Nachweise der löslichen Gruppe

Nachweise der löslichen Gruppe Übung

• Fasse die Analyse der löslichen Gruppe zusammen.

  Tipps

  Die Analyse der löslichen Gruppe ist der letzte Schritt der qualitativen Analyse.

  Lösung

  Im Laufe der qualitativen Analyse wurden mit unterschiedlichen Reagenzien bei unterschiedlichen Bedingungen ganz gezielt bestimmte Salze von den übrigen Salzen abgetrennt. Dabei wurden die unterschiedlichen Löslichkeiten der Metallsalze bei bestimmten pH-Werten ausgenutzt. Die Trennungsgänge folgen in der Art so aufeinander, dass die Nachweise störungsfrei durchgeführt werden können.

  Es wäre wünschenswert, wenn alle Kationen sich durch Fällungsreaktionen von den übrigen Kationen trennen lassen würden und so störungsfrei einzeln nachgewiesen werden könnten. Dies ist leider nicht bei allen Kationen möglich. So verbleiben am Ende in der Lösung die Kationen der sogenannten löslichen Gruppe, die sich nicht mit einem Fällungsreagenz trennen lassen. Dies erschwert die Nachweise der Kationen, da meist mehrere Kationen nebeneinander vorliegen. Zwar gibt es Möglichkeiten, diese zu trennen und einzeln nachzuweisen, diese sind jedoch relativ aufwändig und teuer durchzuführen. Daher wird häufig darauf verzichtet und die Kationen werden nebeneinander nachgewiesen.

• Beschreibe eine Möglichkeit zum Nachweis von $Mg^{2+}$-Ionen.

  Tipps

  Einzelne Sätze beschreiben den Ablauf des Nachweises nicht vollständig korrekt.

  Lösung

  Magnesium unterscheidet sich von den übrigen Elementen der löslichen Gruppe. Es ist das einzige Element, das nicht zu den Alkalimetallen gehört, und es ist das einzige zweiwertige Kation. Daher unterscheiden sich die chemischen Eigenschaften von den übrigen Kationen.

  Zur Trennung kann man sich die unterschiedlichen Eigenschaften der Kationen bei der Bildung von Komplexen zu Nutze machen. Magnesium ist das einzige Kation der löslichen Gruppe, das stabile Komplexe mit 8-Hydroxichinolin, auch Oxim genannt, bildet. Daher lässt es sich so vom Rest trennen. Es muss jedoch darauf geachtet werden, dass die Analysenlösung keine Schwermetall-Ionen mehr enthält, da diese ebenfalls schwerlösliche Komplexe mit Oxim bilden. Daher muss während des gesamten Trennungsgangs sauber gearbeitet werden.

  Nach dem Abtrennen der Magnesium-Ionen muss daher noch mit einer Nachweisreaktion bestätigt werden, dass es sich tatsächlich um Magnesium, und nicht um ein Schwermetall handelt. Dies geschieht, indem man die Magnesium-Ionen in Lösung bringt und als $MgNH_4PO_4 \cdot 6 H_2O$ ausfällt. Die Kristalle dieser Verbindung haben eine typische Kristallform und können daher auch unter dem Mikroskop identifiziert werden.

• Ermittle die in der Analysenlösung enthaltenen Kationen.

  Tipps

  Alkalimetall-Kationen bilden keine schwerlöslichen Komplexe mit 8-Hydroxichinolin.

  Lösung

  Bei Zugabe von 8-Hydroxychinolin ist kein Niederschlag zu beobachten. Daher ist auszuschließen, dass sich Magnesium-Ionen in der Analysenlösung befinden.
  Bei der Fällung mit Perchlorsäure ist hingegen ein Niederschlag zu beobachten. Da dieser vollständig unlöslich in alkoholischer $HCl$-Lösung ist, kann dieser weder $RbClO_4$ noch $CsClO_4$ enthalten. Folglich besteht der Niederschlag nur aus $KClO_4$, Kalium-Ionen sind also in der Lösung enthalten.
  Bei Zugabe von $K[Al(OH)_4]$ fällt ein weißer Feststoff aus, bei dem es sich um $LiH(AlO_2)_2$ handeln muss. Lithium-Ionen sind also in der Lösung enthalten.
  Mit $K[Sb(OH)_6]$ bildet sich erneut ein Niederschlag. Dies ist der Nachweis für Natrium-Ionen, bei dem Niederschlag handelt es sich um $Na[Sb(OH)_6]$.

• Vergleiche zwei Nachweisreaktionen für Magnesium-Ionen.

  Tipps

  Einwertige Kationen bilden keine stabilen Komplexe mit 8-Hydroxychinolin.

  Lösung

  Der Magnesiumnachweis erfolgt als Salz der Zusammensetzung $MgNH_4PO_4 \cdot 6 H_2O$. Dies ist bei beiden Methoden gleich. Dabei wird häufig die typische Kristallform der Verbindung als Indiz genommen, dass es sich tatsächlich um diese Verbindung handelt.

  Problematisch ist daran allerdings, dass auch andere Kationen schwerlösliche Phosphate bilden können. Wenn die Lösung zum Beispiel Lithium-Ionen enthält, die sich ja ebenfalls in der löslichen Gruppe befinden, so kann $Li_3PO_4$ ausfallen und fälschlicherweise für Magnesium gehalten werden. Wenn man jedoch ausschließen kann, dass Lithium-Ionen enthalten sind, dann ist die schnellere Methode vorzuziehen. Die übrigen Kationen der löslichen Gruppe bilden keine schwerlöslichen Phosphate.

  Lithium lässt sich relativ gut durch Flammenfärbung und Flammenspektroskopie nachweisen. Sind diese Nachweise eindeutig negativ, kann auf die Fällung des Magnesiums mit 8-Hydroxychinolin verzichtet werden.

• Gib an, welche Kationen der löslichen Gruppe sich nur mittels Flammenspektroskopie identifizieren lassen.

  Tipps

  Für alle Erdalkalielemente existieren Nachweisreaktionen.

  Lösung

  Die drei Alkalimetalle Kalium, Rubidium und Caesium stehen in der gleichen Gruppe des Periodensystems direkt übereinander. Dies deutet bereits die große Ähnlichkeit zwischen diesen Elementen an. Das chemische Verhalten ist sehr ähnlich, es gibt jedoch große Unterschiede in der Größe der Ionen. Deshalb bilden sie mit unterschiedlichen Liganden stabile Komplexe. Allerdings lässt sich dies nicht sinnvoll für die qualitative Analyse verwenden, da die Synthese dieser Komplexe sehr aufwändig und teuer ist.

  Glücklicherweise lassen sich die Alkali- und Erdalkalielemente gut über ihre Linienspektren identifizieren. Dies ist natürlich umso einfacher, je weniger unterschiedliche Kationen in einer Probe vorhanden sind, da sich die Spektren teilweise überdecken.

  Zur Analyse muss ein Feststoff vorliegen. Ein Magnesiastäbchen wird in Salzsäure getunkt und anschließend mit der Analysensubstanz überzogen. Dadurch bleibt die Analysensubstanz am Stäbchen hängen. Das Stäbchen wird in die nichtleuchtende Flamme eines Bunsenbrenners gehalten, das Linienspektrum kann mit Hilfe eines Handspektrometers beobachtet werden.

• Erkläre die Vorteile der Spektralanalyse gegenüber der Flammenfärbung beim Nachweis von Alkali- und Erdalkalimetall-Kationen.

  Tipps

  Von Elektronenübergängen spricht man, wenn Elektronen durch Zuführung von Energie, z. B. durch Wärme, in einen anderen Zustand angehoben werden. In diesem Zustand bleiben die Elektronen nicht lange, sie gehen in ihren Ausgangszustand zurück und geben dabei Energie in Form von Licht ab.

  Lösung

  In jedem Atom lassen sich die Elektronen durch Anregung mit Energie in einen anderen Zustand bringen. Dieser Zustand ist nicht sehr stabil, daher gehen sie nach kurzer Zeit in ihren ursprünglichen Zustand zurück. Dabei geben sie die Energie wieder ab, die sie zuvor aufgenommen haben. Diese Energie wird in Form von Licht abgegeben. Dieses hat je nach Element unterschiedliche Wellenlängen. Bei den Alkali- und Erdalkalielementen liegt dieses Licht im sichtbaren Bereich des Spektrums.

  Diese Übergänge verursachen die Verfärbung der Brennerflamme, wenn das Salz in der Flamme des Bunsenbrenners erhitzt wird. Einige Elemente, wie zum Beispiel das Lithium, haben eine sehr charakteristische Flammenfärbung, so dass man diese leicht erkennen kann. Andere Elemente färben die Flamme jedoch nicht besonders intensiv. Diese Elemente können nicht identifiziert werden, wenn man die Flammenfärbung eines Gemischs von unterschiedlichen Salzen untersuchen möchte.

  Einen Ausweg bietet die Spektralanalyse. Im Handspektrometer lassen sich, wie oben gezeigt, die Linienspektren beobachten. Jedes Element hat ein charakteristisches Muster an Linien. Jede Linie entspricht dabei Licht einer bestimmten Wellenlänge. Wenn sich die Muster der Linienspektren nicht zu sehr überlagern, ist es mit ein wenig Übung leicht möglich, mehrere Elemente gleichzeitig in einer Probe zu identifizieren. Dies stellt eine große Zeitersparnis dar, da man sich so einige Arbeit beim Trennen und Nachweisen der einzelnen Kationen der löslichen Gruppe sparen kann.