variieren je nach Art der Metalle und Konzentrationen der angebotenen Salzlösungen. Um reproduzierbare Spannungswerte zu erhalten, wird die Metallprobe in die 1-molare Lösung seines Salzes getaucht: Definition der Standard-Halbzelle bzw. des Standard-Potentials. Um ein Standardpotential direkt messen können, ist die Halbzelle mit der Wasserstoff-Standard-Halbzelle zu kombinieren. Diese Spannung und alle anderen Spannungsmesswerte zwischen zwei Standard-Halbzellen sind konstante, aus Spannungsreihen ablesbare Potentialdifferenzen. a) Zeichnen Sie schematisch eine Galvanische Zelle mit den Halbzellen Mg/Mg 2+ und Cu/Cu 2+ auf. b) Welche Spannung ist zu erwarten? Begründen Sie. c) Was passiert in der Zelle, wenn Sie beide Metalle über einen Elektromotor miteinander verbinden? Tonzellen Kupfersulfat-Lösung (c = 1 mol l -1 ) Bechergläser Kupferblechstreifen Spannungsmessgerät Zinksulfat-Lösung (c = 1 mol l -1 ) Kabel, Krokodilklemmen Zinkblechstreifen 2V-Elektromotor Salzsäure (c = 1 mol l -1 ) Platin-Elektrode für Wasserstoff-Halbzelle Wasserstoff 1. Teilversuch: In eine Tonzelle wird Kupfersulfat-Lösung und ein Kupferblechstreifen gegeben. Die Tonzelle wird in ein Becherglas mit Zinksulfat-Lösung gestellt, in die der Zinkblechstreifen eintaucht. Beide Metallstreifen werden mit dem Spannungsmesser verbunden. Erklären Sie! Der 2V-Elektromotor wird ebenfalls mit beiden Metallstreifen verbunden, der Abfall der Spannung beim Laufen des Motors beobachtet. Im Becherglas wird die Lösung stark verdünnt und die Spannungsmessung wiederholt. Interpretieren Sie die Veränderung der Spannungsmesswerte. Wo befinden sich Plus- und Minuspol? 2. Teilversuch: Eine andere Tonzelle wird mit Salzsäure (c = 1 mol /l) gefüllt, die Platinelektrode eingetaucht und die Zuleitung für Wasserstoff angeschlossen. Die Tonzelle wird in ein Becherglas mit der Standard-Kupferhalbzelle (1. Teilversuch) gestellt. Ein schwacher Strom Wasserstoff wird einreguliert und die Spannung gemessen. Die Elektrolyt-Lösungen können von mehreren Gruppen genutzt werden. Schwermetallsalz-Lösungen sind am Ende des Praktikums in das Sammelgefäß zu entsorgen.

4 86 P Konzentrationsketten Zur Ermittlung von Löslichkeitsprodukten schwer löslicher Salze müssen die sehr geringen Ionenkonzentrationen in der gesättigten Lösung über dem Bodenkörper bestimmt werden: hier versagen die Methoden wie Fällungsanalyse oder Titration. Geringe Ionenkonzentrationen lassen sich aber leicht auf elektrochemischem Wege mit Hilfe von Konzentrationsketten ermitteln. Aus Spannungen solcher Ketten sind unbekannte Konzentrationen einer Halbzelle abzuleiten, wenn die Konzentration der anderen Halbzelle jeweils bekannt ist. Eine Konzentrations-Kette Ag/Ag + (0,1 mol l -1 ) // Ag + (0,01 mol l -1 )/Ag wird hergestellt. a) Zeichnen Sie schematisch den Aufbau. b) Welche Spannung messen Sie? c) Wie gehen Sie vor, um das Löslichkeitsprodukt von Silberchlorid auf elektrochemischem Weg zu ermitteln? Zeichnen Sie die Apparatur auf. Bechergläser (150 ml) Bleche von Kupfer, Zink und Silber Spannungsmessgerät Kupfersulfat-Lösung (c = 1 mol l -1 ) Kabel, Krokodilklemmen Kupfersulfat-Lösung (c = 0,1 mol l -1 ) Stromschlüssel konz. Kaliumnitrat-Lösung Magnetrührer mit Rührmagnet Zinksulfat-Lösung (c = 1 mol l -1 ) Silbernitrat-Lösung (c = 0,1 mol l -1 ) Kaliumnitrat-Lösung (c = 0,1 mol l -1 ) Kaliumchlorid-Lösung (c = 0,1 mol l -1 ) 1. Teilversuch: Ein Kupferblech wird in Kupfersulfat-Lösung der Konzentration c = 1 mol /l getaucht, ein weiteres Kupferblech in ein Becherglas mit Kupfersulfat-Lösung mit c = 0,1 mol/l. Beide Bechergläser werden mit einem Stromschlüssel (U-Rohr, mit konz. Kaliumnitrat- Lösung gefüllt und Fritten verschlossen) verbunden. Mit einem Spannungsmessgerät wird die Spannung gemessen. 2. Teilversuch: Ein Becherglas wird mit 80 ml Silbernitrat-Maßlösung, das andere mit 80 ml Kaliumchlorid- Maßlösung gefüllt. In die Kaliumchlorid-Lösung werden einige Tropfen Silbernitrat-Lösung gegeben und gut verrührt: es fällt weißes Silberchlorid aus. Tauchen Sie in die Lösungen bzw. in die Suspension zwei gleichartige Silberbleche als Elektroden ein. Verbinden Sie die beiden Halbzellen mit dem Stromschlüssel. Messen Sie die Zellspannung. Bestimmen Sie die Konzentration der Silber-Ionen in der Halbzelle mit dem Silberchlorid-Niederschlag. Nehmen Sie dazu an, dass sich die Konzentration der Chlorid-Ionen durch das Ausfällen von wenig Silberchlorid praktisch nicht verändert hat. Berechnen Sie mit Hilfe dieser Werte das Löslichkeitsprodukt von Silberchlorid. Die Lösungen können von mehreren Gruppen verwendet werden. Schwermetallsalz-Lösungen sind am Ende des Praktikums in das Sammelgefäß zu entsorgen.

5 87 P Reaktion von Metallen mit konzentrierten Säuren Man meint, die Reaktion von Metallen mit Säuren als Redoxreaktion gut zu kennen, aber denkt zunächst immer an die Reaktion verdünnter Säure-Lösungen unter Wasserstoffbildung. Deshalb soll mit den vorgeschlagenen Experimenten zusätzlich bewusst werden, dass konzentrierte Säuren völlig andersartig reagieren, diese Reaktionen aber ebenfalls als Redoxreaktionen zu beschreiben sind. Magnesium reagiert mit verdünnter Schwefelsäure unter Bildung von Wasserstoff, mit konzentrierter Schwefelsäure unter Bildung von Hydrogensulfid. Silber reagiert mit verdünnten Säuren gar nicht, mit konzentrierter Salpetersäure unter Bildung von Stickstoffmonoxid (NO). a) Notieren Sie die Reaktionssymbole. b) Betrachten Sie die Stellung des Redoxpaares NO 3 - /NO in der Redoxreihe und begründen Sie. Reagenzgläser Zinkpulver, Kupferspäne Reagenzglasständer Silberwolle, Blattgold Brenner Schwefelsäure konz. säurefester Stift (Edding 3000) Salpetersäure konz. Salzsäure konz. Leiterplattenrohmaterial Eisen(III)-chlorid-Lösung Ethanol 1. Teilversuch (Schutzbrille, Abzug): Auf einige Spatelspitzen Zinkpulver wird wenig konzentrierte Schwefelsäure gegeben, Geruch und Innenwand des Reagenzglases werden beobachtet. Auf Kupferspäne wird konz. Salpetersäure gegeben, Farbe der Lösung und Auftreten eines im Reagenzglas zunächst farblosen, aber an der Luft braunen Gases wird beobachtet. 2. Teilversuch (Schutzbrille, Abzug): Wenig Silberwolle wird in Salpetersäure gelöst und beobachtet. (Gold löst sich in Salpetersäure nicht, Gold und Silber können daher durch diese Säure getrennt werden: "Scheidewasser"). Wenig Blattgold wird in ein Gemisch aus 3 Volumenteilen konz. Salzsäure und 1 Volumenteil konz. Salpetersäure gegeben und bis zur Auflösung erwärmt. (Der "König der Metalle" löst sich in diesem Säure-Gemisch: "Königswasser"). 3. Teilversuch: Schreiben Sie mit einem säurefesten Stift etwas auf eine kupferkaschierte Trägerplatte. Tauchen Sie anschließend diese Platte in Eisen(III)-chlorid-Lösung bis kein Kupfer mehr an den nicht geschützten Stellen sichtbar ist. Entfernen Sie die Schutzschicht mit Alkohol. Die Schwermetallsalzlösungen sind in das entsprechende Sammelgefäß zu entsorgen.

6 88 P Fällungsreihe der Halogene Mit dem Namen Fällungsreihe oder Spannungsreihe meint man oftmals nur die Metallreihe. Deshalb soll gezeigt werden, dass die Begriffe beispielsweise auch auf die Reihe der Halogene übertragen werden können. Die entsprechenden Redoxpaare und weitere Redoxpaare lassen sich mit der Metallreihe zur allgemeinen Redoxreihe zusammenfassen. Schüttelt man Lösungen von Kaliumbromid und Kaliumiodid mit gasförmigem Chlor, so fallen Brom bzw. Iod aus. a) Notieren Sie die Reaktionssymbole. b) Betrachten Sie die Stellung des Redoxpaares Cl 2 /Cl - in der Redoxreihe und begründen sie. c) Warum reagiert eine Kaliumfluorid-Lösung nicht mit Chlor? Gasentwickler Salzsäure, konz. Kolbenprober Kaliumpermanganat Reagenzgläser und Stopfen Natriumbromid-Lösung Reagenzglasständer Natriumiodid-Lösung Schlauch mit Glasspitze Benzin Brom, Bromdampf Im Gasentwickler wird konzentrierte Salzsäure auf einige Spatelspitzen Kaliumpermanganat getropft (Abzug!). Ein Kolbenprober wird angeschlossen und mit Chlorgas gefüllt. Einige ml Chlorgas werden aus dem Kolbenprober jeweils in verdünnte Lösungen von Natriumbromid und Natriumiodid geleitet. Die Lösungen werden mit wenig Benzin überschichtet und geschüttelt. Bromdampf wird aus der Vorratsflasche durch Luftverdrängung ins Reagenzglas gefüllt (Abzug!). Natriumiodid-Lösung wird hinzugegeben, mit dem Stopfen verschlossen und geschüttelt. Benzin-Lösungen sind in entsprechende Sammelgefäße zu entsorgen.

7 89 Grundpraktikum Anorganische Chemie P Laden und Entladen eines Bleiakkus Man führt üblicherweise Elektrolysen bei Gleichspannungen von V durch und fragt nicht danach, ob es eine untere Grenze für Spannungen gibt, bei denen die Elektrolyse noch funktioniert. Es gibt eine solche Grenze, da sich beim Abscheiden der Zersetzungsprodukte eine Galvanische Zelle ausbildet, deren Spannung der angelegten Spannung entgegengerichtet ist. Diese Zersetzungsspannung muss jeweils überschritten werden, um erfolgreich zu elektrolysieren oder einen Akku aufzuladen. a) Elektrolysiert man eine Zinkiodid-Lösung mit Kohleelektroden, so erhält man die Elemente. b) Beendet man die Elektrolyse und misst die Spannung zwischen beiden Elektroden, so zeigt sich eine Spannung von etwa 1,3 V. c) Schließt man einen Elektromotor an, so läuft er einige Sekunden und bleibt stehen. Erklären Sie (a) (c). Kabel und Krokodilklemmen Spannungsquelle ADW Wandler 16 Computer und Kabel Stativ mit Muffen und Klemmen Glasküvette 1 Messzylinder 50 ml 2 V-Gleichstrommotor Autoakku Schwefelsäure-Lösung, 20%ig 2 Bleiplatten Aqua. dest. Man füllt die Glasküvette zur Hälfte mit Schwefelsäure-Lösung und taucht die beiden Bleiplatten als Elektroden in die Lösung, ohne dass sie sich berühren. Der Computer, die Elektroden, die Spannungsquelle sowie der Verbraucher (Motor) werden wie folgt geschaltet: Laden: Die Spannungsquelle wird angeschlossen und die Messwertaufnahme gestartet. Die Spannung wird langsam hochreguliert, bis der Wert von etwa 6 V erreicht ist. Der Ladevorgang wird beendet, wenn die Gasentwicklung an den Elektroden verstärkt auftritt. Entladen: Man öffnet den Schalter zum Minuspol der Spannungsquelle und wartet noch einige Zeit. Dann schließt man den Stromkreis mit dem Motor und beobachtet den Spannungsverlauf beim Entladen. Man unterbricht zwischendurch den Stromkreis und beobachtet, wie sich der Akku jeweils erholt. Dieses Modell eines Bleiakkus wird mit einem realen Autoakku verglichen. Die Lösungen können von allen Gruppen verwendet werden. Die verunreinigte Schwefelsäure wird für weitere Experimente dieser Art in das Vorratsgefäß zurück gegeben.

8 90 P Galvanisieren Unter Galvanisieren versteht man das elektrolytische Überziehen von Metallen mit haftenden Schichten glänzender, edler Metalle. Schaltet man einen metallenen Gegenstand als Kathode in den Stromkreis, so läßt sich dieser verkupfern oder vernickeln, wenn man als Anode eine Elektrode aus dem jeweiligen Metall einschaltet und als Elektrolyten entsprechende Metallsalz-Lösungen wählt. Um das Kristallisieren der Metalle zu verbessern, wird die Konzentration der freien Metall-Ionen oftmals verkleinert, indem Komplexbildner - etwa Cyanide, Citronensäure oder Glucose - zugegeben werden. Vorüberlegungen: a) Erläutern Sie an einem Beispiel, was man unter Galvanisieren versteht. b) Wie läßt sich ein Kupferpfennig mit einer Nickelschicht überziehen? Zeichnen Sie die Apparatur. Geben Sie Reaktionssymbole an. c) Eine 10-Pfennig-Münze mit einer Messingoberfläche läßt sich versilbern, wenn man eine Cyanidhaltige Silbernitrat-Lösung verwendet. Welche Komplex-Teilchen bilden sich, welche Aufgabe haben sie? Symbolisieren Sie Gleichgewichte und Reaktionen. Bechergläser (250 ml, weit) Kohleelektroden Stromversorgungsgerät Cu-Elektrode, Ni-Elektrode metallische Gegenstände (Münzen) Filterpapier Kupfersulfat-Lösung, konz. Schwefelsäure, verdünnt Petrolether Nickelsulfat Citronensäure Glucose 1. Teilversuch: In ein Becherglas gibt man konzentrierte Kupfersulfat-Lösung und versetzt diese mit einigen Millilitern verdünnter Schwefelsäure. Die Münzen, die verkupfert werden sollen, besitzen eine polierte und glänzende Oberfläche. Sie werden fein geschmirgelt, zur Entfernung einer eventuellen Fettschicht in Petrolether getaucht und mit Filterpapier getrocknet. Kupfer-Elektrode und Münze werden in das Elektrolysebad getaucht, die Kupfer-Elektrode mit der Anode, die zu verkupfernde Münze mit der Kathode der Stromquelle verbunden. Man reguliert eine Gleichspannung von 4 V und elektrolysiert einige Minuten. 2. Teilversuch: In einem Becherglas löst man ca. 20 Spatel Nickelsulfat in 200 ml Wasser und gibt 2 Spatel Citronensäure und 10 Spatel Glucose dazu. Die zu vernickelnden Metallgegenstände werden wie im 1. Teilversuch gereinigt. Nickel-Elektrode und Gegenstand werden in die Lösung eingetaucht, die Nickel-Elektrode mit der Anode, der Gegenstand mit der Kathode der Spannungsquelle verbunden. Man elektrolysiert einige Minuten lang bei einer Gleichspannung von 4 V. Die Lösungen können von allen Gruppen verwendet werden.

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