Gravimetrie

Gravimetrie Übung

• Nenne die Anforderungen an Verbindungen, mit denen gravimetrische Bestimmungen durchgeführt werden.

  Tipps

  Beim Trocknen nach der Filtration werden die Substanzen je nach Eigenschaften bei niedrigen oder sehr hohen Temperaturen getrocknet.

  Lösung

  Bei der Fällung durch das Fällungsreagenz soll die zu analysierende Verbindung möglichst vollständig ausgefällt werden. Die gefällte Verbindung soll danach vollständig von der flüssigen Phase getrennt werden. Daher ist ein sehr kleines Löslichkeitsprodukt der Fällungsform Voraussetzung für die Eignung zur Gravimetrie.
  Damit das Produkt der Fällung sich vollständig von der Lösung trennen lässt, darf der Niederschlag nicht zu fein verteilt sein. Das bedeutet, die Größe der Kristalle darf nicht zu gering sein, da diese sich sonst nicht durch Filtration von der Lösung abtrennen lassen. Auch gelartige Niederschläge mit hohem Wassergehalt sind meist nicht geeignet, da sie sich nicht filtrieren lassen.
  Um aus dem Gewicht des Fällungsprodukts auf den Gehalt der Analysenlösung zu schließen, muss die exakte Zusammensetzung der Wägeform bekannt sein. Daher sind nicht-stöchiometrische Verbindungen oder Verbindungen mit variabler Zusammensetzung zur Gravimetrie nicht geeignet.

• Beschreibe den Ablauf einer gravimetrischen Bestimmung.

  Tipps

  Vor der endgültigen Auswaage muss das Produkt wägekonstant sein.

  Nach der Fällung muss Schritt für Schritt das Lösemittel entfernt werden.

  Lösung

  Die Gravimetrie ist vom Prinzip her eine sehr simple Methode. Sie gehört daher zu den ältesten Methoden der quantitativen Analytik. Es sind keine sehr teuren Geräte oder aufwändigen Techniken notwendig, nur eine genaue Analysenwaage und ein regelbarer Ofen werden benötigt. Der Nachteil der Methode ist der hohe Zeit- und Arbeitsaufwand, der zur Durchführung notwendig ist. Die Ergebnisse sind jedoch sehr exakt.
  Das Prinzip der Gravimetrie ist es, die gelöste zu analysierende Verbindung auszufällen, indem ein Fällungsreagenz zugesetzt wird. Das Produkt der Fällung hat eine bekannte Zusammensetzung, aus dem Gewicht des Fällungsproduktes kann daher der Gehalt der Analysenlösung berechnet werden.
  Daraus folgt der Ablauf der Gravimetrie: Nach der Fällung wird das Fällungsprodukt vollständig abfiltriert. Der Filterrückstand muss sorgfältig und vollständig getrocknet werden. Dies erfordert unterschiedliche Temperaturen und muss teilweise im Exsikkator durchgeführt werden.
  Nach vollständiger Trocknung wird der Filterrückstand auf einer möglichst genauen Analysenwaage gewogen. Aus diesem Wert lässt sich bei Kenntnis der Summenformel des Fällungsproduktes auf den Gehalt der Analysenlösung bezüglich der analysierten Verbindung schließen, indem eine einfache Dreisatzrechnung durchgeführt wird.

• Entscheide, unter welchen Voraussetzungen Papierfilter bei der Gravimetrie verwendet werden können.

  Tipps

  Papierfilter lassen sich nicht analytisch genau wiegen, da sie einen variablen Feuchtigkeitsgehalt aufweisen.

  Rückstände von verbrannten Papierfiltern können durch hohe Temperaturen entfernt werden.

  Lösung

  Filterpapiere bestehen aus einem grobporigen Geflecht von Cellulosefasern. In dieses Geflecht kann sich Wasser einlagern, das zum Beispiel aus der Luftfeuchtigkeit aufgenommen wird. Dieses Wasser lässt sich nicht gut entfernen. Bei den dafür notwendigen Temperaturen beginnt die Cellulose bereits sich zu zersetzen, daher kann nicht festgestellt werden, wann das Wasser komplett entfernt wurde. Für die gravimetrische Analyse ist Filterpapier daher nur bedingt geeignet.
  Filterpapier kann eingesetzt werden, wenn es möglich ist, Filterpapier und Filterrückstand vollständig zu trennen. Dies ist nur dann der Fall, wenn das Filterpapier vollständig verbrannt werden kann, da sonst immer Rückstände am Filterpapier verbleiben.
  Papierfilter werden daher dann eingesetzt, wenn das Fällungsprodukt bei hohen Temperaturen über 750°C getrocknet werden muss. Der Filter samt Filterrückstand wir dann meist im Exsikkator vorgetrocknet, anschließend wird mit Hilfe eines Bunsenbrenners vorsichtig das Filterpapier verglüht. Ascherückstände reagieren bei den hohen Temperaturen zu gasförmigem $CO_2$ und stören so das Ergebnis der Gravimetrie nicht.

• Analysiere die Fehler bei der gravimetrischen Bestimmung von Bariumsulfat.

  Tipps

  Bei niedrigen Trockentemperaturen wird das Kristallwasser nicht vollständig entfernt und verfälscht das Ergebnis.

  Lösung

  Die Gravimetrie ist eine relativ einfache Methode, die jedoch einen hohen Zeit- und Arbeitsaufwand beinhaltet. Die Messergebnisse sind jedoch, wenn exakt und sehr ordentlich gearbeitet wird, sehr genau. An vielen Stellen im Ablauf kann ungenaues Arbeiten jedoch zu falschen Analyseergebnissen führen.
  Das Wiegen des Fällungsproduktes ist ausschlaggebend für die Genauigkeit der Analyse. Das Gewicht wird beispielsweise durch die Temperatur des Tiegels während der Messung beeinflusst. Wird bei den Messungen nicht gewartet, bis Tiegel und Fällungsprodukt vollständig abgekühlt sind, kann dies zu leichten Abweichungen bei den Messungen führen.
  Nicht nur die Analysensubstanz muss sehr exakt gewogen werden. Genauso wichtig ist es, den Filtertiegel vor der Filtration exakt zu wiegen. Dafür muss auch dieser vollständig trocken sein. Da bei der Auswaage des leeren Tiegels Wasser im Filter enthalten war, wurde das Gewicht des leeren Tiegels als zu hoch angenommen. Ist das Gewicht des Wassers im Tiegel höher als das Gewicht der Analysensubstanz, so ergibt sich für das Gewicht der Analysensubstanz ein negativer Wert.
  Die Temperaturen, die für die Trocknung angegeben werden, müssen strikt eingehalten werden. Zu hohe Temperaturen können zu einer Zersetzung des Fällungsproduktes führen, bei zu niedrigen Temperaturen ist eventuell noch Lösemittel im Filterrückstand enthalten. Ersteres liefert zu niedrigen Messergebnisse, letzteres zu hohe.

• Gib an, unter welchen Bedingungen es bei der Fällung zur Bildung großer Kristalle kommt.

  Tipps

  Große Kristalle wachsen aus kleinen Kristallkeimen, indem sich an die Kristallkeime weitere Ionen oder Moleküle anlagern.

  Beim Überschreiten des Löslichkeitsproduktes kommt es zum Kristallwachstum und zur Bildung neuer Kristallkeime. Bei starker Übersättigung bilden sich sehr viele neue Kristallkeime!

  Lösung

  Das Wachstum von Kristallen ist ein Prozess, der sich durch die Wahl der Bedingungen teils gut steuern lässt. Beim Erreichen des Löslichkeitsproduktes bilden sich Kristallkeime, die jedoch nicht stabil sind. Sie lösen sich schnell wieder auf und wachsen nicht zu Kristallen heran.
  Kristalle bilden sich, wenn das Löslichkeitsprodukt einer Verbindung überschritten wird. Dann lagern sich an die Kristallkeime weitere Moleküle oder Ionen an und der Kristall wächst langsam. Wenn nur wenige Kristallkeime in der Lösung vorhanden waren, wachsen die wenigen Kristalle daher zu großen Kristallen heran. Sind hingegen sehr viele Kristallkeime vorhanden, ergeben sich sehr viele sehr kleine Kristalle.
  Will man möglichst große Kristalle erhalten, muss es daher das Ziel sein, das Löslichkeitsprodukt der Verbindung nur langsam zu überschreiten. Dies kann bei schwer löslichen Verbindungen durch eine Erhöhung der Temperatur erreicht werden, da dies das Löslichkeitsprodukt erhöht. Anschließend wird das Fällungsreagenz sehr langsam zugegeben und durch vorsichtiges Rühren gut in der Lösung verteilt. Ohne Rühren würde an der Eintropfstelle das Löslichkeitsprodukt zu schnell überschritten.
  Beim Erreichen des Löslichkeitsproduktes beginnt das Fällungsprodukt auszufallen. Nun muss sehr vorsichtig gearbeitet werden und langsam weiter Lösung zugetropft werden.Wird zu schnell zugetropft, bilden sich neue Kristallkeime. Beim langsamen Zutropfen ist dies nicht der Fall, stattdessen wachsen die vorhandenen Kristallkeime zu größeren Kristallen heran. Das Löslichkeitsprodukt des Fällungsproduktes wird also immer nur wenig überschritten.

• Untersuche die gravimetrische Bestimmung von Calcium-Ionen mit Oxalat als Fällungsreagenz.

  Tipps

  Je höher die Temperatur, desto stärker zersetzt sich das Oxalat-Anion.

  Bei niedrigen Temperaturen verbleibt Kristallwasser in Verbindungen zurück.

  Die Möglichkeiten der Trocknung werden hier von niedrigen bis sehr hohen Temperaturen erklärt.

  Lösung

  Das Beispiel zeigt deutlich den Einfluss der Temperatur beim Trocknen des Fällungsproduktes. Häufig wird das Fällungsprodukt bei der Trocknung verändert und teilweise zersetzt. Ebenso kann das Fällungsprodukt ein Hydrat sein, das Hydratwasser ist nach der Trocknung jedoch nicht mehr enthalten. In beiden Fällen erhält man nach dem Trocknen eine andere chemische Verbindung. Man bezeichnet das Produkt der Fällung, das im Filter enthalten ist, als Fällungsform und das Produkt der Trocknung als Wägeform.

  Das Beispiel zeigt, dass zur genauen gravimetrischen Analyse auch bekannt sein muss, wie sich der Filterrückstand bei unterschiedlichen Temperaturen verhält. Durch Trocknung und chemische Reaktionen bei unterschiedlichen Temperaturen kommt es zu unterschiedlichen Wägeformen mit unterschiedlicher Zusammensetzung.