Nachweise der Ammoniumcarbonat-Gruppe

Nachweise der Ammoniumcarbonat-Gruppe Übung

• Benenne Ionen, die bei der Ammoniumcarbonat-Fällung als Carbonate gefällt werden.

  Tipps

  Die Carbonate der Alkali-Elemente sind gut löslich.

  Lösung

  Viele Kationen wurden im Laufe des Trennungsganges bereits abgetrennt und können daher nicht mehr in der Lösung enthalten sein. Verblieben sind Alkali- und Erdalkali-Kationen, die schwer zu trennen und nachzuweisen sind.

  Cabonate sind meist schwerlösliche Salze, die Carbonate der Alkali-Elemente sind jedoch alle leicht löslich. Dies macht man sich bei der Ammoniumcarbonat-Fällung zu Nutze. Da auch die Carbonate der leichteren Erdalkali-Elemente gut in Wasser löslich sind, fallen hierbei nur die Kationen der schwereren Erdalkali-Elemente Calcium, Strontium und Barium als Carbonate aus. So lassen sich diese drei Kationen leichter nachweisen als die übrigen Erdalkali- und Alkali-Kationen.

• Beschreibe die Arbeitsschritte zur Trennung der gefällten Carbonate.

  Tipps

  Auch Barium bildet ein schwerlösliches Sulfat, daher muss dieses vor Zugabe von Ammoniumsulfat als Chromat abgetrennt werden.

  Lösung

  Der Niederschlag enthält die Carbonate von Barium, Strontium und Calcium. Zunächst werden die Feststoffe in Essigsäure gelöst. Damit diese den richtigen pH-Wert aufweist, wird Natriumacetat zugesetzt.

  Bariumchromat ist schlecht in Wasser löslich. Nach Zugabe von Kaliumdichromat fällt dieses daher auf Grund des niedrigen pH-Wertes der Löung aus. Barium verursacht eine typische grüne Flammenfärbung und lässt sich spektrometrisch eindeutig nachweisen. Calcium und Strontium bilden beide schwerlösliche Sulfate, Strontiumsulfat ist jedoch wesentlich schlechter löslich als Calciumsulfat. Daher lassen sich die Kationen trennen, wenn mit einer geringen Sulfat-Konzentration gearbeitet wird. Nach der Filtration lässt sich auch Strontium spektrometrisch oder mittels Flammenfärbung nachweisen. Calcium-Kationen bilden ein schwerlösliches Salz mit Oxalat. Dieses lässt sich von der Lösung durch Filtration abtrennen und flammenspektrometrisch eindeutig nachweisen.

• Ermittle die in der Analysenlösung enthaltenen Kationen.

  Tipps

  Magnesiumoxid hat eine geringere Löslichkeit als Quecksilberoxid.

  Lösung

  Nach der Fällung der Carbonate können in der Lösung noch gut lösliche Kationen enthalten sein. Versetzt man das Filtrat mit Quecksilberoxid, so können Oxide erhalten werden, die eine geringere Löslichkeit als Quecksilberoxid haben. Hier konnte im angegebenen Beispiel ein Feststoff erhalten werden. Dieser wurde erneut gelöst. Der Test mit Ammoniumhydrogenphosphat zeigt eindeutig das Vorhandensein von Magnesium-Ionen in der Lösung.

  Der Rückstand aus der Carbonat-Fällung wurde erneut gelöst und mit Kaliumdichromat versetzt. Dichromat- und Chromat-Ionen stehen miteinander im Gleichgewicht. In saurer Lösung von Kaliumdichromat ist jedoch nur eine sehr geringe Konzentration an Chromat-Ionen enthalten, da das Gleichgewicht auf der Seite des Dichromats liegt. Diese geringe Konzentration reicht jedoch aus, um Bariumchromat auzufällen.

  Die Analyse des gelben Feststoffes mittels Flammenfärbung belegt, dass es sich um Bariumchromat handelt. Die Lösung enthält also auch Barium-Ionen. Aus dem Filtrat der Fällung mit Kaliumdichromat lassen sich keine weiteren Carbonate ausfällen. Strontium und Calcium können daher nicht in der Lösung enthalten sein.

• Erschließe, welche Kombinationen von Anionen und Kationen unlösliche Salze bilden.

  Tipps

  Das Barium bildet Salze, die meist schlechter löslich sind als die entsprechenden Salze des Calciums und Strontiums.

  Lösung

  Alle drei Kationen bilden Carbonate, die in neutraler wässriger Lösung nahezu unlöslich sind. Dies ist die Grundlage der Abtrennung dieser Ionen von den noch besser löslichen Ionen. Auch mit Oxalat bilden alle drei Kationen sehr schlecht lösliche Salze. Daher darf die Fällung von Calcium als Oxalat erst als letzer Schritt erfolgen, ansonsten würden auch die übrigen Kationen als Oxalate gefällt.

  Die Sulfate von Strontium und Barium sind nahezu unlöslich, während Calciumsulfat (Gips) eine eingeschränkte Löslichkeit aufweist. Daher muss vor der Fällung von Strontium als Strontiumcarbonat sämtliches Barium aus der Lösung entfernt werden. Außerdem muss darauf geachtet werden, dass die Sulfat-Konzentration gering ist, da ansonsten nicht nur das Strontiumsulfat, sondern auch das Calciumsulfat ausfällt.

  Bariumchromat ist unlöslich, während die Chromate der übrigen Kationen eine geringe Löslichkeit aufweisen. Bei geringer Chromat-Konzentration fällt daher das Barium vollständig aus, die übrigen Ionen bleiben jedoch in Lösung. Da eine saure Lösung verwendet wird, der eine Kaliumdichromat-Lösung zugesetzt wird, ist gewährleistet, dass die Chromat-Konzentration im richtigen Bereich ist. Chromat-Ionen und Dichromat-Ionen liegen nämlich im Gleichgewicht vor, im sauren Milieu liegt das Gleichgewicht jedoch weit auf Seite des Dichromats. Daher ist die Konzentration an Chromat-Ionen nur sehr gering.

• Nenne Kationen, die sich auf Grund ihrer Eigenschaften im Trennungsgang zuletzt in Lösung befinden.

  Tipps

  Erdalkali-Kationen bilden Salze, die in der Regel deutlich schlechter löslich sind als Salze der Alkali-Metalle.

  Lösung

  Die Kationen der leichten, kleinen Alkali-Metalle haben sehr ähnliche chemische Eigenschaften. Sie unterscheiden sich zwar in ihrer Größe, trotzdem bilden sie mit den gleichen Anionen Salze, die in der Regel sehr gut wasserlöslich sind. Daher sind Lithium, Natrium und Kalium sehr schwer zu trennen und lassen sich auch nur mit Mühe nebeneinander nachweisen. Die unterschiedliche Größe der Kationen führt jedoch dazu, dass sie mit speziellen Liganden unterschiedliche Komplexe bilden können. Auf diese Weise lassen sie sich auch nebeneinander nachweisen, dies ist jedoch mit viel Aufwand verbunden.

  Einfacher ist der Nachweis mittels Flammenspektroskopie. Die drei Metalle haben gut unterscheidbare Flammenspektren, die sich gut gleichzeitig mit einem Handspektroskop erkennen lassen. Dies spart viel Arbeit und Zeit.

• Erkläre die Probleme, die bei der Fällung von $Sr^{2+}$-Ionen als Sulfat auftreten können.

  Tipps

  Beim Überschreiten des Löslichkeitsproduktes eines Salzes fällt dieses aus der Lösung aus.

  Lösung

  Calciumsulfat, auch Gips genannt, ist relativ schlecht in Wasser löslich. Daher ist es schwierig, Strontium-Ionen von Calcium-Ionen durch Fällung des Strontiums als Sulfat zu trennen. Wählt man die Konzentration an Sulfat-Ionen zu niedrig, fällt das Strontiumsulfat nicht aus. Wählt man die Konzentration zu hoch, fallen sowohl $SrSO_4$ als auch $CaSO_4$ aus. Sind in der Lösung keine Strontium-Ionen enthalten, kann der Nachweis daher trotzdem positiv ausfallen, wenn Calcium-Ionen enthalten sind und die Konzentration an ${SO_4}^{2-}$-Ionen im Nachweisreagenz geringfügig zu hoch liegt.

  Ein eleganter Weg dies zu vermeiden ist es, als Nachweisreagenz eine gesättigte Lösung von $CaSO_4$ zu verwenden. Dazu muss die Analysenlösung auf jeden Fall aufgeteilt werden. Die gesättigte Lösung enthält genau so viele ${SO_4}^{2-}$-Ionen, um das Calciumsulfat nicht zu fällen. Daher wird dieses auch nicht fälschlicherweise ausgefällt, wenn das Nachweisreagenz zur Analysenlösung gegeben wird. Sind Strontium-Ionen enthalten, so reicht die Konzentration jedoch aus, um diese als Strontiumsulfat zu fällen.

  Achtung: Nach diesem Analyseschritt darf die überstehende Lösung auf keinen Fall für einen Calcium-Nachweis verwendet werden, dieser fällt in jedem Fall positiv aus und verfälscht das Ergebnis der Analyse!