02.04.2008 Versuchsprotokoll 2

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4. Anorganisch-chemische Versucheo 4.2. Bildung und Auflösung schwerlöslicher Verbindungen

Einführung

Elektrolyte sind feste Verbindungen, die bei Zugabe von wässrigen Lösungen aufgrund ihres Dipolcharakters in Kationen und Anionen dissoziieren. Gibt man einen Elektrolyt in eine wässrige Lösung, so dissoziiert er solange, bis die Lösung gesättigt ist, d.h. eine bestimmte Konzentration des Elektrolyten in der Lösung erreicht wird. Es liegt ein Gleichgewicht vor.Dissoziationsgleichgewicht: AB(s) à A+

(aq) + B-(aq)

Gleichgewichtskonstante KDiss: KDiss = [A+] [B-]

Löslichkeitsprodukt KL: KL = KDiss [AB] = [A+] [B-][AB]

A+ und B- entspricht genau der Menge des in Lösung gegangenen AB.

Löslichkeit: [An+]=[Bn-]=L

Um den Wert der Konzentration, sowie des Löslichkeitsprodukt übersichtlicher zu machen wird der negativen dekadischen Logaritmus verwendet:

pKL= –lg KL

Versucht man durch weitere Zugabe des Elektrolyten eine Erhöhung dieser Konzentration zu erzielen, ist dies nicht mehr möglich, der Elektrolyt fällt als Feststoff aus. Man spricht von einer Fällungsreaktion, das Löslichkeitsprodukt wird überschritten. Bei Fällungsreaktionen bilden durchchemische Reaktionen Ionen aus leicht löslichen Verbindungen ein schwer lösliches Salz. Wenn ein Anion Bn- einer Ionenverbindung eine relativ mittelstarke bis starke Bronsted-Base ist, so ist die Löslichkeit dieser Verbindung entscheidend vom pH-Wert abhängig.

Säure-Base-Gleichgewicht: Bn- + H+ à HB(n-1)-

Löslichkeitsgleichgewicht: AB à An+ + Bn-

AB + H+ à An+ + HB(n-1)-

H+ und An+ konkurrieren um Bn-. Diese Bronsted-Base agiert hierbei als H+ Akzeptor. Ist die Konzentration an H+ hoch, so findet eine starke Reaktion statt, es wird eher HB(n-1)- statt AB vorliegen. Somit ist eine hohe Löslichkeit von AB vorhanden, der pH-Wert ist relativ gering. Je weiter der pH-Wert ansteigt, desto schwerer löslich wird die Verbindung. Es kommt zu Fällungen und somit zu Bildung von Niederschlägen. Zu einer Auflösung des Niederschlages kann es kommen, wenn ein Reaktionspartner entfernt wird, oder mit einer anderen Substanz reagiert. Hierbei wird das Löslichkeitsprodukt unterschritten.Im Folgenden werden anhand von Fällungsreaktionen, Säure-Base-Reaktionen und Komplexbildungsreaktionen die Bildung und Auflösung schwerlöslicher Verbindungen analysiert.

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Experimentelle Durchführung

Chemikalien: 0.1N EDTA-Lsg., 2N Salzsäure (HCl), 2N Salpetersäure (HNO3), 2N Essigsäure (HOAc), 2N Zitronensäure, 2N Ammoniak-Lsg. (NH3), MgCl2, CaCl2, SrCl2, BaCl2, Na2SO4, Na2CO3, Na2C2O4,

Materialien: Reagenzgläser, Glasstab, Becherglas, Kochplatte, Pipetten,

Fällungsversuche:Aufgabe des Versuches ist, die in Tabelle 3.4 des Skripts, Praktikum Chemie für Biologen, Carbonate, Sulfate, Oxalate und Ag-Halogenide zu fällen. Dazu werden jeweils drei Reagenzgläser mit 1 ml einer Mg2+-haltigen (MgCl2), 1 ml einer Ca2+-haltigen (CaCl2), 1 ml einer Sr2+-haltigen (SrCl2), und 1 ml einer Ba2+ -haltigen (BaCl2), Lösung gefüllt. Anschließend werden in jeweils eine der verschiedenen Kationenlösungen 1 ml Na2SO4 zugegeben. In die jeweilige Zweite fließen 1 ml Na2CO3, sowie in die jeweilige Letzte 1 ml Na2C2O4.Zusätzlich werden zur Fällung von CaCO3 vier Reagenzgläser mit je 1 ml CaCl2 und 1 ml Na2CO3

angesetzt, welche für spätere Auflösungsversuche von Nöten sind.Des Weiteren werden sechs Reagenzgläser mit 1 ml AgNO3-Lsg. angesetzt, wobei in jeweils zwei davon 1 ml NaCl, 1 ml NaBr und 1 ml NaI zugefügt werden.Sollten die Fällungsreaktionen nicht sofort ablaufen, so kann dies durch Erhitzen oder Kratzen mit einem Glasstab an der Reagenzglasinnenwand gefördert werden. So kommt es dann zur leichten Kristallisation.Zur Auswertung soll festgehalten werden, ob sich ein Niederschlag gebildet hat, sowie dessen Farbe und Konsistenz. Die entsprechenden Reaktionsgleichungen sollen aufgestellt werden.

Auflösungsversuche:Bei den aus den Fällungsversuchen entstandenen vier CaCO3-Ansätzen wird die klare Lösung mit einer Pasteurpipette entfernt, sodass lediglich die feste Verbindung zurück bleibt. Diese werden auf ihre Löslichkeit geprüft, indem in ein Reagenzglas 2N HCl gegeben wird, in das nächste 2N HOAc, in das dritte 2N Zitronensäure und in das letzte 0.1N EDTA. Dies geschieht tropfenweise mit je 2 ml des jeweiligen Reagenz. Sollte sich ein Niederschlag nicht auflösen, so wird er bis zum Sieden erhitzt.Im Folgenden werden noch die Löslichkeiten von AgCl, AgBr, und AgI analysiert. Es wird ein Reagenzglas der identischen Verbindungen mit 2 ml 2N NH3 und das andere mit 2 ml 1M Na2S2O3

gefüllt.Es soll beantwortet werden, ob sich die Niederschläge auflösen. Dies ist mittels des Löslichkeitsprodukts, und der Säure-Base-, bzw. Komplexreaktion zu ermitteln. Des Weiteren sollen Reaktionsgleichungen aufgestellt, die schwerlöslichen Salze aus Tabelle 3.4. wie MgCO3 mit Namen benannt und die räumlichen Strukturformeln derer mit freien Elektronenpaaren von CO3

2-, SO42- und

C2O4- gegeben werden.

Ergebnis

Fällungsversuche:Die Tabelle (1) gibt Aufschluss über die Bildung von Niederschlägen, deren Farbe und Konsistenz und die Reaktionsgleichungen bei schwer löslichen Verbindungen.

Niederschlag Farbe Konsistenz ReaktionsgleichungMgCO3 Nd. vorhanden Weiß, milchig, trüb wässrig Mg2+ + CO3

2- à MgCO3

MgC2O4 Klar, kein Nd. durchsichtig wässrig Mg2+ + C2O42- à MgC2O4

MgSO4 Klar, kein Nd. durchsichtig wässrig Mg2+ + SO42- à MgSO4

BaCO3 Nd. Vorhanden 2 Phasen: klar/milchig Wässrig/zäh Ba2+ + CO32- à BaCO3

BaC2O4 Nd. Vorhanden 2 Phasen: klar/milchig wässrig Ba2+ + C2O42- à BaC2O4

BaSO4 Nd. Vorhanden 2 Phasen: klar/milchig wässrig Ba2+ + SO42- à BaSO4

CaCO3 Nd. Vorhanden trüb, Nd. abgesetzt Wässrig/fest Ca2+ + CO32- à CaCO3

CaC2O4 Nd. Vorhanden Weiß, milchig, trüb wässrig Ca2+ + C2O42- à Ca2C2O4

CaSO4 Nd. Vorhanden Klar Nd. abgesetzt Wässrig/fest Ca2+ + SO42- à CaSO4

SrCO3 Nd. Vorhanden Klar, Nd. abgesetzt Wässrig/fest Sr2+ + CO32- à SrCO3

SrC2O4 Nd. Vorhanden Klar Nd. abgesetzt Wässrig/fest Sr2+ + C2O42- à SrC2O4

SrSO4 Nd. Vorhanden Weiß, milchig, trüb wässrig Sr2+ + SO42- à SrSO4

Auflösungsversuche:

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Diese Tabelle (2) zeigt, ob sich die Niederschläge bei Zugabe der vier Reagenzien aufgelöst haben und beinhaltet die Reaktionsgleichungen derer mit CaCO3 . CaCO3 + Niederschlag Reaktionsgleichung2N HCl Löst sich auf CaCO3+ HCl à HCO3

- + Ca2+ + CL-

2N HOAc Löst sich auf CaCO3+ HOAc à HCO32- + Ca2+ + Oac-

2N Zitronensäure Löst sich auf CaCO3+ C6H8O7 à HCO32- + Ca2+ + C6H7O7

-

0.1 M EDTA Löst sich nicht auf CaCO3 + EDTA à [Ca-EDTA]2+ + CO32-

Diese Tabelle (3) dokumentiert das Verhalten der Salze AgCl, AgBr und AgI bei Zugabe von 2N NH3 und 1M Na2S2O3.Salze 2N NH3 1 M/2N Na2S2O3AgCl Nd. teilweise aufgelöst Nd. löst sich schnell aufAgBr Nd. löst sich nicht auf Nd. löst sich schnell aufAgI Nd. löst sich nicht auf Nd. löst sich nicht auf

Diese Tabelle (4) gibt Auskunft über den Namen der schwerlöslichen Salze.Salze NameMgCO3 MagnesiumcarbonatMgC2O4 MagnesiumoxalatMgSO4 MagnesiumsulfatBaCO3 BariumcarbonatBaC2O4 BariumoxalatBaSO4 BariumsulfatCaCO3 CalciumcarbonatCaC2O4 CalciumoxalatCaSO4 CalciumsulfatSrCO3 StrontiumcarbonatSrC2O4 StrontiumoxalatSrSO4 StrontiumsulfatAgCl SilberchloridAgBr SilberbromidAgI Silberiodid

Die Tabelle (5) gibt Auskunft über die räumlichen Strukturformeln von CO32-, SO4

2-, C2O42-.

Anion Räumliche StrukturformelCO3

2-

SO42-

C2O42-

Schlussfolgerung

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Anhand dieser Tabelle (1) und Tabelle 3.4 des Skripts kann man darauf schließen: Je höher der pKL-Wert einer Verbindung ist, desto weniger kann sich die Verbindung lösen, desto mehr Niederschlag bildet sich bei einer Fällung. Wenn ein Stoff nicht gleich gefällt werden kann, so hilf Erhitzen zur Reaktion. MgC2O4 und MgSO4 bilden keine Niederschläge. Ihre pKL-Werte liegen bei 0.94 und 4.07, die relativ niedrig sind.

Wie Tabelle (2) zeigt, löst sich CaCO3 bei allen Reagenzien auf, außer bei 0.1 N EDTA. Das liegt daran, dass sich schwerlösliche Verbindungen in sehr saurem Medium gut lösen. Je höher der pH-Wert jedoch wird, desto schlechter ist die Löslichkeit. Obwohl 0.1 N EDTA eine Säure ist löste sich CaCO3

nicht auf.Bei den Reaktionen von CaCO3 mit Salzsäure, sowie Essigsäure, als auch Zitronensäure handelt es sich um Säure-Base-Reaktionen. Bei der Reaktion von CaCO3 mit EDTA handelt es sich um eine Komplexierungsreaktion.

Tabelle (3) dokumentiert, ob sich Niederschläge gebildet haben. AgCl löste sich bei beiden Reagenzien auf, der pKL-Wert liegt bei 9.80. AgBr löste sich nur teilweise auf, AgI überhaupt nicht. Der pKL-Wertbei AgI ist mit 16.00 zu hoch, bei AgBr mit einem pKL-Wert von 12.15 kommt es auf den Reaktionspartner an. Auch hier handelt es sich um Komplexbildungsreaktionen.Bsp.: AgCl + 2 NH3 à [Ag (NH3)2 ]+ + Cl-

LiteraturPraktikum Chemie für Biologen: Anorganische, Organische und Physikalische Chemie für Biologen, von Holger Fleischer, erschienen WS 2004/05, Institut für Anorganische Chemie und Analytische Chemie Johannes Gutenberg-Universität Mainz