Prüfungsvorbereitung zur Gravimetrie und ... - laborberufe.de
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<strong>Prüfungsvorbereitung</strong> <strong>zur</strong> <strong>Gravimetrie</strong> <strong>und</strong> Löslichkeitsprodukt<br />
Die folgen<strong>de</strong>n Aufgaben lehnen sich an Prüfungsaufgaben vergangener Abschlussprüfungen für Chemielaboranten<br />
an. Die Zahlenwerte, die Stoffsysteme <strong>und</strong> die Fragestellung weichen jedoch von <strong>de</strong>n Originalfragen ab. Be<strong>de</strong>nken<br />
Sie, dass die Fragestellungen je<strong>de</strong>s Jahr neu sind. Eine <strong>Prüfungsvorbereitung</strong> die nur die Fragen vergangener<br />
Jahre berücksichtigt, kann nur unvollständig sein. Eine gute <strong>Prüfungsvorbereitung</strong> <strong>zur</strong> <strong>Gravimetrie</strong> <strong>und</strong> zum<br />
Löslichkeitsprodukt fußt auf 3 Säulen:<br />
1. Inhalte, die im Unterricht (auch Laborunterricht!) in allen Ausbildungsjahren vermittelt wur<strong>de</strong>n<br />
2. Alle relevanten Aufgaben aus <strong>de</strong>m (auch in <strong>de</strong>r Schule benutzten) „blauen Buch“<br />
3. Prüfungsfragen aus <strong>de</strong>r vergangenen Jahren. Hier kann man prüfen, ob man <strong>de</strong>m Niveau <strong>de</strong>r Fragen<br />
gewachsen ist.<br />
Hilfsmittel: Taschenrechner (nicht programmierbar), Küster-Thiel: Rechentafeln für die chemische Analytik<br />
1. Calciumfluorid ist in Wasser nur sehr schwer löslich. pK L (Calciumfluorid) = 10,51 (25 °C). Berechnen Sie die<br />
Löslichkeit von Calciumfluorid in reinem Wasser in g/L. (Aufgabe ähnlich einer Aufgabe aus <strong>de</strong>r 29. Internationalen<br />
Chemie-Olympia<strong>de</strong> 2007, 1. R<strong>und</strong>e).<br />
2. Aus einer Fe(III)-chloridlösung unbekannten Gehalts soll <strong>de</strong>r Eisengehalt quantitativ bestimmt wer<strong>de</strong>n.<br />
a) Nennen Sie ein geeignetes Fällungsmittel für Eisen(III)-Ionen.<br />
b) Geben Sie die Fällungsform <strong>und</strong> die Wägeform an <strong>und</strong> erklären Sie, warum diese im vorliegen<strong>de</strong>n Fall nicht<br />
i<strong>de</strong>ntisch sind.<br />
c) Stellen Sie die Reaktionsgleichungen für die Fällungsreaktion <strong>und</strong> die Überführung in die Wägeform auf<br />
d) Weshalb wird in <strong>de</strong>r <strong>Gravimetrie</strong> das Fällungsmittel im Überschuss zugegeben. Begrün<strong>de</strong>n Sie mithilfe <strong>de</strong>s<br />
Löslichkeitsprodukts für die von Ihnen unter a) beschriebenen Fällung. (Aufgabe ähnlich einer<br />
Prüfungsaufgabe in <strong>de</strong>r Abschlussprüfung für Chemielaboranten, Sommer 2000)<br />
3. In eine saure Lösung (pH = 1,2), die Cu 2+ (c = 0,001 mol/L) <strong>und</strong> Mn 2+ -Ionen (c = 0,001 mol/L) enthält, wird<br />
Schwefelwasserstoff bis zu einer Sättigungskonzentration von c(H 2 S) = 0,1 mol/L eingeleitet. Die Säurekonstante<br />
von H 2 S (Zusammenfassung <strong>de</strong>r bei<strong>de</strong>n Protolysestufen) beträgt bei <strong>de</strong>n gegeben Bedingungen K c = 9,87·10 –21<br />
mol 2 L –2 . (Aufgabe ähnlich einer Prüfungsaufgabe in <strong>de</strong>r Abschlussprüfung für Chemielaboranten, Sommer 1995)<br />
4. Gr<strong>und</strong>lagen <strong>de</strong>r <strong>Gravimetrie</strong> (Aufgabe ähnlich einer Prüfungsaufgabe in <strong>de</strong>r Abschlussprüfung für<br />
Chemielaboranten, Sommer 1996)<br />
a) Erläutern Sie das Prinzip <strong>de</strong>r <strong>Gravimetrie</strong>.<br />
b) Erklären Sie <strong>de</strong>n Unterschied zwischen Fällungsform <strong>und</strong> Wägeform.<br />
c) Welche Rolle spielt das „Löslichkeitsprodukt“ in bezug auf die Genauigkeit <strong>de</strong>r Metho<strong>de</strong>.<br />
5. Die K L -Werte von drei Salzen lauten: K L (CaCO 3 ) = 5 ·10 –9 mol 2 L –2 , K L (CuCO 3 ) = 1,4·10 –10 mol 2 L –2 <strong>und</strong> K L (MnCO 3 )<br />
= 2,2·10 –11 mol 2 L –2 . (Aufgabe ähnlich einer Prüfungsaufgabe in <strong>de</strong>r Abschlussprüfung für Chemielaboranten,<br />
Sommer 2003)<br />
a) Formulieren Sie das Löslichkeitsprodukt für das schwerstlösliche <strong>de</strong>r drei Salze. Erklären Sie, wie man ausgehen<br />
vom allgemeinen Massenwirkungsgesetz auf diese Formulierung kommt.<br />
b) Berechnen Sie die Metallionenkonzentration in einer gesättigten Lösung <strong>de</strong>s am besten löslichen <strong>de</strong>r 3 Salze.
6. Der Bleigehalt eines Buntmetalls wur<strong>de</strong> gravimetrisch bestimmt. Dazu wur<strong>de</strong> eine Probe mit Salpetersäure<br />
gelöst. (Aufgabe ähnlich einer Prüfungsaufgabe in <strong>de</strong>r Abschlussprüfung für Chemielaboranten, Winter 2005/2006<br />
<strong>und</strong> Sommer 2009)<br />
a) Formulieren Sie die Reaktionsgleichung für das oxidative Lösen <strong>de</strong>s Bleianteils.<br />
b) 0,9563 g <strong>de</strong>r Probe wur<strong>de</strong>n nach <strong>de</strong>m Lösen mit Schwefelsäure versetzt. Die Auswaage <strong>de</strong>s weißen<br />
Feststoffs nach <strong>de</strong>m Trocken ergab m = 380,6 mg. Notieren Sie die Reaktionsgleichung für die<br />
Fällungsreaktion <strong>und</strong> berechnen Sie w(Pb) in <strong>de</strong>r Legierung.<br />
c) Mit welchem Volumen Wasser darf eine Fällung höchstens gewaschen wer<strong>de</strong>n, wenn beim Waschen nicht<br />
mehr als 3 mg wie<strong>de</strong>r in Lösung gehen dürfen <strong>und</strong> man näherungsweise davon ausgeht, dass beim 1-<br />
schrittigen Waschvorgang eine gesättigte Lösung entsteht?<br />
d) Der Bleisulfidgehalt in einem Erz bestimmt wer<strong>de</strong>n, in<strong>de</strong>m das Erz gelöst <strong>und</strong> Pb als PbSO 4 ausgefällt <strong>und</strong><br />
ausgewogen wird. Berechnen Sie <strong>de</strong>n gravimetrischen Faktor (analytischer Faktor), bezogen auf PbS.<br />
7. Zink kann gravimetrisch als ZnO o<strong>de</strong>r als Zink-Oxinat Zn(C 9 H 6 NO) 2 bestimmt wer<strong>de</strong>n. (Aufgabe ähnlich einer<br />
Prüfungsaufgabe in <strong>de</strong>r Abschlussprüfung für Chemielaboranten, Sommer 2006)<br />
a) Berechnen Sie jeweils <strong>de</strong>n gravimetrischen Faktor F.<br />
b) Welcher Wägeform ist geeigneter? Begrün<strong>de</strong>n Sie!<br />
c) 1,500 g einer Zn-haltigen Probe wur<strong>de</strong>n nach <strong>de</strong>m Lösen auf ein Volumen von 100 mL gebracht. Ein<br />
Aliquot von 25 mL wur<strong>de</strong> mit Oxin im Überschuss versetzt <strong>und</strong> die Auswaage <strong>de</strong>s Nie<strong>de</strong>rschlags auf 280,5<br />
mg bestimmt. Berechnen Sie <strong>de</strong>n Massenanteil an Zn in <strong>de</strong>r Probe.<br />
8. Der Sulfatgehalt in einer Probe kann gravimetrisch bestimmt wer<strong>de</strong>n. (Aufgabe ähnlich einer Prüfungsaufgabe in<br />
<strong>de</strong>r Abschlussprüfung für Chemielaboranten, Sommer 2007)<br />
a) Formulieren Sie die Reaktionsgleichung für die Fällungsreaktion von Sulfat-Ionen mit einem<br />
Fällungsreagenz ihrer Wahl.<br />
b) Warum soll <strong>de</strong>r Nie<strong>de</strong>rschlag statt mit Wasser, lieber mit <strong>de</strong>m SO 2– 4 -haltiger Lösung gewaschen wer<strong>de</strong>n?<br />
c) Berechnen Sie die erwartete Auswaage ab BaSO 4 , wenn bei <strong>de</strong>r gravimetrischen Untersuchung 1,032 g<br />
einer Probe mit w(SO 2– 4 ) = 73,3% eingewogen <strong>und</strong> in insgesamt 250 mL Volumen gelöst wer<strong>de</strong>n, wobei für<br />
die gravimetrsiche Bestimmung daraus ein 25mL-Aliquot eingesetzt wird.<br />
d) Welche Stoffmenge an BaSO 4 kann sich bei Waschen in 100 mL Wasser <strong>und</strong> in 100 mL Schwefelsäure (c<br />
= 0,005 mol/L) jeweils lösen?<br />
9. Einer Probe <strong>de</strong>s Minerals Dolomit (MgCa(CO 3 ) 2 ) aus <strong>de</strong>r Gebirgskette <strong>de</strong>r Dolomiten wird analysiert.<br />
a) Eine Trocknung von 523,2 mg bei 200 °C ergab als Auswaage 493,4 mg. Berechnen Sie <strong>de</strong>n Feuchtigkeitsgehalt<br />
w(H 2 O) <strong>de</strong>r Probe.<br />
b) 296,5 mg <strong>de</strong>r Probe wur<strong>de</strong>n im Muffelofen auf 1200 °C geglüht, wobei es <strong>zur</strong> quantitativen Stoffumwandlung<br />
kommt <strong>und</strong> ein Stoffgemisch aus 2 Stoffen entsteht. Formulieren Sie die Reaktionsgleichung<br />
c) Welchen Glühverlust (in %) erwartet man beim Brennen (Glühen) von reinem Dolomit (MgCa(CO 3 ) 2 )?<br />
d) Wie lassen sich Fe 2+ -Spuren in <strong>de</strong>r aufgeschlossenen Probe qualitativ nachweisen?<br />
10. Gravimetrische Analyse von Aluminium (Aufgabe ähnlich einer Prüfungsaufgabe in <strong>de</strong>r Abschlussprüfung für<br />
Chemielaboranten, Winter 2008/2009 <strong>und</strong> Winter 2012/2013)
Der Aluminiumgehalt einer Legierung wird analysiert, in<strong>de</strong>m 2100 mg <strong>de</strong>s Feststoff zuerst in Salzsäure aufgelöst<br />
wird <strong>und</strong> die Lösung dann auf ein Gesamtvolumen von 250 mL gebracht wird. 50 mL dieser Lösung wer<strong>de</strong>n<br />
anschließend mit Ammoniak versetzt <strong>und</strong> <strong>de</strong>r entstehen<strong>de</strong> Nie<strong>de</strong>rschlag nach Abfiltrieren geglüht. Die Auswaage<br />
beträgt nach <strong>de</strong>m Glühen 158,4 mg.<br />
a) Notieren Sie die 3 relevanten Reaktionsgleichungen<br />
b) Weshalb wird nicht das nie<strong>de</strong>rgeschlagene Produkt ausgewogen, son<strong>de</strong>rn dieses erst geglüht?<br />
c) Weshalb darf nicht mit einem großen Überschuss Natronlauge gefällt wer<strong>de</strong>n?<br />
d) Begrün<strong>de</strong>n Sie mithilfe <strong>de</strong>s Löslichkeitsprodukts, weshalb <strong>de</strong>r Nie<strong>de</strong>rschlag nicht mit H 2 O, son<strong>de</strong>rn mit<br />
dünner Ammoniaklösung gewaschen wird.<br />
e) Weshalb wird bei Routine-Analysen häufig die komplexometrische Aluminiumbestimmung gegenüber <strong>de</strong>r<br />
gravimetrischen Bestimmung bevorzugt? Nennen Sie zwei Begleitstoffe im Feststoff/Legierung, die die<br />
Komplexometrie Bestimmung mit EDTA erschweren/behin<strong>de</strong>rn. Begrün<strong>de</strong>n Sie!<br />
f) Berechnen Sie <strong>de</strong>n Massenanteil w(Al) im Feststoff.<br />
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an<strong>de</strong>re Schüler davon, wenn die Musterlösungen weitgehend fehlerfrei <strong>und</strong> verständlich sind.<br />
Nr. 1<br />
3<br />
− pK 10,51 11<br />
(<br />
2) 10 L − − mol<br />
KL<br />
CaF = = 10 = 3,0903 ⋅ 10 .<br />
3<br />
L<br />
Eine gesättigte Lösung aus CaF 2 enthält auf je<strong>de</strong>n fall gera<strong>de</strong> doppelt so hohe F – -Konzentration wie die Ca 2+ -<br />
Konzentration:<br />
CaF s Ca aq F aq<br />
( ) 2 + ( ) 2 − ( )<br />
2<br />
⇌ +<br />
Das Löslichkeitsprodukt lautet:<br />
3<br />
− 11 mol<br />
2+ 2 −<br />
3,0903 ⋅ 10 = c( Ca ) ⋅ c ( F ) ; Koeffizienten fließen als Hochzahlen ein!<br />
3<br />
L<br />
Mit c(Ca 2+ ) = x <strong>und</strong> c(F – ) = 2x (doppelt so hohe Konzentration) folgt:<br />
3 3<br />
11 2 3<br />
11<br />
3,0903 10 mol 3,0903 10 mol 0,0003138<br />
mol<br />
−<br />
−<br />
⋅ = x ⋅ x ⇒ x = ⋅ =<br />
3 3<br />
L L L<br />
fi x = c(Ca 2+ ) = c(CaF 2 ) = 0,000318 mol/L<br />
Umrechnung in g/L mit <strong>de</strong>r molaren Masse (M = 78,075g/mol):<br />
mol g g<br />
β ( CaF2 ) = c( CaF2 ) ⋅ M ( CaF2<br />
) = 0,0003138 ⋅78,075 ≈ 0,0245<br />
L L L<br />
Nr. 2<br />
a) Wie viele an<strong>de</strong>re Metall-Ionen auch, so bil<strong>de</strong>n auch Fe 3+ mit OH – -Ionen einen voluminösen, flockigen Hydroxid-<br />
Nie<strong>de</strong>rschlag (Fe(OH) 3 ). Ein geeignetes Fällungsmittel ist damit allgemein eine Base, mit <strong>de</strong>r die saure Probe<br />
versetzt wird, bis im schwach-sauren bis leicht alkalischen Bereich das Hydroxid ausfällt. In <strong>de</strong>r Praxis bedient man<br />
sich dazu bevorzugt Urotropin, dass in <strong>de</strong>r Wärme in homogener Lösung in NH 3 <strong>und</strong> Formal<strong>de</strong>hyd gespalten wird.<br />
Ammoniak protolysiert unter Bildung von OH – , <strong>und</strong> führt somit <strong>zur</strong> Fällung von Fe(OH) 3 . (Fällungsbereich: pH = 2,2<br />
– 7,0). Durch die allmähliche Fällung aus einer homogenen Lösung heraus, wird ein lokaler OH – -Überschuss<br />
vermie<strong>de</strong>n, bei <strong>de</strong>m das entstehen<strong>de</strong> Fe(OH) 3 Fremdionen mitreißen <strong>und</strong> zu falschen Wägeergebnissen führen<br />
wür<strong>de</strong>.<br />
b) Fällungsform: Fe(OH) 3 . Wägeform: Fe 2 O 3 .<br />
Der voluminöse Fe(OH) 3 -Nie<strong>de</strong>rschlag ist <strong>zur</strong> Auswaage ungeeignet, da er einen <strong>und</strong>efinierten Anteil an H 2 O<br />
enthält: Fe(OH) 3·x H 2 O. Deshalb wird er durch Glühen in Fe 2 O 3 überführt, das kein H 2 O enthält.<br />
Fällungsreaktion:<br />
3+ −<br />
Fe aq + OH aq → Fe OH<br />
3<br />
s<br />
( ) 3 ( ) ( ) ( )<br />
Überführung in die Wägeform: 2 Fe( OH )<br />
3( s) → Fe2O3 ( s) + 3 H<br />
2O( g)<br />
d) Durch Erhöhung <strong>de</strong>r OH – -Konzentration begünstigt man nach <strong>de</strong>m Prinzip <strong>de</strong>s kleinsten Zwangs von Le<br />
Chatelier die Gleichgewichtsverschiebung auf die rechte Seite <strong>de</strong>r Gleichgewichtsreaktion:<br />
3+ −<br />
Fe aq OH aq Fe OH<br />
3<br />
s<br />
( ) + 3 ( ) ⇌ ( ) ( ) . Das System reagiert, in <strong>de</strong>m es die Reaktionsrichtung begünstigt, die <strong>de</strong>m<br />
äußeren Zwang (Erhöhung von OH – -Konzentration) wie<strong>de</strong>r min<strong>de</strong>rt/abbaut. Quantitativ lässt sich dies auch mit <strong>de</strong>m<br />
Löslichkeitsprodukt beschreiben.
K = c Fe ⋅ c OH<br />
L<br />
3+ 3 −<br />
( ) ( ).<br />
Erhöht man die Konzentration an OH – weiter so erhöht sich das Produkt c 3 (OH)·c(Fe 3+ ). Es fällt so lange Fe(OH) 3<br />
aus, bis das Produkt wie<strong>de</strong>r <strong>de</strong>m K L -Wert entspricht. Beim Ausfällen erniedrigt sich sowohl die OH – -Konzentration<br />
aber auch die Fe 3+ -Konzentration. Das heißt erhöht man die OH – -Konzentration, so erreicht man eine geringe Fe 3+ -<br />
Konzentration in <strong>de</strong>r Lösung. Damit erfolgt die Fällung vollständiger. Zu beachten ist allerding, dass eine Erhöhung<br />
<strong>de</strong>r OH – -Konzentration in einigen Fällen auch die Bildung löslicher Hydroxo-Komplexe (Hydroxido-Komplexe)<br />
begünstigen kann.<br />
Nr. 3<br />
Zuerst müssen die bei<strong>de</strong>n Konzentrationen c(S 2– ) <strong>und</strong> c(Me 2+ ) berechnet wer<strong>de</strong>n. Anschließend überprüft man ob<br />
das Löslichkeitsprodukt größer ist als die bei<strong>de</strong>n tabellierten Werte K L (MnS) <strong>und</strong> K L (CuS). Ist dies <strong>de</strong>r Fall, so fällt<br />
das entsprechen<strong>de</strong> Sulfid aus. Die Berechnung von c(S 2– ) erfolgt mithilfe <strong>de</strong>r Säurekonstante K c <strong>und</strong> <strong>de</strong>m<br />
Massenwirkungsgesetz für die Reaktion:<br />
H S aq H O l H O aq S aq<br />
+ 2−<br />
2<br />
( ) + 2<br />
2<br />
( ) = ⇌ 2<br />
3<br />
( ) + ( )<br />
Berechnung <strong>de</strong>r H 3 O + -Konzentration:<br />
c H O<br />
+ − pH<br />
+ −1,3<br />
(<br />
3<br />
) = 10 ⇒ c( H3O<br />
) = 10 = 0,05012<br />
mol<br />
L<br />
Berechnung <strong>de</strong>r S 2– -Konzentration:<br />
2<br />
−21<br />
mol mol<br />
2 + 2−<br />
9,87 ⋅10 ⋅ 0,1<br />
c ( H 2<br />
3O ) ⋅c( S ) 2− Kc<br />
⋅ c( H<br />
2S)<br />
2− 20<br />
c<br />
( ) ( ) L L<br />
− mol<br />
K = ⇒ c S = ⇒ c S = ≈1,97 ⋅ 10<br />
2 +<br />
c( H<br />
2S) c ( H3O )<br />
mol 2<br />
(0,05012 )<br />
L<br />
L<br />
Berechnung <strong>de</strong>s Löslichkeitsprodukte <strong>und</strong> Vergleich mit <strong>de</strong>n Tabellenwerten:<br />
2− 2+ −20 mol mol −23<br />
mol<br />
KL<br />
= c( S ) ⋅c( Me ) ⇒ KL<br />
= 1,97 ⋅10 ⋅ 0,001 ≈ 2⋅<br />
10<br />
2<br />
L L L<br />
Tabellenbuchwerte: K L (CuS) = 1,3·10 –36 mol 2 /L 2 fl Das errechnete Produkt ist <strong>de</strong>utlich größer als das tabellierte<br />
Löslichkeitsprodukt. Aus einer solcher Lösung fällt so lange CuS aus, bis das Produkt <strong>de</strong>r Ionenkonzentrationen<br />
<strong>de</strong>n Tabellenwert gera<strong>de</strong> erreicht.<br />
K L (MnS) = 4,7·10 –14 mol 2 /L 2 . fl Der tabellierte Wert für das Löslichkeitsprodukt ist größer als das Produkt aus <strong>de</strong>n<br />
vorliegen<strong>de</strong>n Ionenkonzentrationen c(Mn 2+ )·c(S 2– ). fl Es fällt kein MnS aus.<br />
Nr. 4<br />
a) Ein gelöster Analyt wird durch Zugabe eines Fällungsreagenz ausgefällt. Voraussetzung für die Fällung ist, dass<br />
ein schwerlösliche Verbindung entsteht. Der schwerlösliche Charakter kann quantitativ über das Löslichkeitsprodukt<br />
beschrieben wer<strong>de</strong>n. Insgesamt existieren sehr für viele Analyten sehr genaue gravimetrische Metho<strong>de</strong>n. Nach <strong>de</strong>r<br />
Fällung <strong>de</strong>r Verbindung wird diese in <strong>de</strong>r Regel mit wenig Waschflüssigeit gewaschen, um mit gefällte<br />
(„mitgerissene“) Fremdstoffe (z.B. Fremdionen die in <strong>de</strong>r Lösung vorhan<strong>de</strong>n waren) zu entfernen. Eine langsame<br />
Fällung aus homogener Lösung verhin<strong>de</strong>rt weitgehend das mitreißen von Fremdstoffen. Nach <strong>de</strong>m Waschen wird<br />
die Verbindung getrocknet, meist im Trockenschrank o<strong>de</strong>r im Muffelofen. Viele Nie<strong>de</strong>rschläge fallen als <strong>und</strong>efinierte<br />
Hydrate aus. Durch das Trocken in <strong>de</strong>r Hitze wird Kristallwasser entwe<strong>de</strong>r vollständig, o<strong>de</strong>r soweit ausgetrieben,<br />
dass eine stöchiometrische Verbindung (z.B. <strong>de</strong>finiertes Hydrat wie CuSO 4·2H 2 O) resultiert.<br />
Beson<strong>de</strong>rs geeignet sind Wägeformen mit hohen molarer Massen, weil die <strong>Gravimetrie</strong> dann sensitiver ist: Eine<br />
kleine Stoffmenge an Analyt führt wegen <strong>de</strong>r hohen molaren Masse <strong>de</strong>r Wägeform dann zu hohen Auswaagen.<br />
Große Auswaagen sind außer<strong>de</strong>m in <strong>de</strong>r Regel mit einem kleineren relativen Wägefehler behaftet wie kleine<br />
Auswaagen. Beispiele für Wägeformen mit hoher molarer Masse sind beispielsweise:<br />
2
a) Fällung von Metallen als Metalloxinate (z.B. MeOx 3 ): 1 mmol Al 3+ als Analyt führt beispielsweise wegen <strong>de</strong>r<br />
hohen molaren Masse von AlOx 3 zu einer Auswaage von 0,4592 g Aluminiumoxinat.<br />
b) Fällung von K + als Kaliumtetraphenylborat. 1 mmol K + (0,0391 g) führen zu einer Auswaage von 0,3583 g<br />
Kaliumtetraphenylborat.<br />
Ein typisches Problem <strong>de</strong>r <strong>Gravimetrie</strong> ist, dass ein Fällungsreagenz häufig mit vielen Analyten schwerlösliche<br />
Nie<strong>de</strong>rschläge bil<strong>de</strong>t. So können häufig die Anwesenheit von Fremdionen in <strong>de</strong>r Probelösung die quantitative<br />
gravimetrische Bestimmung eines einzelnen enthaltenen Ionenart stören.<br />
b) Durch das Trocken kann eine ausgefällte Verbindung (Fällungsform) auch in eine an<strong>de</strong>re überführt wer<strong>de</strong>n.<br />
Voraussetzung für eine gravimetrische Verwendung ist dann jedoch, dass diese Umsetzung quantitativ erfolgt. So<br />
kann z.B. gefälltes Fe(OH) 3·xH 2 O durch Erhitzen beim Trocken quantitativ in Fe 2 O 3 überführt wer<strong>de</strong>n, das dann<br />
ausgewogen wird. Die Fällungsform <strong>und</strong> die Wägeform müssen also nicht zwangsläufig i<strong>de</strong>ntisch sein.<br />
c) Gewünscht ist ein möglich geringes Löslichkeitsprodukt <strong>de</strong>r Fällungsform. Dieses gibt die Sättigungskonzentration<br />
<strong>de</strong>r Ionen in <strong>de</strong>r Lösung an. Liegen die tatsächlichen Konzentration höher, so fällt so lange das Salz<br />
aus, bis <strong>de</strong>r K L -Wert erreicht ist. Da eine möglichst vollständige Fällung erwünscht ist, sollte <strong>de</strong>r K L -Wert möglichst<br />
klein sein.<br />
Nr. 5<br />
a) Das schwerlöslich <strong>de</strong>r Salze ist das mit <strong>de</strong>m kleinsten Löslichkeitsprodukt, also MnCO 3 . Die Lösungsreaktion<br />
kann man folgen<strong>de</strong>rmaßen formulieren:<br />
MnCO ( s) ⇌ Mn ( aq) + CO ( aq)<br />
2+ 2−<br />
3 3<br />
Das allgemeine Massenwirkungsgesetz für diese Reaktion lautet:<br />
2+ 2−<br />
c( Mn ) ⋅ c( CO3<br />
)<br />
K = .<br />
c( MnCO )<br />
3<br />
Da aber MnCO 3 als Bo<strong>de</strong>nsatz vorliegt, beeinflusst seine genaue Konzentration nicht die Gleichgewichtseinstellung.<br />
Für das Löslichkeitsprodukt kann man also schreiben:<br />
K = c( Mn ) ⋅ c( CO )<br />
L<br />
2+ 2−<br />
3<br />
b) Der am besten lösliche <strong>de</strong>r 3 Stoffe ist <strong>de</strong>r mit <strong>de</strong>m höchsten Löslichkeitsprodukt, also CaCO 3 . Die Konzentration<br />
an Ca 2+ 2-<br />
in <strong>de</strong>r gesättigten CaCO 3 -Lösung entspricht <strong>de</strong>r Konzentration an CO 3 in Lösung, da bei<strong>de</strong> Ionen im<br />
Verhältnis 1:1 in <strong>de</strong>r Formeleinheit CaCO 3 vorhan<strong>de</strong>n sind. Für je<strong>de</strong>s in Lösung gehen<strong>de</strong> Ca 2+ 2-<br />
geht auch ein CO 3<br />
in Lösung. Insgesamt gilt also: c(CaCO 3 ) = c(Ca 2+ ) = c(CO 2- 3 ) = x<br />
Mit <strong>de</strong>m Löslichkeitsprodukt lässt sich x berechnen:<br />
2 2<br />
−9 mol 2 −9 mol −5<br />
mol<br />
5⋅ 10 = x ⇒ x = 5⋅ 10 = 7,071⋅ 10 = c( CaCO<br />
2 2<br />
3)<br />
L L L<br />
Nr. 6<br />
a) Salpetersäure bil<strong>de</strong>t beim Lösen nitrose Gase (primär NO, welches später zu NO 2 abreagiert).<br />
2<br />
Oxidation: ( Pb → Pb + + 2e<br />
− )*3<br />
+ − −<br />
Reduktion: ( 4H + O3 + 3e → O + 2H 2O<br />
)*2<br />
Redox:<br />
3Pb + 8H + 2O → 3Pb + 2O + 4H O<br />
+ − 2+<br />
3 2<br />
Redox (mit Gegenionen): 3Pb + 8 HO3 ( aq) → 3 Pb( O3 )<br />
2<br />
( aq) + 2 O( g) + 4H 2O
2+ 2−<br />
b) Pb + SO → PbSO<br />
4 4<br />
Berechnung mit stöchiometrischen Gr<strong>und</strong>gesetzen<br />
n PbSO<br />
m( PbSO )<br />
= =<br />
0,3806g<br />
=<br />
303,3<br />
mol<br />
4<br />
(<br />
4<br />
) 0,00125486<br />
M ( PbSO4<br />
) g<br />
mol<br />
Berechnung mithilfe <strong>de</strong>s gravimetrischen Faktors<br />
(analytischer Faktor, vgl. Tabellenbuch)<br />
m( Pb) = F ⋅ m( PbSO ) = 0,6832 ⋅ 0,3806g = 0,2600g<br />
grav<br />
4<br />
m( Pb) = n( Pb) ⋅ M ( Pb)<br />
=<br />
g<br />
= 0,00125486mol<br />
⋅ 207,2 = 0,26001g<br />
mol<br />
Berechnung <strong>de</strong>s Massenanteils in <strong>de</strong>r Legierung<br />
m( Pb) 0,26001g<br />
w( Pb) = 0,2719 27,19%<br />
m( Legierung) = 0,9563g<br />
= ≙<br />
c) Umformulierung <strong>de</strong>r Frage: In welchem Volumen <strong>de</strong>r gesättigten PbSO 4 -Lsg. sind gera<strong>de</strong> 3 mg enthalten?<br />
Löslichkeitsprodukt:<br />
K = c( Pb ) ⋅ c( SO )<br />
L<br />
2+ 2−<br />
4<br />
Da in <strong>de</strong>r gesättigten PbSO 4 -Lsg. c(Pb 2+ ) = c(SO 4 2– ) = x gilt, kann man berechnen:<br />
2<br />
2 −8 mol<br />
− 4 mol<br />
2+<br />
KL<br />
= x ⇒ x = KL<br />
⇒ x = 1,5 ⋅ 10 = 1,2247 ⋅ 10 = c( Pb )<br />
2<br />
L<br />
L<br />
3 mg Pb 2+ ≙ 1,448·10 -5 mol.<br />
In welchem Volumen sind 1,448·10 -5 mol enthalten?<br />
2+ −5<br />
n( Pb ) 1,4478 ⋅10<br />
mol<br />
V ( Lsg.) = = = 0,116 L ≙ ca.115mL<br />
2+<br />
c( Pb )<br />
−4<br />
mol<br />
1,2247 ⋅10<br />
L<br />
d) Multipliziert man <strong>de</strong>n gravimetrischen Faktor mit <strong>de</strong>r Auswaage, so entspricht das als Ergebnis m(PbS).<br />
g<br />
1⋅<br />
239,3<br />
a ⋅ M ( X )<br />
F = = mol = 0,78899<br />
M ( A)<br />
g<br />
303,3<br />
mol<br />
a: Anzahl <strong>de</strong>r Atome X in <strong>de</strong>r Verbindung A, hier 1<br />
X: Analyt, hier PbS<br />
A: Auswaage, hier PbSO 4<br />
Dieser gravimetrisch Faktor hätte auch direkt im Tabellenbuch (Küster-Thiel) nachgeschlagen wer<strong>de</strong>n können.<br />
Nr. 7<br />
a ⋅ M ( X )<br />
F = vgl. Lösung Aufgabe Nr. 6d)<br />
M ( A)<br />
g<br />
1⋅65,39<br />
F( ZnO) =<br />
mol<br />
= 0,8034<br />
g<br />
81,39<br />
mol
g<br />
1⋅<br />
65,39<br />
F( ZnOx2<br />
) =<br />
mol<br />
= 0,1849<br />
g<br />
353,69<br />
mol<br />
b) Je kleiner <strong>de</strong>r stöchiometrische Faktor, <strong>de</strong>sto geeigneter ist die Wägesubstanz. Bei einer gegeben Auswaage<br />
(z.B. 1,000 g) ist mit kleiner wer<strong>de</strong>n<strong>de</strong>m stöchiometrischen Faktor die Analytmasse geringer, d.h. <strong>de</strong>r Nachweis<br />
empfindlicher. Ein gute Wägeform besitzt eine hohe molare Masse, d.h. schon kleine Analytmengen führen zu einer<br />
hohen Auswaage (vgl. auch Lösungen <strong>zur</strong> Aufgabe 3). Somit ist die Wägeform Zinkoxinat, was die Sensitivität <strong>de</strong>s<br />
Nachweisen angeht, besser geeignet.<br />
c) m( Zn) = F ⋅ m( Auswaage) = 0,1849 ⋅ 0,2805g = 0,05186g<br />
Berücksichtigung <strong>de</strong>r Aliquotierung:<br />
100mL<br />
m( Zn) = ⋅ 0,051864g = 0,20746g<br />
25mL<br />
m( Zn) 0,20746g<br />
w( Zn) = 0,1383 13,83%<br />
m( Legierung) = 1,500 g<br />
≈ ≙<br />
Nr. 8<br />
a)<br />
b)<br />
−<br />
SO ( aq) + BaCl ( aq) ⇌ BaSO ( s) + 2 Cl ( aq)<br />
2−<br />
4 2 4<br />
2−<br />
2−<br />
m( SO4<br />
)<br />
m( SO4<br />
) = m( Auswaage) ⋅ F ⇒ m( Auswaage)<br />
=<br />
F<br />
2−<br />
w( SO4<br />
) ⋅ m(Pr obe) ⋅ Aliquotierung 0,733⋅1,032 g ⋅ 0,1<br />
⇒ m( Auswaage) = = = 0,18378g<br />
F<br />
0,4116<br />
F (0,4116) aus Tabellenbuch (Küster-Thiel)<br />
Der Sulfatgehalt in einer Probe kann gravimetrisch bestimmt wer<strong>de</strong>n.<br />
a) Formulieren Sie die Reaktionsgleichung für die Fällungsreaktion von Sulfat-Ionen mit einem Fällungsreagenz<br />
ihrer Wahl.<br />
b) Berechnen Sie die erwartete Auswaage ab BaSO 4 , wenn bei <strong>de</strong>r gravimetrischen Untersuchung 1,032 g einer<br />
Probe mit w(SO 2– 4 ) = 73,3% eingewogen <strong>und</strong> in insgesamt 250 mL Volumen gelöst wer<strong>de</strong>n, wobei für die<br />
gravimetrsiche Bestimmung daraus ein 25mL-Aliquot eingesetzt wird.<br />
K = c( Ba ) ⋅ c( SO )<br />
L<br />
2+ 2−<br />
4<br />
Wasser<br />
c(Ba 2+ ) = c(SO 2– 4 ) = x<br />
2<br />
2 −10 mol<br />
−5<br />
mol<br />
KL<br />
= x ⇒ x = 1⋅ 10 = 1⋅ 10 = c( BaSO<br />
2<br />
4<br />
)<br />
L<br />
L<br />
Schwefelsäure<br />
Vereinfachend kann man auch davon ausgehen, dass<br />
c(SO 2– 4 ) konstant c=0,005 mol/L beträgt, <strong>und</strong> das bei<br />
Waschen in Lösung gehen<strong>de</strong> SO 2–<br />
4 vernachlässigen. Dann<br />
erspart man sich das Lösen einer quadratischen Gleichung.<br />
c(SO 4 2– ) = 0,005 mol/L<br />
Stoffmenge in 100 mL<br />
n(BaSO 4 ) = 1·10 –6 mol<br />
mol<br />
2<br />
−10<br />
1⋅10<br />
2<br />
2+ KL<br />
2+ L<br />
−8<br />
= ⇒ c Ba = = ⋅<br />
2−<br />
c( SO4<br />
)<br />
mol<br />
c( Ba ) ( ) 2 10<br />
0,005<br />
L<br />
mol<br />
L
fl c(BaSO 4 ) = 2·10 –8 mol/L<br />
Streng genommen erhöht sich mathematisch die SO 2– 4 -<br />
Konzentration (sowie die Ba 2+ -Konzentration) durch <strong>de</strong>n<br />
Lösungsvorgang um <strong>de</strong>n Betrag x:<br />
c(SO 2– 4 ) = 0,005 mol/L+x; (Ba 2+ ) = x.<br />
Für das Löslichkeitsprodukt folgt dann:<br />
2<br />
−10 mol<br />
mol 2 −10<br />
1⋅ 10 = x ⋅ ( x + 0,005 ) ⇒ x + 0,005x<br />
−1⋅ 10 = 0<br />
2<br />
L<br />
L<br />
x 1 ≈ 1,995·10 –8 mol/L<br />
(x 2 ≈ -0,005 mol/L)<br />
fl c(BaSO 4 ) ≈ 2·10 –8 mol/L<br />
Stoffmenge in 100 mL; n(BaSO 4 ) = 2·10 –9 mol<br />
Benutzt man statt Wasser eine verdünnte Schwefelsäure, so ist das beim Waschen maximal verloren gehen<strong>de</strong> BaSO 4<br />
im i<strong>de</strong>alisierten Fall um <strong>de</strong>n Faktor 500 kleiner. „Die tatsächlich in Lösung gehen<strong>de</strong> Menge wird aber meist viel größer<br />
sein, da eine zusätzliche Kolloidbildung, unvollständige Gleichgewichtseinstellung <strong>und</strong> wachsen<strong>de</strong> Löslichkeit durch<br />
Komplexbildung mit überschüssigem Reagenz <strong>und</strong> Verluste durch <strong>de</strong>n Waschprozess keine Berücksichtigung fin<strong>de</strong>n.“<br />
(Jan<strong>de</strong>r G. <strong>und</strong> E. Blasius (1968): Einführung in das anorg. chem. Praktikum, 8. Aufl.)<br />
Nr. 9<br />
a)<br />
m( Dolomit) 493,4mg<br />
w( Dolomit) = = ≈ 0,9430 w(H 2 O) = 1- w(Dolomit) = 1- 0,9430 ) = 0,0570 (5,7%)<br />
w(Pr obe) 523,2mg<br />
b) Genau wie Kalk (CaCO 3 ) beim Kalkbrennen in CaO überführt wird, wird MgCO 3 in MgO überführt.<br />
MgCa( CO ) ( s) → MgO( s) + CaO( s) + 2 CO ( g)<br />
3 2 2<br />
c) Es wird berechnet welche Masse an MgO <strong>und</strong> CaO anfällt, wenn 100 g MgCaCO 3 geglüht wer<strong>de</strong>n. Die Masse<br />
entspricht vom Zahlenwert <strong>de</strong>r prozentualen Restmasse beim Glühen. Die Differenz zu 100% entspircht <strong>de</strong>m<br />
Glühverlust.<br />
MgCa(CO 3 ) 2 → MgO + CaO + CO 2<br />
Masse:<br />
Umrechnung in Stoffmenge:<br />
100 g<br />
0,54229 mol<br />
0,54229 mol 0,54229 mol<br />
(M = 184,403 g/mol) Wegen Koeffizienten-Verhältnis 1:1<br />
Umrechnung in die Masse<br />
m(Auswaage) = 21,856 g + 30,411 g = 52,268 g<br />
21,856 g<br />
(M = 40,30 g/mol)<br />
30,411 g<br />
( M = 56,08 g/mol)<br />
m( Auswaage) 52,268g<br />
w( Auswaage) = = = 0,5227 Glühverlust: w = 1 – 0,5227 = 0,4773 (47,73%)<br />
m(Pr obe) 100g<br />
d) Ein empfindlicher Eisennachweis ist <strong>de</strong>r blutrote Thiocyanato-Komplex <strong>de</strong>r entsteht, wenn man zu einer Fe 2+ -<br />
haligen Lösung Thiocyanat-Ionen (SCN – ) zugibt.
Nr. 10<br />
a) Lösevorgang: Al + 3 HCl aq → 1,5 H 2 + AlCl 3 aq Merke: Unedle Metalle lösen sich in nichtoxidieren<strong>de</strong>n<br />
Säuren unter Wasserstoffentwicklung auf. Beson<strong>de</strong>rs unedle Metalle sogar in Wasser o<strong>de</strong>r Laugen (z.B. Na).<br />
Nie<strong>de</strong>rschlagsbildung: Al 3+ + 3 OH − → Al(OH) 3 (s) Merke: Die meisten Metallhydroxi<strong>de</strong> sind schwerlöslich!<br />
Nur die Hydroxi<strong>de</strong> <strong>de</strong>r Alkalimetalle (NaOH, KOH etc.) <strong>und</strong> einige weitere Ausnahmen sind leichtlöslich.<br />
Glühen: 2 Al(OH) 3 → Al 2 O 3 + 3 H 2 O (g) Merke: Beim Glühen wer<strong>de</strong>n Metalloxi<strong>de</strong>, Metallsulfi<strong>de</strong>,<br />
Metallcarbonate stets in Metalloxi<strong>de</strong> überführt.<br />
b) Alumiumhydroxid schließt beim Fällen Wasser mit ein. Auch durch Trocknen kann dieses nicht vollständig<br />
entfernt wer<strong>de</strong>n. Das Aluminiumhydroxid enthält also noch <strong>und</strong>efinierte Mengen Kristallwasser, die die Auswaage<br />
beeinflussen. Trocknet man bei erhöhter Temperatur, wan<strong>de</strong>lt sich ein <strong>und</strong>efinierter Anteil <strong>de</strong>s Al(OH) 3 schon zu<br />
Al 2 O 3 um. Nur bei sehr hohen Temperaturen (Glühen) ist gewährleistet, dass kein Wasser mehr vorliegt <strong>und</strong> sich<br />
Al(OH) 3 vollständig zu Al 2 O 3 umgewan<strong>de</strong>lt hat, so dass eine <strong>de</strong>finierte Wägeform vorliegt.<br />
c) Wie viele an<strong>de</strong>re Metalle auch, kann Al 3+ durch eine zu hohe OH − -Konzentration wie<strong>de</strong>r Komplex in Lösung<br />
gehen: z.B. Al(OH) 3 (s) + OH − → [Al(OH) 4 ] − aq (hier: Tetrahydroxidoaluminat(III)-Komplex)<br />
d) Wür<strong>de</strong> man mit Wasser waschen, so könnten kleinere Mengen <strong>de</strong>s Al(OH) 3 wie<strong>de</strong>r in Lösung gehen, so dass es<br />
zum Substanzverlust kommt. Zu hohe Hydroxid-Konzentration ist jedoch auch beim Waschen zu vermei<strong>de</strong>n, da<br />
auch hier Al(OH) 3 als Komplex in Lösung geht (siehe vorangegangene Teilaufgabe).<br />
An <strong>de</strong>r Formulierung <strong>de</strong>s Löslichkeitsprodukts K L ≈ c(Al 3+ )c 3 (OH − ) lässt sich erkennen, dass durch eine mäßige<br />
Erhöhung <strong>de</strong>r OH − -Konzentration (nicht zu hoch, da sonst Komplexbildung), die sich in Lösung befin<strong>de</strong>n<strong>de</strong> Al 3+ -<br />
Konzentration senken lässt. Erhöht man c(OH − ), so muss c(Al 3+ ) mathematisch kleiner wer<strong>de</strong>n, da <strong>de</strong>r K L -Wert bei<br />
gegebener Temperatur konstant ist. Es wird also durch das Waschen mit NH 3 -Lsg. verhin<strong>de</strong>rt, dass Al 3+ in Lösung<br />
geht.<br />
e) Gravimetrische Untersuchungen sind beson<strong>de</strong>rs zeit- <strong>und</strong> arbeitsaufwändig. Erst muss gefällt, dann filtriert <strong>und</strong><br />
dann geglüht wer<strong>de</strong>n. Das kostet viel Zeit. Komplexometrische Titrationen sind einfacher <strong>und</strong> schneller<br />
durchzuführen – auch automatisiert. Bei <strong>de</strong>r komplexometrischen Bestimmung mit EDTA wer<strong>de</strong>n alle mehrwertigen<br />
Metallionen (Pb 2+ , Fe 2+ , Fe 3+ , Ca 2+ ) mit komplexiert <strong>und</strong> wür<strong>de</strong>n das Ergebnis verfälschen. Solche Metalle wür<strong>de</strong>n<br />
also stören. Begleitstoffe in <strong>de</strong>r Legierung: Fe, Pb etc.<br />
f) 158,4 mg Al 2 O 3 entsprechen 0,001553535 mol Al 2 O 3 . Diese Stoffmenge enthält also 2 0,001553535 ≈<br />
0,00310707 mol Al 3+ .Da nur ein Aliquot von 50 mL eingesetzt wur<strong>de</strong>, aber 250 mL Probelösung hergestellt wur<strong>de</strong>n,<br />
ist in <strong>de</strong>r gesamten Probelösung 5 0,00310707 mol ≈ 0,01553535 mol Al 3+ enthalten. Im Feststoff sind<br />
entsprechend 0,01553535 mol elementares Al enthalten. Das sind ca. 0,4192 g. Der Massenanteil an Aluminium im<br />
Feststoff beträgt also ca. w = 19,96%.