Chemie Praktikum Klasse 11

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Identifizierung von Ionen

Allgemeine Grundlagen

Salze:

Stoffe, die hart und spröde sind und eine hohe Schmelztemperatur haben, zählt man zur Stoffklasse der Salze. Salze lösen sich in Wasser. Ihre Löslichkeit ist unterschiedlich. Die wässrige Lösung der Salze können wie ihre Schmelzen den elektrischen Strom leiten. Feste Salze und Salzlösungen enthalten Ionen. Die Ionen der festen Salze sind aber nicht beweglich und dadurch leiten sie auch (im Gegensatz zu Salzlösung -frei bewegliche Ionen-) keinen elektrischen Strom.

Ionenverbindungen (=Salze):

Sie haben charakteristische Eigenschaften:

• Salzschmelzen und Salzlösungen leiten den elektrischen Strom
• Es sind hohe Temperaturen zum Schmelzen von Salze erforderlich.
• Zwischen Ionen herrschen starke Anziehungskräfte (im Ionengitter)

Kationen:

Kationen sind positiv geladene Ionen. Zum Beispiel: Cu2+ (Elektronenüberschuss an der Anode)

Anionen:

Anionen sind negativ geladene Ionen. Zum Beispiel: Cl- (Elektronenmangel an der Anode)

Analyse:

Eine Analyse ist eine Zerlegung einer Verbindung in die Elemente. Der Begriff Analyse wird auch bei der Untersuchung eines Gemisches gebraucht, wenn die einzelnen Bestandteile bestimmt werden.

Halogenid:

Halogenide sind Verbindungen mit Halogenen (Fluor, Chlor, Brom, Jod und Astat, sie bilden unmittelbar mit Metallen Salze).

Sie sind einfach negativ geladen. Ihre Schmelz- und Siedetemperatur ist sehr hoch. Alkalimetall-, Erdalkalimetall- und Ammonium-Salze sind salzartige Halogenide und bilden ein Ionengitter.

Um Halogenide nachzuweisen führt man die Beilsteinprobe durch.

Halogene:

Der Name kommt aus dem Griechischen und bedeutet so viel wie Salzbildner.

Sammelbezeichnung für die Elemente der siebten Gruppe des periodischen Systems.

Es sind Nichtmetalle, die alle giftig bis sehr giftig sind.

Halogene bestehen aus zweiatomigen Molekülen, z.B. F2, Cl2, Br2 und I2.

Salpetersäure:

Summenformel: HNO3

100%ige Salpetersäure ist farblos. An der Luft bildet sie Nebel. Deshalb nennt man die auch rauchende Salpetersäure.

Verdünnt man Salpetersäure mit Wasser, so reagiert sie vollständig zu H3O+- und hydratisierten Nitrationen (NO3-Ionen).

Die Salpetersäure ist eine anorganische Säure, die vor allem zum Beizen von Metallen und zur Herstellung von Düngemitteln, Farb- und Sprengstoffen verwendet wird.

Salzsäure:

Stark verdünnte Salzsäure ist Bestandteil des Magensaftes. Ein �berschuss an Salzsäure verursacht Sodbrennen.

Wenn eine konzentrierte Salzsäure-Flasche geöffnet wird, sieht man einen Nebel. Ein Indikator zeigt eine saure Lösung an.

Chemische Formel: HCL

Silbernitratlösung:

Ist eine Silbersalzlösung zum Nachweis von Chlorid-, Bromid- und Iodidionen.

Verhältnisformel: AgNO3

Kommt Silbernitrat auf die Haut, so wirkt es ätzend und hinterlässt sehr schwer zu entfernende schwarze Flecken. Daher rührt auch der Name des Silbernitrats: Höllenstein.

Sulfation:

SO42-Ion

Sulfationen kann man nachweisen, indem man Bariumchloridlösung zu Schwefelsäure- oder Sulfatlösungen gibt. Dabei fällt ein weißer Niederschlag an, den man durch seine feinkristalline Struktur von dem Silberchloridniederschlag unterscheiden.

Nachweis: Aus Barium- und Sulfationen entsteht schwer lösliches Bariumsulfat.

Sulfate:

Sulfate sind Salze der Schwefelsäure. Wie oben bereits aufgeführt ist Bariumsulfat schwer oder sogar nahezu unlöslich. Bariumsulfat (Schwerspat) hat eine hohe Dichte. Es wird zur Herstellung von Kunstdruckpapier verwendet. Ferner wird es als Röntgenkontrastmittel verwendet, da es ungiftig ist.

Carbonate:

Carbonate sind die Salze der Kohlensäure.

Es gibt verschiedene Carbonate. Z.B.: Hydrogencarbonat H2CO3, eine schwache, zweibasische Säure. Beim Erwärmen gibt sie CO2-Gas ab, das auch als Kohlensäure bezeichnet wird.

Alle Carbonate (außer Alkalimetallcarbonate) sind in Wasser schlecht löslich.

Natriumcarbonat:

Natriumcarbonat, auch Soda genannt, wird durch Reaktion von Natriumchlorid mit Ammoniumhydrogencarbonat gewonnen. Es ist eine chemische Verbindung der Summenformel Na2CO3.

Hauptsächlich wird es zur Waschmittelherstellung sowie in der Papier- und Zellstoff- und Seifenindustrie verwendet.

Kaliumhexacyanoferrat(II):

Man nennt es auch das gelbe Blutlaugensalz. Es ist eine chemische Verbindung der Formel K4(Fe(CN)6). Gelbes Blutlaugensalz ist ungiftig und wird zum Schönen von Weinen verwendet.

Kaliumhexacyanoferrat(III):

Es wird zur Vereinfachung auch Rotes Blutlaugensalz genannt. Rotes Blutlaugensalz ist eine giftige chemische Verbindung der Formel K3(Fe(CN)6). Es ist ein Bestandteil des Farbstoffs Berliner Blau.

Ammoniumionen:

Ammonium ist das Ion NH4+ oder die Molekülgruppe -NH4+.

Ammoniumverbindungen zersetzen sich durch alkalische Lösungen. Bei dieser Reaktion bildet sich Ammoniak, welches das Indikatorpapier blau färbt.

Ammoniumchlorif

Heißt auch Salmiak und hat die Verhältnisformel NH4Cl.

Ammoniumchlorid ist ein weißes, wasserlösliches, bitter schmeckendes Salz. Früher wurde es "Sol ammoniacum" genannt, woraus das jetzige Wort "Salmiak" entstand. Ammoniumchlorid findet in der Löttechnik und zur Herstellung schleimlösender Salmiakpastillen Verwendung.

Calciumsulfat

Verhältnisformel: CaSo4

Es besteht aus falblosen Kristallen, kann aber auch ein weißes Pulver sein.

Natronlauge:

Natronlauge ist die wässrige Lösung von Natriumhydroxid.

Chemische Verbindung der Summenformel NaOH. Natriumhydroxid ist ein weißes Salz, das meistens in Tablettenform gepresst ist.

In Wasser gelöstes Natriumhydroxid (Natronlauge) wird in der Seifen- und Farbstofffabrikation sowie zur Herstellung von Kunstseide und Cellulose verwendet.

Aufgabe 1

Viele Feststoffe sind Salze (Ionenverbindungen), sie bestehen also als Kationen und Anionen. Die Identifizierung von Kationen und Anionen gehört in der Chemie zur qualitativen Analyse. Um die Proben unbekannter Substanzen zu identifizieren, müssen erst die Nachweismethoden (versuch 1-5) kennen gelernt werden.

Vorkommen können folgende Ionen:
Kationen: Li+, Na+, K+, NH4+, Ca2+, Sr2+, Fe2+, Fe3+
Anionen: Cl-, Br-, I-, SO42-, CO32-

Nenne (mit einer Tabelle) alle möglichen Verhältnisformel und benenne die Salze.

	Li+	Na+	K+	NH4+	Ca2+	Sr2+	Fe2+	Fe3+
Cl-	Li+Cl-	Na+Cl-	K+Cl-	NH4+Cl-	Ca2+(Cl-)2	Sr2+(Cl-)2	Fe2+(Cl-)2	Fe3+(Cl-)3
Br-	Li+Br-	Na+Br-	K+Br-	NH4+Br-	Ca2+(Br-)2	Sr2+(Br-)2	Fe2+(Br-)2	Fe3+(Br-)3
I-	Li+I-	Na+I-	K+I-	NH4+I-	Ca2+(I-)2	Sr2+(I-)2	Fe2+(I-)2	Fe3+(I-)3
SO42-	(Li+)2SO42-	(Na+)2SO42-	(K+)2SO42-	(NH4+)2SO42-	Ca2+ SO42-	Sr2+SO42-	Fe2+SO42-	Fe23+(SO42-)3
CO32-	(Li+)2CO32-	(Na+)2CO32-	(K+)2CO32-	(NH4+)2CO32-	Ca2+ CO32-	Sr2+CO32-	Fe2+CO32-	Fe23+(CO32-)3

Benennung

	Li+	Na+	K+	NH4+	Ca2+	Sr2+	Fe2+	Fe3+
Chloride Cl-	Lithiumchlorid	Natriumchlorid =Kochsalz	Kaliumchlorid	Ammoniumchlorid	Calciumdichlorid	Strontiumdichlorid	Eisen(II)dichlorid	Eisen(III)trichlorid
Bromide Cl-	Lithiumbromid	Natriumbromid	Kaliumbromid	Ammoniumbromid	Calciumdibromid	Strontiumdibromid	Eisen(II)dibromid	Eisen(III)tribromid
Iodide I-	Lithiumiodid	Natriumiodid	Kaliumiodid	Ammoniumiodid	Calciumdiiodid	Strontiumdiiodid	Eisen(II)diiodid	Eisen(III)triiodid
Sulfate SO4-	Dilithiumsulfat	Dinatriumsulfat (=Glaubersalz)	Dikaliumsulfat	Diammoniumsulfat	Calciumsulfat (=Gips)	Strontiumsulfat	Eisen(II)sulfat	DiEisen(III)trisulfat
Carbonate CO3-	Dilithiumcarbonat	Dinatriumcarbonat (=Soda)	Dikaliumcarbonat	Diammoniumcarbonat	Calciumcarbonat (=Kalk)	Strontiumcarbonat	Eisen(II) carbonat (=Eisenspat)	DiEisen(III)tricarbonat

Kennen lernen der Nachweismethoden

Versuch 1: Nachweis von Halogenidionen

Geräte:

• Reagenzgläser
• Reagenzglasständer
• Spatel
• Pipette

Chemikalien:

• Alkalimetallhalogenide (Kaliumchlorid)
• verdünnte Salpetersäure
• Silbernitratlösung
• Wasser

Durchführung:

Man löst jeweils in einem Reagenzglas eine Spatelspitze eines der Alkalimetallhalogenide in wenig Wasser. Säuert die Lösung mit einigen Tropfen verdünnter Salpetersäure an. [Wieso darf man nicht Salzsäure verwenden?] Anschließend gibt man tropfenweise Silbernitratlösung (c=0,1 mol/l) hinzu. Nach jedem Tropfen warte man einen Moment.

Beobachtung:

Wenn man zu Kaliumchlorid Wasser in das Reagenzglas gibt, löst es sich schnell. Nachdem verdünnte Salzsäure und Silbernitrat hinein gegeben wurden, trübt sich die Lösung. Es bildet sich ein weißer, flockiger Niederschlag.

Ergebnis:

Wieso darf man nicht Salzsäure verwenden?

Man darf keine Salzsäure verwenden, da es in Wasser gelöst Chlorionen und Protonen bildet. Dadurch kann es passieren, dass man bei dem Versuch die Chlorionen von der Salzsäure (was man dann nicht weiß) nachweist obwohl es sich bei dem Salz möglicherweise überhaupt nicht um ein Chlorid handelt.
Man nimmt aus diesem Grund Salpetersäure, welches überhaupt nicht an der Reaktion beteiligt ist und daher nur als Katalysator dient.

Chloridionen und Silberionen reagieren und bilden einen weißen Niederschlag, welcher dann Silberchlorid heißt.

Aus der Reaktionsgleichung geht hervor, dass auch noch ungelöstes Kaliumnitrat vorliegen muss.
KCl + AgNO3 -> AgCl + KNO3

Versuch 2: Nachweis von Sulfationen

Geräte:

• Reagenzgläser
• Reagenzglasständer
• Spatel

Chemikalien:

• Natriumsulfat
• verdünnte Salpetersäure
• Bariumnitrat
• Wasser

Durchführung:

Zuerst muss man eine Bariumnitratlösung (aus Bariumnitrat und Wasser) herstellen. Anschließend löst man in einem Reagenzglas eine Spatelspitze Natriumsulfat in wenig Wasser und säuert die Lösung mit einigen Tropfen verdünnter Salpetersäure an. Zum Schluss gibt man zu dieser Lösung einige Tropfen der hergestellten Bariumnitratlösung.

Beobachtung:

Wenn man zu Natriumsulfat und Wasser verdünnte Salpetersäure gibt, trübt sich die Lösung. Sie wird milchig-weiß.

Ergebnis:

Bariumionen und Sulfationen reagieren zu Bariumsulfat

Ba²⁺(NO₃^-)₂+ (Na⁺)₂SO₄^2- -> Ba²⁺SO₄^2- + 2Na⁺NO₃^-
Ba2+(NO3-) 2+ (Na+)2SO4 2- -> Ba2+SO42- + 2Na+NO3-

Versuch 3: Nachweis von Carbonationen

Geräte:

• Reagenzgläser
• Reagenzglasständer
• Stopfen mit Glasrohr
• Spatel

Chemikalien:

• Natriumcarbonat
• verdünnte Salzsäure
• Kalkwasser
• destilliertes Wasser

Durchführung:

Man löst drei bis vier Spatel Natriumcarbonat in etwa 5 ml destilliertem Wasser. Gibt anschließend etwa 2 ml verdünnte Salzsäure zu und verschließt sofort das Reagenzglas mit einem Stopfen mit Glasrohr und leitet das gebildete Gas durch Kalkwasser, welches in einem 2. Reagenzglas ist.

Beobachtung:

Wenn man das entstehende Gas durch das Kalkwasser leitet, so trübt es sich.

Ergebnis:

Da sich das Kalkwasser trübt, muss man davon ausgehen, dass das entstehende Gas Kohlenstoffdioxid ist.
Natriumcarbonat und Salzsäure reagieren zu Natriumchlorid, Kohlenstoffdioxid und Wasser.
(Na⁺)2CO₃^2- + 2H⁺Cl^- -> 2Na⁺Cl^- + CO₂ + H₂0
(Na+)2CO32- + 2H+Cl- -> 2Na+Cl- + CO2 + H20

Versuch 4: Nachweis von Eisenionen

Geräte:

• Reagenzgläser
• Reagenzglasständer
• Spatel
• Pipette

Chemikalien:

• Eisen(II)-sulfat
• Eisen(III)-sulfat
• Kaliumhexacyanoferrat(III)
• Kaliumhexacyanoferrat(II)
• destilliertes Wasser

Durchführung:

Zu erst löst man drei Spatelspitzen Eisen(II)-sulfat in circa 5 ml destilliertem Wasser und tropft zu der Lösung etwa 0,5 ml einer Lösung von Kaliumhexacyanoferrat(III) [0,5 g/100 ml].

Beim zweiten Teilversuch löst man drei Spatelspitzen Eisen(III)-sulfat in circa 5 ml destilliertem Wasser und tropft zu der Lösung etwa 0,5 ml einer Lösung von Kaliumhexacyanoferrat(II) [0,5 g/100 ml].

Beobachtung:

Beim zusammenmischen von Eisen(II)-sulfat-Lösung und Kaliumhexacyanoferrat(III)-Lösung entsteht ein blauer Niederschlag.

Eisen(III)-sulfat-Lösung und Kaliumhexacyanoferrat(II)-Lösung bildet einen blaugrünen Niederschlag.

Ergebnis:

Wenn Eisen(III)-sulfat-Lösung und Kaliumhexacyanoferrat(II) reagieren, dann entsteht Eisen(III)hexacyanoferrat(II), was auch Berliner Blau genannt wird.

Versuch 5: Nachweis von Ammoniumionen

Geräte:

• Reagenzgläser
• Reagenzglasständer
• Spatel
• Pipette
• Pinzette
• Universalindikatorpapier
• Wattebausch

Chemikalien:

• Ammoniumchlorid
• verdünnte Natronlauge
• konzentrierte Salzsäure
• destilliertes Wasser

Durchführung:

In circa 5 ml destilliertem Wasser werden drei bis vier Spatel Ammoniumchlorid gelöst. Unter dem Abzug werden zu der Lösung circa 2 ml verdünnte Natronlauge gegeben. Nun hält man (mit der Pinzette) ein angefeuchtetes Universalindikatorpapier in den Gasraum des Reagenzglases. Danach tropft man auf einen kleinen Wattebausch konzentrierte Salzsäure und hält ihn in den Gasraum des Reagenzglases.

Beobachtung:

Das in das Reagenzglas gehaltene, angefeuchtete Indikatorpapier färbt sich blau.
Durch den mit Salzsäure betropften Wattebausch bildet sich weißer Rauch.

Ergebnis:

Es muss ein alkalische Stoff entstanden sein, das sich das Indikatorpapier blau gefärbt hat.

Durch die Reaktionsgleichung findet man dann heraus, dass des Ammoniak ist, welches durch die Reaktion von Natronlauge und Ammoniumchlorid entsteht. (Andere dabei entstehende Stoffe sind Wasser und Natriumchlorid)

Na⁺OH- + NH₄+Cl^- -> Na⁺Cl^- + H₂O + NH₃

Ammoniak reagiert mit Salzsäure zu Ammoniumchlorid (=Salmiak)
NH₃ + HCl -> NH₄ + Cl^-

Versuch 6:

Aufgabe:

Untersuche nun die unbekannten Proben und versuche diese zu benennen. Hinweis: Um Alkali- und Erdalkalimetallionen zu bestimmen, verwendet man die Flammenfärbung.

Geräte und Chemikalien:

• Gasbrenner
• Magnesiastäbchen
• Schutzbrille
• Reagenzgläser
• Spatel
• Pipette
• Watte
• Pinzette
• Indikator
• destilliertes Wasser
• Proben 1-4

Durchführung:

Man Probiert die Nachweismethoden durch, bis eine positiv ist. Dabei können die Kationen teilweise mit Hilfe der Flammenfärbung bestimmt werden.

Beobachtung:

Probe 1:

Versuch 1 (Nachweis von Halogenidionen) ist positiv.

Nachdem zur Probe Salpetersäure und Silbernitrat gegeben wurde, bildete sich ein weißer, flockiger Niederschlag.

Die Flammenfärbung zeigt ein orange.

Auch der Ammoniumionen-Nachweis ist positiv, da sich das Indikatorpapier blau färbt und durch Watte (mit Salpetersäure) entsteht ein weißer Rauch.

Probe 2:

Beim Versuch 1 (Nachweis von Halogenidionen) sprudelt die gelöste Substanz mit der Schwefelsäure. Durch das Sprudeln muss also ein Gas entstehen.

Der Nachweis von Ammoniumionen (Versuch 5) ist negativ.

Auch hier ist die Flammenfärbung orange.

Probe 3:

Hier ist der Nachweis von Halogenidionen negativ.

Der Nachweis von Sulfationen jedoch positiv, da sich ein milchig-weißer Niederschlag bildet.

Die Flammenfärbung ist rot.

Probe 4:

Es entsteht ein weißer Niederschlag bei dem 1. Versuch (Nachweis von Halogenidionen).

Bei der Flammenfärbung ist keine Farbe sichtbar.

Wenn man mit dieser Probe Versuch 4 (Nachweis von Eisenionen) durchführt (mit Kaliumhexacyanoferrat(II)), so entsteht ein blaugrüner Niederschlag.

Ergebnis:

Probe 1:

Der Nachweis von Halogenidionen ergibt ein Chlorid. Die Flammenfärbung und der Ammoniumionen-Nachweis deuten auf Ammonium hin.

Es ist Ammoniumchlorid (NH4Cl).

Probe 2:

Bei Versuch 1 (Nachweis von Halogenidionen) entsteht ein Gas, welches Kohlenstoffdioxid ist. Deshalb kann es nur ein Carbonat sein.

Da der Nachweis von Ammoniumionen negativ und die Flammenfärbung orange ist, kann es sich hier nur ein Natriumkation handeln.

Es ist Natriumcarbonat (Na2CO3).

Probe 3:

Da der Nachweis von Halogenidionen negativ ist kann es kein Halogenid sein.

Da der Nachweis von Sulfationen positiv ist, ist es also ein Sulfat.

Die Flammenfärbung ist rot. Es deutet auf ein Calciumkation hin.

Es ist Calciumsulfat (CaSO4).

Probe 4:

Da der 1. Versuch (Nachweis von Halogenidionen) positiv ist, handelt es sich um ein Chlorid.

Weil bei der Flammenfärbung keine Farbe sichtbar ist, ist es Eisen.

Der Nachweis von Eisen(III) ist positiv.

Es ist Eisen(III)chlorid (FeCl3)

Quellen:

• Elemente Chemie I
• Elemente Chemie II
• www. schueler-lexikon.de