1.6: Bestimmung der Löslichkeit von ionischen Verbindungen

1. allgemeine Methoden

1. Vorbereitung für die Qualitative Analyse
   1. Reaktionen erfolgen in der Regel in kleine Reagenzgläser mit Volumen von 5 mL oder weniger.
   2. Lösungen sollte müssen vollständig löslich sein und relativ zu verdünnen, in der Regel ~0.1 M.
   3. Reagenzien sollten langsam tropfenweise hinzugefügt und sorgfältig beobachtet werden.
   4. Mehrere gemeinsame "test Lösungen" sind erforderlich, um Löslichkeit Regeln oder ein unbekannter Ion zu identifizieren. Diese enthalten Ionen reagieren spezifisch mit bestimmten chemischen Spezies (kationen und Anionen) bekannt.
      1. Gemeinsame Lösungen beinhalten CaNO₃, BaCl₂(NH₄)₂MoO₄, HCl, AgNO₃und NaOH und andere Lösungen als erforderlich.
2. Mischen
   1. Mischen Sie Lösungen durch Antippen oder das Reagenzglas in vertikaler Richtung schwenken. Verwenden Sie ein Korken oder Stopper um zu verhindern, die Lösung Platschen.
   2. Entfernen Sie der Kork oder Stopfen, dann erhitzen Sie die Lösungen mit einem Wasserbad oder coole Flamme um eine Reaktion hervorzurufen. Zeigen Sie das Reagenzglas von Personen im Labor.
3. Beobachtung und Erholung
   1. Den überstand (nicht reagierende Lösung) zu trennen und Niederschlag mittels Zentrifugation. Wenn mehr Formen Niederschlag, wenn zusätzlicher Test Ionen hinzugefügt wird, ist die Reaktion unvollständig. Weitere Test Ion hinzu, bis nicht mehr Formen auszufällen.
   2. Waschen Sie den Niederschlag mittels Zentrifugation und Gießen oder Umfüllen von überstand. Fügen Sie mehr Wasser hinzu und wiederholen Sie den Vorgang für eine Gesamtmenge von drei Wäschen.
   3. Waschen Sie große Mengen an Niederschlag von Vakuumfiltration und erholen Sie den getrocknete Niederschlag aus dem Filterpapier zu.
   4. Beachten Sie die Bildung von einen Niederschlag sowie die Eigenschaften des Niederschlags wie Farbe, Dicke (gallertartig, bewölkt, fein) und Kristallbildung.
4. Sicherheit und Abfall
   1. Tragen Sie immer Schutzbrille während der Durchführung der qualitativen Analyse Experimente. Handschuhe können auch notwendig sein, abhängig vom verwendeten Reagenzien und Produkte gebildet.
   2. Ordnungsgemäße Entsorgungsmethoden müssen engmaschig überwacht werden. Schädliche Produkte können gebildet werden, wenn mehrere Reaktanden in einem Container kombiniert werden.

(2) Anion Analyse

1. Ermittlung von Karbonat, Phosphat, Chlorid und Sulfid-Ionen; PO₄^{3 -}, CO₃^{2 -}, Cl^-, S^2-
   1. Phosphat
      1. Fügen Sie eine Lösung, enthält Phosphat, PO₄^{3 -}, zu einer anderen Lösung, enthält Kalzium-Ionen, Ca^{2 +}. Die Bildung von einen weißen Niederschlag zeigt die Bildung von Calcium-Phosphat, Ca₃(PO₄)₂.
      2. Da viele kationen unlösliche Produkte mit Kalzium bilden, ist eine spezifische Reaktion möglich. Fügen Sie Ca₃(PO₄)₂ festen aufzulösen und bilden HPO₄^{2 hinzu-}H⁺ (Säure). Dann kombinieren Sie das HPO₄^{2 -} mit Ammonium Molybdat, (NH₄)₂MoO₄. Ein positiver Test liefert die gelbe Niederschlag Ammonium Phosphomolybdate, NH₄)₃PO₄(MoO₃)₁₂(s). Die net Ionischen Reaktionen sind wie folgt:
         3 Ca^{2 +}(Aq) + 2 PO₄^{3 -}(Aq) → Ca₃PO₄(s)
         Ca₃PO₄(s) + 2 H⁺(Aq) → 3 Ca^{2 +} + 2 HPO₄^2–(Aq)
         HPO₄ ^2- (Aq) + 12 (NH₄)₂MoO₄(Aq) + 23 H⁺(Aq) → (NH₄)₃PO₄ (MoO₃)₁₂(s) + 21 NH₄⁺(Aq) + 12 H₂O(l)
   2. Carbonat
      1. Carbonat-Salze sind in der Regel unlöslich außer in Anwesenheit von Gruppe 1 und Ammonium kationen. Ein paar Tropfen von Kalzium-Chlorid, CaCl₂, auf die Karbonat-haltige Lösung. In Lösungen mit hoher Carbonat-Konzentrationen ein weißen Niederschlag Formen und zeigt die mögliche Bildung von Calciumphosphat, CaCO₃. Die Reaktion hat viele Störungen, einschließlich andere Anionen wie Phosphat.
         Ca^{2 +}(Aq) + CO₃^{2 -}(Aq) → CaCO₃(s)
      2. Eine Lösung mit Carbonat, CO₃^{2 -}fügen Sie H⁺ (Säure hinzu). Blasenbildung zeigt Anwesenheit von CO₂, was bedeutet CO₃^{2 -} als Reaktionspartner. Carbonat-Ionen verhält sich wie eine Base in Gegenwart von starken Säure in Form von Kohlendioxid und Wasser.
         CO₃^2-(Aq) + H⁺(Aq) → CO₂(g) + H₂O(l)
   3. Chlorid
      1. Chlorid-haltige Lösung Silbernitrat hinzufügen. Die Bildung von einen weißen Niederschlag zeigt die Bildung von AgCl(s):
         AG⁺(Aq) + Cl^–(Aq) → AgCl(s)
   4. Sulfid
      1. Fügen Sie eine Kupferchlorid-Lösung zu einer Lösung mit Schwefelwasserstoff. Die Bildung von einen schwarzen Niederschlag zeigt die Bildung von Kupfer-Sulfide, CuS. Im allgemeinen reagieren mit Sulfid-Ionen, S^{2 -}Lösungen mit Metall-Ionen zu einer unlöslichen Metall Sulfid führen.
         S^2- + Cu^{2 +} → CuS(s).  
         Der Wert von der Löslichkeit Produkt K_sp = 6,3 x 10^-36, gibt den hohen Grad der Unlöslichkeit des Produkts.

(3) kation Analyse

1. Alle Alkalimetalle (Gruppe 1) und einige alkalische Erden (Gruppe 2) außer unter besonderen Bedingungen löslich sind.
2. Gruppe "fast alle" 3 – 13 Metalle gelten unlöslich in Anwesenheit von Sulfid, Karbonat, Phosphat und Hydroxid. Die Farbe und Art des Niederschlags variieren.
   1. Legen Sie eine Chrom-Lösung in einer Natronlauge. Ein grünen Niederschlag wird beobachtet. Die allgemeine Reaktion eines Metalls + 2 mit einem Hydroxid wird unten gezeigt:
      M^{2 +} + OH^– → M(OH)₂(s)
   2. Es ist nicht möglich, die Metall-Ionen basierend auf Löslichkeit allein mit einigen bemerkenswerten Ausnahmen zu unterscheiden:
      1. Die Zugabe von Silber, Ag⁺, Quecksilber, Hg₂^{2 +}, oder Blei, Pb^{2 +} , Chlorid, Bromid und Iodid entsteht Niederschlag.
      2. Die Zugabe von Strontium, Sr^{2 +}, Barium, Ba^{2 +}, Quecksilber, Hg₂^{2 +}oder Blei, Pb^{2 +} Ergebnisse in einen Niederschlag in Anwesenheit von Sulfat.
      3. BA^{2 +} bildet eine gelbliche Lösung in Gegenwart von CrO₄^2-, BaCrO₄(s). Dies ist Pigment in Ölfarben, allgemein bekannt als "Barium gelb" verwendet.
3. Begrenzte Unlöslichkeit von Metall-Ionen können für andere qualitative Tests für jedes Metall eindeutig identifizieren. Während irgendeiner Form ausfällt, unterzogen andere einzigartige Farbenänderungen in Anwesenheit von Ionen oder Moleküle chelatisierenden. Kation Identifikationen gehören Nickel, Eisen, Aluminium und Zink; NI^{2 +}, Fe^{3 +}, Al^{3 +}, Zn^{2 +}.
   1. Hinzufügen von Nickel (II) in Anwesenheit von Dimethylglyoxime (H₂Dmg), rosa-rot überstürzten Ni (H₂Dmg) zu bilden:
      NI^{2 +}(Aq) + 2 H₂Dmg(Aq) → Ni(Hdmg)₂(s) + 2 H⁺(Aq)
   2. Thiocyanat-Ion, SCN^– zu den blutroten [FeNCS]^{2 +}Eisen (III) hinzufügen] komplexe:
      Fe^{3 +}(Aq) + SCN^–(Aq) → [FeNCS]^{2 +}(Aq)
   3. Aluminium-Ionen
      1. Kombinieren Sie Aluminium (III) mit Pyrocatechol violett in einer Pufferlösung von pH 6 Ammonium Acetat zu einer blauen Lösung.
      2. Aluminium (III) wird auch in Anwesenheit von schwache Basis bilden die gallertartige weiß Al(OH)₃(s) zusammengesetzte ausgefällt. Zugabe von mehr base führt die Masse Form klar und farblos [Al(OH)₄]^-(Aq) löslich Complex.
   4. Zink-Ionen
      1. Eine kleine Menge an Base, einen weißen Niederschlag bilden fügen Sie Zink (II hinzu). Fügen Sie dann weitere Basis den Niederschlag wieder auflösen und bilden die löslichen [Zn(OH)₄]^{2 -} Komplex.
      2. Fügen Sie Zink (II) Kalium Hexacyanoferrate, K₄[Fe(CN)₆] um das Licht grün überstürzten K₂Zn₃[Fe(CN)₆]₂(s) zu bilden:
         3 Zn^{2 +}(Aq) + 2 K₄[Fe(CN)₆](Aq) → K₂Zn₃[Fe(CN)₆]₂(s) + 6 K⁺(Aq)

Trends in den Löslichkeitseigenschaften ionischer Verbindungen können für die qualitative Analyse ionischer Lösungen genutzt werden. Wenn eine Verbindung zu einem Gemisch aus ionischen Lösungen hinzugefügt wird, können sich viele Produkte bilden, jedes mit unterschiedlichen Löslichkeitseigenschaften. Wenn nur ein Produkt unlöslich ist, verlässt es allein die Lösung. Durch sequentielle Reaktionen können Ionen in einer Lösung systematisch identifiziert und isoliert werden.

Es gibt zwar eine Vielzahl von Analyseinstrumenten für die Elementaranalyse, aber die Techniken sind oft zeitaufwändig oder erfordern den Transport von Proben zwischen Laboratorien. Qualitative Analysetechniken wie die Untersuchung von Löslichkeitseigenschaften sind schnelle, zugängliche Vorab-Screening-Methoden für die Analyse.

In diesem Video werden die Löslichkeitseigenschaften ionischer Verbindungen vorgestellt, Verfahren zur selektiven Ausfällung ionischer Verbindungen demonstriert und einige Anwendungen der qualitativen Analyse anhand von Löslichkeitstrends in industriellen Umgebungen vorgestellt.

Ionische Verbindungen setzen sich aus einem Kation und einem Anion zusammen. Wenn eine Reaktion zwischen zwei verschiedenen ionischen Verbindungen stattfindet, wird das Kation einer Verbindung elektrostatisch vom Anion einer anderen angezogen, wodurch eine neue Verbindung entsteht. Die Ionen, die nicht an der Reaktion teilnehmen, werden als Zuschauerionen bezeichnet und werden in der Netto-Ionenreaktion ausgelassen. Wenn sich eine ionische Verbindung auflöst, interagieren sie reversibel mit Lösungsmittelmolekülen, und die Ionen dissoziieren. Wenn die Wechselwirkung zwischen einem Ion und dem neuen Gegenion stärker ist als zwischen dem Ion und den Lösungsmittelmolekülen, ist es für das Produkt günstiger, wenn es sich in der festen Phase befindet. Die Bildung eines festen Produkts aus der Lösung wird als Ausfällung bezeichnet, und der Feststoff wird als Niederschlag bezeichnet.

Ionen können selektiv aus der Lösung isoliert werden, indem Reaktionen mit unlöslichen Ausfällungen induziert werden. Um diese Reaktionen zu entwerfen, werden Kationen und Anionen auf der Grundlage von Löslichkeitstrends in grobe Kategorien eingeteilt. Kationen werden gruppiert, indem das Anion identifiziert wird, das ihren unlöslichen Reaktionsprodukten gemeinsam ist, und Anionen werden ebenfalls nach gemeinsamen Kationen gruppiert. Lösungen dieser gemeinsamen Ionen werden verwendet, um auf diese Gruppen zu testen.

Wenn eine Trennung von Ionen, die zur gleichen Gruppe gehören, gewünscht wird, können spezielle Reagenzien oder konzentrierte Lösungen verwendet werden, um selektive Reaktionen zu induzieren, sobald die Ionen in dieser Gruppe isoliert wurden. Diese spezialisierten Reagenzien können auch verwendet werden, um die Identität eines isolierten Ions zu bestätigen. Nachdem Sie nun die Prinzipien hinter der qualitativen Analyse von Ionen verstanden haben, gehen wir eine Technik zur Analyse einer Lösung für Phosphat durch, gefolgt von einem Verfahren zur Trennung einer Mischung von Metallkationen.

Um eine Lösung für Phosphat zu analysieren, bereiten Sie zunächst verdünnte Testlösungen aus wässrigem Calcium, Ammoniumorthomolybdat und konzentrierter Salpetersäure vor. Geben Sie dann 5 ml der unbekannten Lösung in ein Reagenzglas.

Geben Sie die Kalziumlösung tropfenweise in die unbekannte Lösung. Die Bildung eines weißen Niederschlags könnte auf das Vorhandensein von Calciumphosphat oder Calciumcarbonat hinweisen. Um das Vorhandensein von Phosphat zu überprüfen, geben Sie langsam Salpetersäure in das Reagenzglas. Die Auflösung des Niederschlags deutet darauf hin, dass sich Hydrogenphosphat gebildet hat. Das Fehlen von Gasblasen deutet darauf hin, dass kein Karbonat vorhanden ist, da Karbonat mit der Säure zu Kohlendioxid und Wasser reagiert hätte.

Zum Schluss gibst du langsam das Ammoniumorthomolybdat in das Reagenzglas. Ammoniumphosphomolybdat bildet sich als gelber Niederschlag, der das Vorhandensein von Phosphat in der Lösung bestätigt.

Bereiten Sie zunächst verdünnte Testlösungen vor, wie im Textprotokoll aufgeführt. Besorgen Sie sich vier Reagenzgläser und Kappen, die für die Verwendung in einer Zentrifuge geeignet sind. Geben Sie eine Mischung aus wässrigem Zink-, Nickel-, Silber- und Eisennitrat in ein Reagenzglas. Um mit der Trennung zu beginnen, geben Sie zuerst langsam verdünnte Salzsäure in die Mischung und schwenken Sie sie. Der weiße Niederschlag, der sich bildet, ist Silberchlorid. Fahren Sie mit der Zugabe von Chloridlösung fort, bis sich keine Niederschläge mehr bilden.

Die Flüssigkeit oder der Überstand und das feste Silberchlorid werden durch Zentrifugation getrennt. Dekantieren Sie den Überstand in das zweite Reagenzglas. Waschen Sie das Silberchlorid dreimal mit Wasser und dekantieren Sie es bei jeder Wäsche in das zweite Reagenzglas. Geben Sie dann die Natronlauge tropfenweise in das zweite Reagenzglas. Es bilden sich drei Ausfällungen: weißes Zinkhydroxid, gelbes Eisenhydroxid und grünes Nickelhydroxid. Fügen Sie weiterhin Natriumhydroxid hinzu, bis sich die feste weiße Zinkverbindung aufgelöst und das lösliche Zinkion gebildet hat. Trennen Sie die Zinklösung und die festen Nickel- und Eisenverbindungen durch Zentrifugation und füllen Sie die Lösung dann in das dritte Reagenzglas um. Waschen Sie die Feststoffe dreimal mit Wasser und füllen Sie sie jeweils in die Zinklösung um.

Geben Sie langsam Salzsäure in die Zinklösung im dritten Reagenzglas, bis Zinkhydroxid ausfällt und sich dann auflöst.

Geben Sie dann Kaliumhexacyanoferrat tropfenweise zur Zinklösung, um Kalium-Zinkhexacyanoferrat als weißen Niederschlag zu bilden. Geben Sie nun in das Reagenzglas, das festes Nickelhydroxid und Eisenhydroxid enthält, langsam Ammoniak, um das lösliche blaue Nickelhexammin-Ion zu bilden. Die Nickellösung durch Zentrifugation vom festen Eisenhydroxid trennen und die Nickellösung in das vierte Reagenzglas umfüllen. Waschen Sie das Eisenhydroxid dreimal mit Wasser und dekantieren Sie die Waschmittel in die Nickellösung. Fügen Sie dann langsam Dimethylglyoxim zur Nickellösung hinzu, um Nickeldimethylglyoxim als roten Niederschlag zu bilden. Zu dem festen Eisenhydroxid wird vorsichtig konzentrierte Salzsäure hinzugefügt, um eine Lösung aus Eisenchlorid zu bilden. Um das Vorhandensein von Eisen zu bestätigen, fügen Sie Thiocyanat hinzu, um das tiefrote Thiocyanatoeisenkation zu bilden.

Die Einfachheit und Geschwindigkeit der qualitativen Analyse von Ionen in Lösung macht diese Technik in der Umweltchemie und -industrie weit verbreitet.

Wenn Wasser eine hohe Konzentration an Metallkationen wie Kalzium oder Magnesium enthält, wird es als hartes Wasser bezeichnet. Diese Metallkationen können mit Anionen im Wasser, wie z. B. Karbonat, reagieren und kalkhaltige Ablagerungen bilden, die Rohre oder Warmwasserbereiter verstopfen. Die Wasserhärte kann durch Zugabe einer Karbonatlösung zu einer Wasserprobe beurteilt werden. Weißer Niederschlag weist auf einen hohen Kalziumgehalt hin.

Phosphat ist ein wichtiger Nährstoff für viele Lebensformen und wird daher sowohl in Industrie- als auch in Gartendüngern verwendet, aber ein Überschuss an Phosphat kann schädlich sein, insbesondere in Süßwasserumgebungen. Abwässer in Wohn- und Gewerbegebieten können durch Zugabe von Salpetersäure und Ammoniumorthomolybdat auf Phosphate untersucht werden. Gelber Niederschlag weist auf einen hohen Gehalt an Phosphaten hin.

Sie haben gerade die Einführung von JoVE in die Löslichkeitsregeln für Ionen gesehen. Sie sollten nun mit den Prinzipien der ionischen Reaktionen, einigen Verfahren zur qualitativen Analyse von Lösungen und einigen Anwendungen der qualitativen Analyse mit Hilfe der Löslichkeit vertraut sein.

Danke fürs Zuschauen!