Anwendungen von analytischen Schnelltests im Chemiepraktikum

Anwendungen von analytischen Schnelltests
im Chemiepraktikum
M. Gittel, S. Schauer, V. Wiskamp*, Darmstadt
Zusammenfassung
Analytische Schnelltest können im Chemiepraktikum dazu eingesetzt werden, um
Reaktionsabläufe zu verfolgen, anfallende Abfälle auf ihren Schadstoff- und Mutterlaugen auf
ihren Gehalt an wiederverwendbaren Wertstoffen hin zu untersuchen, wodurch die
Ausbildung um ein neues Element der Analytischen Chemie bereichert wird.
1. Einleitung
Analytische Schnelltests sind aus modernen Laboratorien nicht mehr fortzudenken. Beispiele
für Einsatzmöglichkeiten im Vorfeld der instrumentellen und Umweltanalytik wurden z.B.
von Meyer und Kelling vorgestellt [1]. Ziel der Chemieausbildung sollte es daher sein,
angehende Chemiker frühzeitig mit den Testverfahren vertraut zu machen, diese im
Praktikum zu nutzen und damit erzielte Ergebnisse mit anderen nasschemischen oder
instrumentell-analytischen Verfahren zu überprüfen, um die Auszubildenden von der
Leistungsfähigkeit der Schnelltests zu überzeugen. Um diesen den Black-Box-Charakter zu
nehmen, sollten zumindest einige der den Tests zugrunde liegenden Reaktionen beleuchtet
und mit anderen den Studenten aus dem Praktikum bekannten Nachweisreaktionen verglichen
werden.
An der Fachhochschule Darmstadt werden seit einiger Zeit Schnelltestverfahren in den
Praktika benutzt. Die erzielten Ergebnisse sind zufriedenstellend, und die Akzeptanz der
Testverfahren durch die Studierenden ist groß. Im folgenden werden Anwendungsbeispiele
diskutiert.
2. Schnelle Kontrolle von Reaktionsabläufen
Gleich in ihrem ersten Versuch verwenden die Studenten Teststäbchen zur Kontrolle der
Wasserhärte. Sie erproben verschiedene Methoden der Enthärtung von Leitungswasser
(Erhitzen zur Beseitigung der temporären Härte, Kalkfällung mit Soda, Ionenaustausch
mittels Zeolith A oder eines iminodiacetatgruppenhaltigen Polystyrenharzes) und bestimmen
die Resthärte in den Filtraten [2]. Primäres Lernziel ist die Wasserbehandlung und nicht die -
analytik, so dass es hier vollkommen ausreicht, wenn die Studenten mittels der besonders
einfach zu handhabenden Teststreifen schnell zu aussagekräftigen Ergebnissen gelangen,
zumal sie im späteren Quantitativen Praktikum sowieso noch die komplexometrische
Bestimmung der Wasserhärte kennen lernen.
Im Fortgeschrittenenpraktikum führen die Studierenden weitere Schnelltests durch. Bei einem
Versuch zur TiO 2 -katalysierten Zersetzung des Modellabwasserinhaltsstoffes p-
Toluensulfonsäure verfolgen sie den Fortgang der Mineralisierung in Abhängigkeit von der
Bestrahlungsdauer, indem sie dem Fotoreaktor Proben entnehmen und mit dem Merckoquant
CSB-Test 14541 (fotometrische Bestimmung) die Abnahme des Chemischen
Sauerstoffbedarfs und parallel dazu mit dem Merck-Mikroquant Sulfattest 14789
(Drehscheiben-Komparator) die Zunahme des Sulfatgehalts der Reaktionslösung messen [3].

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Die dem Test zugrunde liegenden Reaktionen sind den Studenten grundsätzlich bekannt. Die
im CSB-Test verwendete Chromsäure kennen sie schon von anderen Oxidationsreaktionen in
der organischen und anorganischen Chemie. Beim Sulfattest reagieren die in der Probe
vorliegenden Sulfationen mit Bariumiodat unter Bildung von BaSO 4 (klassische
Nachweisreaktion für Sulfat) und einer entsprechenden Menge Iodat. Dieses geht mit der im
Testsystem außerdem vorhandenen Gerbsäure Tannin einen braunroten Farbkomplex ein. Je
mehr Sulfat vorliegt, desto intensiver ist die Farbe, was für eine quantitative Interpretation
ausgenutzt werden kann.
3. Abwasserkontrolle
Wenn Versuche mit Chlor durchgeführt werden, z.B. bei der Synthese von SnCl 4 aus den
Elementen oder von Ammoniumhexachloroplumbat aus PbCl 2 , NH 4 Cl und Cl 2 [4], wird
überschüssiges Chlor in Natronlauge aufgefangen, um Emissionen des Giftgases in die Luft
zu vermeiden. Das dabei gebildete Hypochlorit wird mit H 2 O 2 reduktiv zerstört. Bevor das
Abwasser in den Ausguss geschüttet wird, wird vorsichtshalber mit dem Merckoquant
Chlortest 10043 überprüft, ob die Entgiftung wirklich vollständig verlaufen ist. Beim Test
darf also kein Hypochlorit mehr angezeigt werden!
Ähnlich vorgegangen wird mit einem formaldehydhaltigen Abwasser, das beim
Silberrecycling [5] anfällt: Silberionen werden im alkalischen Medium mittels Formaldehyd
zu elementarem Silber reduziert, welches ausflockt und abfiltriert wird. Das noch
formaldehydhaltige Filtrat wird mit H 2 O 2 nachbehandelt. Nach Verkochen des
überschüssigen Wasserstoffperoxids wird mit einem Merck Teststäbchen 10036 überprüft, ob
der Aldehyd vollständig oxidiert wurde. Nur wenn der Test auf HCHO negativ verläuft, darf
das Wasser in den Ausguss geschüttet werden!
Da die Studenten aus der OC-Vorlesung wissen, dass Formaldehyd eine besonders
kondensationsfreudige Substanz ist, werden Sie die Funktionsweise des Tests nachvollziehen
können, der auf der Kondensation von HCHO mit einem Hydrazin-Derivat (4-Amino-3-
hydraziono-5-mercapto-1,2,3-triazol) beruht und ein Produkt liefert, das durch
Lufteinwirkung zu einem purpurfarbenen Tetrazin abreagiert.
Ein weiteres Abwasser resultiert aus der Synthese von CoAl 2 O 4 . Das Blaupigment wird durch
gemeinsames Erhitzen von Aluminium- und Cobalt-Verbindungen hergestellt und nach dem
Abkühlen mit verdünnter Salzsäure ausgekocht, um die im Überschuss verwendete
Aluminiumverbindung auszuwaschen. Ob dabei auch giftige Cobaltionen ausgewaschen
werden, wird mit Merck Cobalt-Teststäbchen 10002 geprüft. In der Regel wird durch eine
mehr oder weniger tiefe Blaufärbung (Bildung des Komplexes [Co(SCN) 4 ] 2- , der aus einem
anderen Versuch zur Cobaltchemie im Praktikum bereits bekannt ist) ein Cobaltgehalt von
10-50 ppm angezeigt, so dass die Waschsäure nicht einfach weggeschüttet werden darf. Sie
muss vielmehr durch Ausfällen und Abfiltrieren von Co(OH) 2 nachbehandelt werden.
Als letztes Beispiel sei die Kontrolle der Entgiftung eines nitrithaltigen Abwassers erwähnt.
Die Studenten messen den Nitritgehalt mit dem Merckoquant Test 10007. Dann setzen sie
dem Wasser H 2 O 2 zu, zerstören anschließend das überschüssige Oxidationsmittel durch
Zugabe von etwas Braunstein, filtrieren, prüfen das Filtrat auf Nitritfreiheit und messen
außerdem mit dem Merckoquant Nitrattest 10020, dass die der ursprünglichen Nitritentsprechende
Nitratmenge entstanden ist. Dies belegt, dass das hochgiftige Nitrit in der Tat
quantitativ in das mindergiftige Nitrat übergeführt wurde, so daß das Wasser verworfen
werden darf.
Der Nitrittest basiert auf der Diazoniumsalzbildung zwischen Nitrit und einem aromatischen
Amin und anschließender Azokupplung mit N-[Naphthyl-(1)]-ethylendiamin zu einem
Farbstoff, die den Studenten aus der Qualitativen Analyse in ähnlicher Form als Lunge-Test

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bekannt ist. Beim Nitrattests wird das Nitrat zunächst durch ein im Teststreifen enthaltenes
Reduktionsmittel zu Nitrit reduziert, das dann die oben beschriebene Folgereaktion eingeht.
Die vier Beispiele belegen, dass Schnelltests wichtige Entscheidungshilfen dafür sein können,
wie mit einem Abwasser verantwortungsbewusst umgegangen werden muß.
4. Ein Schnelltest im Vorfeld der Synthesechemie
Im Grundpraktikum wird mit ZnCo 2 O 4 ein weiterer Spinell hergestellt. Die Edukte dafür sind
CoCl 2 und ZnCO 3 . Die letzte Verbindung wird mittels Soda aus Resten von Clemmensen-
Reduktionen, die zum Standardprogramm des Organischen Praktikum gehören, ausgefällt.
Durch diese Vorgehensweise werden die dort anfallenden Reste durch Weiterverwendung
sinnvoll entsorgt. Den Studenten, die im AC-Praktikum die Grünpigmentsynthese
durchführen sollen, ist der Zinkgehalt der bereitstehenden Lösung aber nicht bekannt. Sie
ermitteln ihn mit dem Merck Microquant Zinktest 14780 und berechnen danach die Menge an
Lösung, die ihnen die nötige Stoffmenge Zink liefert.
Das Analysenergebnis ist recht zuverlässig. Exemplarisch wurde eine Zinkrestlösung einmal
gleichzeitig mit dem Schnelltest und durch komplexometrische Titration mit EDTA-
Maßlösung untersucht. Nach dem Schnelltest betrug der Zinkgehalt der Lösung 7.0 g/l, nach
der Titration 6.1 g/l.
5. Schnelltests im Vorfeld der Wiedergewinnung von Ausgangschemikalien
Zwecks Abfallvermeidung ist es üblich, Versuchsreste auf gängige Ausgangschemikalien
aufzubereiten (vgl. [6]). In der Regel werden die im Praktikum anfallenden
Metallsalzlösungen über einen längeren Zeitraum gesammelt und erst bearbeitet, wenn eine
ausreichend große Menge zusammengekommen ist. Der Metallgehalt eines Restes ist nicht
bekannt. Sinnvoll ist es daher, ihn mit einem Schnelltest zumindest halbquantitativ zu
bestimmen, um hochrechnen zu können, wie viel Wertstoff überhaupt isoliert werden kann,
und um die anstehenden Arbeitsschritte in Hinblick auf Zeitbedarf und benötigte Geräte
vernünftig planen zu können.
Mutterlaugen der Kalialaunkristallisation werden mit dem Merckoquant-Test 10015 auf ihren
Aluminiumgehalt hin untersucht. Der Test basiert auf der Bildung eines Farblacks, die den
Studenten in ähnlicher Weise vom Aluminiumnachweis mit Alizarin S aus der Qualitativen
Analyse bekannt ist. Der Test ist zwar nicht sehr genau, da der Aluminiumgehalt nur auf etwa
± 100 ppm abgelesen werden kann, doch reicht die gefundene Größenordnung des
Metallgehalts, die einmal komplexometrisch bestätigt wurde, vollkommen aus, um die Menge
Ammoniak für die Al(OH) 3 -Fällung, das Fassungsvermögen der Nutsche für die folgende
Absaugung und die Menge Schwefelsäure für das Lösen des Hydroxids zum
wiederverwertbaren Sulfat abzuschätzen.
Im Quantitativen Praktikum wird Kupfer fotometrisch als Tetramminkomplex bestimmt. Die
Reste werden mit Schwefelsäure angesäuert, um Ammoniakausdampfungen zu vermeiden,
und erst aufgearbeitet, wenn mindestens 4 Liter zusammengekommen sind. Durch Zugabe
von Eisen wird das Kupfer zementiert und kann an anderer Stelle im Praktikum weiterbenutzt
werden. Das kupferfreie Filtrat wird verworfen [7]. Günstig ist es, eine bezogen auf die zu
erwartende Masse Kupfer doppelte Masse Eisen einzuwiegen. Dies kann geschehen, wenn der
Kupfergehalt des aufzuarbeitenden Restes bekannt ist. Seine Bestimmung erfolgt über den
Merckoquant-Test 10003, wobei das zweiwertige Kupfer durch ein im Teststreifen
vorliegendes Reduktionsmittel zunächst zum einwertigen reduziert wird, welches dann mit
2,2’-Bichinolin einen purpurroten Komplex bildet. Die chemischen Grundlagen des Tests
sind für die Studierenden verständlich, da die Komplex- und Redoxchemie des Kupfers
sowieso Lernstoff des Praktikums ist. (Ein Schnelltestergebnis wurde einmal durch
komplexometrische Kupferbestimmung überprüft und erwies sich als zuverlässig).

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Als letztes Beispiel sei erwähnt, dass im Darmstädter Praktikum wässrige Chromreste aus
Jones-Oxidationen in wiederverwertbares Kaliumdichromat rückverwandelt werden (Fällen
von Cr(OH) 3 , Oxidation im alkalischen Medium mit H 2 O 2 zu K 2 CrO 4 , Ansäuern mit H 2 SO 4
und Kristallisation von K 2 Cr 2 O 7 ; vgl.[6]). Genau wie bei dem zuvor geschilderten
Recyclingversuch ist es hier für eine sorgfältige Syntheseplanung günstig, vorab den
Chromgehalt der Ausgangslösung zu bestimmen. Dies geschieht mit dem Merckoquant
Chromattest 10012 nach vorheriger Oxidation des vorliegenden dreiwertigen Chroms mittels
Wasserstoffperoxid. (Eine iodometrische Chrombestimmung bestätigte die Genauigkeit des
Schnelltestergebnisses). .
Literatur
[1] MEYER, A., KELLING, A.: Chem. Lab. Biotechn., 45, 367-369 und 414-417 (1994)
[2] CREVAR, K., HANSEN, K., WISKAMP, V.: Chem. Schule, 41, 329-330 (1994)
[3] FISCHER, P., HÜTTENHAIN, S., KRAMB, V., WISKAMP, V.: Chimia, 48, (1994), im
Druck
[4] WISKAMP, V.: Chem. Lab. Biotechn. (Beilage Memory), 45, 17-20 und 27-30 (1994)
[5] KRAMB, V., NICKEL, A., WISKAMP, V.: Chemkon, im Druck
[6] BAUER, R., GITTEL, M., LUKAS, A., SCHNEIDER, D., WENZEL, V., WISKAMP,
V.: Chem. Lab. Biotechn. (Beilage Memory), 44, 73-75 und 90-91 (1993)
[7] KONNO, T., OKAMOTO, K., KRAMB, V., LIMA, P., MOREL, X., WISKAMP, V.:
Chem. Lab. Biotechn. (Beilag Memory), 45, 53-54 (1994)
Firmenschrift
E. Merck: Schnelltest-Handbuch