TU Kaiserslautern, WS 2015/16 Quantitative Analyse 1. Pufferkapazität Quantitative Analyse und Präparate Arbeitsvorschriften Aufgabenstellung: 1.1 Berechnung einer Pufferlösung 1.2 Herstellung der Pufferlösung 1.3 Überprüfung des eingestellten ph-wertes 1.4 Titration der Pufferlösung mit Salzsäure und Natronlauge Anorganisch-chemisches Praktikum I für W. Ing. Fachrichtung Chemie Chemisches Praktikum für das Lehramt Biologie - Bachelor 1.1 Berechnung der Pufferlösung Eine Pufferlösung mit einem vom Assistenten vorgegebenen ph-wert (3.7 bis 5.7) ist selbst herzustellen. Vom Assistenten werden dazu die Parameter Lösungsvolumen, einzustellender ph-wert und die Konzentration von Natriumacetat (CH 3 COONa) oder Essigsäure (CH 3 COOH) vorgegeben. Der pk s -Wert des Puffersystems beträgt 4.75. Die zur Herstellung der Pufferlösung notwendige Stoffmenge an CH 3 COONa und CH 3 COOH ist mit der Henderson-Hasselbalch-Gleichung zu berechnen. ph = pk s + lg [c(ch 3 COONa) / c(ch 3 COOH)] Das Ergebnis der Berechnung wird vor Versuchsbeginn vom Assistenten überprüft. 1.2 Herstellung der Pufferlösung Die notwendigen Stoffmengen an CH 3 COONa und CH 3 COOH (96%ig aus UV-Raum) sind mit einer Analysenwaage (im Wägeraum) in zwei Bechergläsern korrekt einzuwiegen und zunächst in wenig destilliertem Wasser zu lösen. Diese beiden Lösungen werden anschließend in einen Maßkolben überführt (Bechergläser mehrmals mit wenig destilliertem Wasser ausspülen). Dieser wird vorsichtig mit destilliertem Wasser unter Verwendung einer Pipette bis zur Eichmarke aufgefüllt. Danach wird der Maßkolben mit einem Stopfen verschlossen und zum Konzentrationsausgleich mehrmals umgeschwenkt. Diese hergestellte Pufferlösung wird für die folgenden Experimente verwendet. Dr. Y. Sun Zi. 54-683 Tel: 2433 Email: sun@chemie.uni-kl.de 1
1.3 Überprüfung des eingestellten ph-wertes Der ph-wert der hergestellten Pufferlösung wird mit einem ph-meter vom Assistenten überprüft. Stimmt der gemessene ph-wert mit dem vorgegebenen Wert überein, können die Titrationsexperimente durchgeführt werden. 1.4 Titration der Pufferlösung mit Salzsäure und Natronlauge 20 ml der Pufferlösung sind mit einer Vollpipette in ein Becherglas zu überführen und dazu werden ca. 20 ml H 2 O gegeben. Anschließend wird diese Lösung mit Salzsäure (1 M) titriert (0.5 oder 1.0 ml-schritte) und der ph-wert nach jeder Salzsäurezugabe gemessen bis die Pufferwirkung nachlässt (ungefähr 15-50 ml Salzsäure werden gebraucht, je nach ph-wert und Konzentration der Pufferlösung). Die Titration der Pufferlösung mit Natronlauge (1 M) erfolgt analog zur oben beschriebenen Vorschrift. Hierzu sind 20 ml an neuer Pufferlösung zu verwenden. Aus den erhaltenen Werten ist jeweils eine Titrationskurve zu erstellen. Beide Titrationskurven sind in einem Diagramm einzutragen. 2. Neutralisationstitration CH 3 COOH mit NaOH Reaktion: CH 3 COOH + NaOH CH 3 COONa + H 2 O Reagentien: Titer: 0.1M NaOH Indikator: Phenolphthalein Durchführung: AS mit H 2 O auf 100 ml auffüllen, 20 ml entnehmen und mit H 2 O auf 100 ml auffüllen. 2-3 Tropfen Indikator zugeben und bis zum Umschlagspunkt titrieren. Berechnung: 1 ml (0.1M) NaOH entspricht 6.0053 mg CH 3 COOH 3. Redoxtitration C 2 O 4 2- mit MnO 4 - Reaktion: 5 C 2 O 2-4 + MnO - 4 + 16 H + 2 Mn 2+ + 10 CO 2 + 8 H 2 O Reagentien: Titer: 0.1 N KMnO 4 Zusatz: Konz. H 2 SO 4 Durchführung: AS mit dest. H 2 O auf 100 ml auffüllen, 20 ml entnehmen, mit 10 ml konz. H 2 SO 4 versetzen, vorsichtig mit 70 ml dest. H 2 O versehen und auf eine Temperatur zwischen 50-70 C erhitzen.!! 1 ml Maßlösung zugeben und zunächst die Entfärbung der Lösung abwarten - Zeitreaktion!! Bis zum Umschlagspunkt zügig titrieren (bleibende Rosafärbung ca. 30 sec) Berechnung: 2 1 ml (0.1 N) KMnO 4 entspricht 4.40101 mg C 2 O 4 2 3
4. Fällungstitration Cl - mit Ag + und Fluorescein nach Fajans Reaktion: Cl - + Ag + AgCl Reagentien: Titer: 0.1 M AgNO 3 Indikator: 0.2 % Fluorescein Durchführung: AS mit H 2 O auf 100 ml auffüllen, 20 ml entnehmen und mit H 2 O auf 100 ml im 250 ml Erlenmeyerkolben auffüllen. 8 10 Tropfen Indikator hinzugeben und bis zur Hellrotfärbung titrieren. Berechnung: 1 ml (0.1 M) AgNO 3 entspricht 3.5453 mg Cl - 5. Komplexometrie Ca 2+ mit EDTA Reaktion: Ca 2+ + EDTA 2- EDTA-Ca 2- + 2 H + Reagentien: Titer: 0.1M EDTA Indikator: Calconcarbonsäure-NaCl-Gemisch (Umschlag von violett nach blau) Durchführung: AS mit H 2 O auf 100 ml auffüllen, 20 ml entnehmen, mit Wasser auf 100 ml auffüllen. 5 ml verdünnter NaOH zugeben (ca. ph 14). Sehr wenig Indikator (einige Krümel) zugeben (bis zur schwachen Violettfärbung). Danach bis zum Umschlagspunkt titrieren. Hinweis: Der ph-wert muss stimmen. Berechnung: 1 ml (0.1M) EDTA entspricht 4.008 mg Ca 2+ 6. Gravimetrie Ni 2+ als Ni(HDAD) 2 Reaktion: Ni 2+ + 2 H 2 DAD Ni(HDAD) 2 + 2 H + Reagentien: Titer: H 2 DAD (Dimethylglyoxim) Zusatz: 2M HCl, 2M Ammoniak Durchführung: Den Glasfiltertiegel im Trockenschrank bei 110 C eine Stunde trocknen, im Exsikkator abkühlen und wiegen. Den Tiegel im Exsikkator aufbewahren. AS mit H 2 O auf 100 ml auffüllen, 20 ml entnehmen, 1 ml 2M HCl zugeben und auf 200 ml auffüllen. Mit Ammoniak auf ph 3-4 einstellen. Zum Sieden bringen und unter Rühren während des Abkühlens 25 ml Maßlösung zugeben. Mit Ammoniak auf ph 8-9 einstellen und 10 Minuten abgedeckt stehen lassen. Mit H 2 DAD auf vollständige Fällung prüfen. Warm über Glasfiltertiegel abdekantieren, mit 10 ml warmen und 10 ml kaltem Wasser waschen. Zuerst 2 Stunden bei 110 C trocknen, wiegen und dann bei 110 C bis zur Gewichtskonstanz trocknen. Berechnung: 1 mg Ni(HDAD) 2 entspricht 0.20317 mg Ni 2+ 7. Photometrie - Photometrie von MnO 4 Reagentien: KMnO 4 Maßlösung (c = 0.5 mg/ml) Durchführung: AS auf 100 ml mit dest. Wasser auffüllen. Von der Maßlösung jeweils 10, 20, 30 und 40 ml auf 100 ml mit dest. Wasser auffüllen. Diese fünf Proben bei λ = 520 nm gegen eine Blindprobe vermessen. Die Küvetten gibt es bei den Assistenten. Hinweis: Die Küvetten müssen an den glatten Seiten absolut sauber sein und so in das Gerät gestellt werden, dass das Lichtdurch die glatten Seiten der Küvette fällt. Berechnung: Messwerte auf Millimeterpapier auftragen, eine Gerade durch die Werte legen und den Wert für die AS ablesen. 4 5
8. Elektrogravimetrie Meßprinzip: Bestimmung von Kationen, die durch den elektrischen Strom entweder kathodisch zum Metall reduziert oder anodisch zu einem schwerlöslichen Oxid oxidiert werden. Elektrodenpotential: E = E 0 + (R x T) / (e x F) ln c(ox) / c(red) R molare Gaskonstante T Temperatur in Kelvin e Anzahl der Elektronen F Faraday-Konstante E 0 Standardpotential Voraussetzung: Das abzuscheidende Metall muß genügend edler sein, als Wasserstoff, ansonsten wird in alkalischer Lösung gearbeitet, in der das Abscheidungspotential von Wasserstoff erheblich geringer ist. Der Niederschlag an der Kathode muß homogen sein. Die Lösung darf keine Cl - -Ionen enthalten, da sonst die Platinelektrode aufgelöst wird (teuer!). 9. Konduktometrie Meßprinzip: Messung des Ohm'schen Widerstands R bzw. der Leitfähigkeit L. Ohm'sches Gesetz: I = U / R Leitwert L: abhängig von Konzentration und Ladung der Ionen, Ionenbeweglichkeit und Viskosität des Lösungsmittels HCl mit NaOH Reaktion: HCl + NaOH NaCl + H 2 O Durchführung: Die Durchführung ist ausführlich am Gerät erklärt. Hinweis: Nicht zu lange warten, da sonst CO 2 aus der Luft mittitriert wird. Die bereitgestellten Reagentienflaschen nicht zu lange offen lassen und immer wieder gut verschließen. Cu 2+ Reaktion: Cu 2+ + 2 e - Cu Reagentien: Zusatz: konz. H 2 SO 4 Reinigung: konz. HNO 3, Aceton. Durchführung: Platinelektrode mit HNO 3 waschen, mit Aceton abspülen, an der Luft trocknen, wiegen und Gewicht notieren. AS mit H 2 O auf 100 ml auffüllen, 20 ml entnehmen und in ein 100 ml Becherglas füllen. 3 ml konz. H 2 SO 4 zugeben und auf 40 C erhitzen. Elektroden einspannen und bei 2.2 V Anfangsspannung ca. 30-60 min elektrolysieren. Die Elektroden sollten dabei etwas aus der Lösung ragen. Noch etwas H 2 O zugeben und weitere 5 min bei 3.0-3.5 V elektrolysieren. Kathode ausspannen, mit Wasser waschen, mit Aceton spülen und trocknen. Kathode wiegen und Gewicht notieren. Die Durchführung ist außerdem ausführlich am Gerät erklärt. Hinweis: Die Spannung darf nicht zu hoch sein, da sonst Cu oxidiert wird. Berechnung: Gewichtsdifferenz in mg Cu 2+ 6 7
Sicherheitshinweise: Präparate Führen Sie grundsätzlich alle Versuche im Abzug durch und informieren Sie sich vor Versuchsbeginn über die Gefährlichkeit der eingesetzten Chemikalien und evtl. entstehender Reaktionsprodukte; tragen Sie die R- und S-Sätze der Gefahrstoffe in Ihr Protokoll ein! Sie dürfen mit dem Versuch nicht beginnen, bevor diese Voraussetzung erfüllt ist! In einem 250 ml Kolben werden 5 g KMnO 4 in 125 ml heißem Wasser gelöst und mit einer konzentrierten Lösung von 2.5 g KI in Wasser versetzt. Das Gemish wird für ca. 30 min in einem siedenden Wasserbad erhitzt, anschließend wird überschüssiges KMnO 4 durch langsame Zugabe von Ethanol beseitigt. Dabei entfärbt sich die Lösung. Es wird dann filtriert, das Filtrat mit Essigsäure angesäuert und auf dem Wasserbad bis zun Kristallisationspunkt eingedampft. Die ausgeschiedenen Kristalle werden dann abgesaugt und mit wenig Ethanol gewaschen. Eindampfen der Mutterlauge bis zum erneuten Kristallisationspunkt ergibt weitere Kristalle von KIO 3. Getrocknet wird das Produkt im Trockenschrank bei 60 C. 3. Nickel(II)acetylacetonat, Ni(acac) 2 1. Kupfer(II)formiat, Cu(HCOO) 2 In einem 100 ml Becherglas (Abzug) werden zu 3 g CuO 4 ml Ameisensäure gegeben. Unter Rühren 2-4 Stunden erhitzen (ca. 70-80 C). Mit einem Uhrglas abdecken. Es entsteht das blaue Cu(OOCH) 2. Evtl. muß der Feststoff zwischendurch mit dem Spatel zerkleinert werden. Ist die Umsetzung vollständig, wird die restliche Ameisensäure abgedampft und das Kupfer(II)formiat an der Luft getrocknet. Erst danach eine halbe Stunde im Trockenschrank fertig trocknen. 2. Kaliumiodat, KIO 3 3,4 g NiCl 2 6H 2 O 2,9 g C 5 H 8 O 2 (Acetylaceton) 15-20 ml 2N NH 3 Glasfiltertiegel Man versetzt unter Rühren eine wässerige Lösung von 3,4 g NiCl 2 6H 2 O in 10 ml Wasser mit 2,9 g C 5 H 8 O 2. Anschließend gibt man portionsweise ca. 15-20 ml verd. NH 3 -Lösung dazu. Der ausgefallene Niderschlage wird über eine Glasfritte abfiltriert und bei 110 C im Trockenschrank getrocknet. 5 g KMnO 4 2,5 g KI Ethanol Essigsäure 1 Porzellantrichter mit Saugflasche 4. Mangan(III)acetylacetonat, Mn(acac) 3 2,6 g MnCl 2 4H 2 O 13,1 g CH 3 COONa 10 g C 5 H 8 O 2 (Acetylaceton) 0,52 g KMnO 4 8 9
1 Porzellantrichter mit Saugflasche 6. Kalium-trioxalatoferrat(III)-trihydrat, K 3 [Fe(C 2 O 4 ) 3 ] 3H 2 O 2,6 g MnCl 2 4H 2 O werden in 100 ml Wasser gelöst und dann mit 6,8 g CH3COONa versetzt. Zu dieser Mischung werden 10 g Acetylaceton gegeben, die Lösung für einige Minuten kräftig gerührt und anschließend mit einer Lösung von 0,52 g KMnO4 in 25 ml Wasser innerhalb von 15 min portionsweise unter Rühren versetzt. Nach beendeter Zugabe lässt man noch für weitere 10 min rühren und versetzt dann das Reaktionsgemisch mit einer Lösung von 6,3 g CH 3 COONa in 25 ml Wasser. Die so entstandene dunkle Lösung wird für 15 min auf ca. 70 C erwärmt und dann auf Raumtemperatur abgekühlt. Man filtriert über einen Porzellantrichter und wäscht das Produkt mit 60 ml kaltem Wasser. Das Mn(acac) 3 wird in einem Vakuumexsikkator über CaCl 2 getrocknet. 5. Eisen(III)acetylacetonat, Fe(acac) 3 5,3 g FeCl 3 6H 2 O 12 g K 2 C 2 O 4 H 2 O 1 Büchnertrichter mit Saugflasche Eine Lösung von 5,3 g FeCl 3 6H 2 O in 8 ml Waaser wird zu einer warmen Lösung von 12 g K 2 C 2 O 4 H 2 O in 20 ml Wasser gegeben. Die Lösung wird mittels eines Eisbades auf 0 C abgekühlt und für einige Zeit bis zur vollständigen Kristallisation auf dieser Temperatur gehalten. Nach Abdekantieren der Mutterlauge wird das Salz in 20 ml warmen Wasser gelöst und erneut abgekühlt. Die Kristalle werden nun abgesaugt und an der Luft getrocknet. 3,3 g FeCl 3 6H 2 O 5,1 g CH 3 COONa 3,8 g C 5 H 8 O 2 (Acetylaceton) 10 ml Methanol 1 Porzellantrichter mit Saugflasche 3,3 g FeCl 3 6H 2 O werden in 25 ml Wasser gelöst und innerhalb von 15 min unter kräftigem Rühren mit einer Lösung von 3,8 g Acetylaceton in 10 ml Methanol versetzt. Nach beendeter Zugabe wrd dann zu der nun blutrot gefärbten Lösung innerhalb von 5 min eine Lösung von 5,1g CH 3 COONa in 15 ml Wasser gegeben, wobei ein roter Feststoff ausfallen sollte. Das Reaktionsgemisch wird dann auf 80 C erwärmt und für 15 min auf dieser Temperatur belassen. Man lässt dann die Mischung auf Raumtemperatur abkühlen und kühlt dann mit einem Eisbad. Das ausgefallene Fe(acac) 3 wird über einen Porzellantrichter abgesaugt, mit 100 ml kaltem Wasser gewaschen und in einem Vakuumexsikkator über CaCl 2 getrocknet. 7. Thénards Blau, CoAl 2 O 4 2,4 g CoCO 3 3,1 g Al(OH) 3 6,6 g KCl Porzellantiegel (im Assistentenzimmer oder Lager holen!!) 2,4 g CoCO 3 und 3,1 g Al(OH) 3 werden gut gemischt und mit 6,6 g KCl versetzt. Das Reaktionsgemisch wird in einen Porzellantiegel überführt und in einem Muffelofen auf 1100 C erhitzt. Nach Erkalten der Schmelze wird das Produkt zerkleinert und KCl solange mit Wasser ausgelaugt (Trichter im Assistentenzimmer oder Lager holen!), bis eine Probe auf Cl - negativ ausfällt. Anschließend wird das Produkt im Trockenschrank getrocknet. 10 11
8. Kaliumalaun, KAl(SO 4 ) 2 12H 2 O Zu einer Lösung von 15 g Al 2 (SO 4 ) 3 18H 2 O in 50 ml Wasser wird die theoretisch berechnete Menge einer heiß gesättigten K 2 SO 4 -Lösung hinzugefügt. Der Alaun kristallisiert nach einiger Zeit (kann Tage dauern!) aus. Er wird durch Umkristallisieren gereinigt, abgenutscht und zwischen Filterpapier getrocknet. 9. Kalium-Chrom-Alaun, KCr(SO 4 ) 2 12H 2 O 10 g K 2 Cr 2 O 7 werden in 50 ml Wasser und 11 ml 18 mol/l H 2 SO 4 in der Kälte mit etwa 7 ml Ethanol reduziert, wobei durch Kühlung ein Ansteigen der Temperatur über 40 C vermieden werden muss, da sich in der Hitze das Komplexion [Cr(H 2 O) 2 (SO 4 ) 2 ] - bildet. Der Alaun kristallisiert nach einiger Zeit (kann Tage dauern!) aus. Er wird durch Umkristallisieren gereinigt, abgenutscht und zwischen Filterpapier getrocknet. 12