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Flammenfärbung und Boraxperle 10:08 min

Textversion des Videos

Transkript Flammenfärbung und Boraxperle

Guten Tag und herzlich willkommen! Dieses Video heißt Flammenfärbung und Boraxperle. Der Film gehört zur Reihe Ionennachweise I. An Vorkenntnissen solltest du über Licht, Energie, Frequenz und Wellenlänge Bescheid wissen. Du solltest das Schalenmodell des Atoms kennen und Kenntnisse über die Grundlagen der allgemeinen Chemie besitzen. Mein Ziel ist es, dir in diesem Video zwei wichtige analytische Vorproben zu erläutern. Der Film besteht aus 6 Abschnitten: 1. Theorie der Flammenfärbung. 2. Durchführung der Flammenfärbung. 3. Flammenfärbung durch einige Metalle. 4. Boraxperle am Beispiel Cobaltsulfat. 5. Farben einiger Boraxperlen und 6. Zusammenfassung. 1. Theorie der Flammenfärbung: Wir haben die Flamme eines Bunsenbrenners und bringen ein anorganisches Salz in die Flamme ein. Es kommt zur Wärmeanregung der Atome beziehungsweise Ionen. Das bedeutet Elektronenanregung, das heißt, es kommt zu einem Sprung nach oben, wie hier im Valenzmodell dargestellt. Valenzmodell und Schalenmodell sind synonyme Begriffe. Dann kommt es zu einem Elektronensprung nach unten, und wenn wir Glück haben, so erhalten wir Licht bestimmter Farbe - vielleicht rot. Wie kommt diese Farbe zustande? Die Elektronensprünge entsprechen der Energie E=h×f (h = Planksche Konstante, f = Frequenz). Andererseits sind Frequenz und Lambda, f×λ als Produkt die Lichtgeschwindigkeit (c). Umgestellt: f=C/λ. Setzen wir f in die Gleichung links ein, so erhalten wir E=h×c/λ. Umgeformt ergibt das λ=h×c/E. Die Energie des Sprunges (E) muss so groß sein, dass Lambda dem sichtbaren Bereich des Lichtes entspricht. Damit ist klar: Nicht alle Atome oder Kationen geben eine Flammenfärbung. 2. Durchführung der Flammenfärbung: Für die Flammenfärbung benötigt man Magnesiastäbchen. Man nimmt ein solches Stäbchen und taucht es in eine Salzsäurelösung ein. Man nimmt das Stäbchen aus der Lösung und taucht es 2. in destilliertes reines Wasser ein, um es von den Salzsäureresten zu befreien. Dann hält man das Stäbchen in den heißesten Teil der nicht leuchtenden Flamme eines Laborbrenners. All dies dient dem Ziel der Reinigung des Stäbchens. Als Nächstes tippt man das Stäbchen in das Salz, um etwas Salz an dem Stäbchen haften zu lassen. Salz mit Stäbchen gibt man wieder in die Flamme des Brenners und es kommt, so hoffe ich, zur charakteristischen Flammenfärbung. Wenn das Stäbchen heil ist, kann man den Prozess wiederholen. Wichtig ist, dass die Flamme des Brenners nicht leuchtet. 3. Flammenfärbung durch einige Metalle: Hier muss man aufmerksam sein, weil meistens nicht die gesamte Flamme gefärbt wird, sondern häufig nur ihr Rand. Lithiumsalze geben eine solche Flamme, sie ist karminrot. Natriumsalze zeigen die typisch gelbe Farbe. Kaliumsalze werden durch violette Farbe angezeigt. Gebt ihr Calciumsalze in die Flamme ziegelrot. Bei Strontiumsalzen erhaltet ihr eine rote Färbung. Kupfersalze färben die Flamme grün, manchmal auch blau. 4. Boraxperle am Beispiel von Cobaltsulfat: Für die Boraxperle benötigt man die chemische Verbindung Borax. Borax hat die Formel Na2B4O7 und 10 Moleküle Kristallwasser. Borax kommt auch als Mineral natürlich vor. Zunächst benötigen wir wieder ein Magnesiastäbchen. Dies wird 1. wie bei der Flammenfärbung gereinigt, mit Salzsäure, dann mit destilliertem Wasser, dann mit dem Laborbrenner. Mit dem noch heißen Stäbchen wird Borax aufgenommen. Man erhitzt Borax in der Brennerflamme und erhält eine glasklare Perle. Dann nimmt man mit der Perle das Salz, in unserem Fall Cobaltsulfat, genauer Cobalt(II)-Sulfat auf. Im Laborbrenner schmilzt mal das Salz in das Borax ein und erzählt eine wunderschöne blaue Boraxperle. Durch die blaue Farbe der Boraxperle wurde das Metall Cobalt angezeigt. Welche Reaktion läuft ab? In der 1. Stufe des Versuchs verliert das Borax sein Kristallwasser. Es bildet sich die glasklare Perle. Mit der glasklaren Perle wird nun Cobaltsulfat aufgenommen, was übrigens rot ist. Es bildet sich Natriummetaborat (NaBO2). Außerdem entsteht Cobaltmetaborat. Die Schmelze beider gibt die schöne blaue Boraxperle. Außerdem wird bei der Reaktion Schwefeltrioxid (SO3) frei. Daher sollte man unter dem Abzug arbeiten. 5. Farben einiger Boraxperlen: Wir wollen hier nur jene Schwermetalle betrachten, die kräftige Farben liefern. Wichtig ist, dass es 2 Möglichkeiten der Herstellung der Boraxperle gibt. Einmal kann sie im oberen Teil der Flamme, der sogenannten Oxidationsflamme, hergestellt werden. Man kann die Boraxperle auch im unteren Teil in der Reduktionsflamme herstellen. Boraxperlen können unterschiedliche Farben besitzen. Das hängt davon ab, ob sie heiß oder kalt sind. Bei heißer Perle heißt das, wir haben es mit Nickel oder mit Eisen zu tun. Bei kalter Perle wird nur Eisen angezeigt. Gelb aus der Reduktionsflamme zeigt bei heißer perle Titan an, allerdings nur schwach. Oxidationsflamme, heiße Perle und rot kann auch Nickel bedeuten. Reduktionsflamme, kalt und rot heißt Kupfer. Grüne Farbe unter allen Bedingungen bedeutet meistens Chrom. Nur die heiße Perle aus der Oxidationsflamme kann auch bedeuten, dass Kupfer enthalten ist. Ebenso zeigt blau unter allen Bedingungen fast immer Cobalt an. Violett hingegen bedeutet Mangan. Aus der Oxidationsflamme, egal ob die Perle heiß oder kalt ist. 6. Zusammenfassung: Durch die Flammenfärbung werden hauptsächlich Alkali- und Erdalkalimetalle, das heißt Metalle, wie Natrium, Kalium beziehungsweise Calcium und Strontium nachgewiesen. Die Boraxperle zeigt Schwermetalle wie Nickel, Eisen oder Cobalt an. Achtung: Die Boraxperle darf nur als Lehrerversuch durchgeführt werden! Borax ist nämlich giftig. Eine weniger giftige Alternative zur Boraxperle ist die Phosphorsalzperle. So, ich hoffe, ihr seid nicht zu sehr geschafft. Ich wünsche euch alles Gute und viel Erfolg - tschüss!

Flammenfärbung und Boraxperle Übung

Du möchtest dein gelerntes Wissen anwenden? Mit den Aufgaben zum Video Flammenfärbung und Boraxperle kannst du es wiederholen und üben.

  • Nenne die Materialien, die für eine Flammenfärbung benötigt werden.

    Tipps

    Wie wird das Magnesiastäbchen gereinigt?

    In welcher Form liegt die zu untersuchende Probe vor?

    Lösung

    Um eine Flammenfärbung durchzuführen, benötigst du:

    1. Bunsenbrenner
    2. Magnesiastab oder Magnesiarinne
    3. Salzsäure (zur Reinigung)
    4. anorganisches Salz
    Um eine eindeutige Flammenfärbung zu erkennen, solltest du darauf achten, dass der Magnesiastab vollständig sauber ist und dass du alle Salze einzeln betrachtest und sie nicht vermischt werden.

  • Beschreibe die Durchführung einer Flammenfärbung.

    Tipps

    Wie stellst du sicher, dass nur das zu untersuchende Salz eine Flammenfärbung bewirkt?

    Lösung

    Will man nach dem Versuch die Magnesiastäbchen oder Magnesiarinnen erneut verwenden, ist es wichtig, sie auch nach der Flammenprobe zu reinigen. Verunreinigungen können das Ergebnis verfälschen. Deshalb taucht man das Magnesiastäbchen auch erst in Salzsäure, damit Reste und Verunreinigungen gelöst werden können. Die Salzsäure wird hierfür in ein Extragefäß überführt, damit sie später mit den Verunreinigungen entsorgt werden kann. Hat man das Magnesiastäbchen in Salzsäure gereinigt, wird es dann mit destillierten Wasser noch einmal abgespült, damit auch die Salzsäure das Ergebnis nicht verfälschen kann. Das Ausbrennen des Stäbchens entfernt dann auch die letzten kleinen Reste von Verunreinigungen.

  • Beschreibe die Herstellung von Boraxperlen.

    Tipps

    Welches Schwermetall erzeugt bei jeder Flamme eine grüne Perle?

    Eine violette Perle weist auf das Vorhandensein von Mangan hin.

    Auf beiden Seiten des Reaktionspfeils müssen die einzelnen Atome in der gleichen Anzahl vorhanden sein. Hier siehst du ein Beispiel für eine richtig ausgeglichene Reaktion.

    Lösung

    Stoffnachweis durch die Boraxperle

    Durch die Flammenfärbung werden Alkali- und Erdalkalimetalle nachgewiesen. Durch die Boraxperle können einige Ionen von Schwermetallen ermittelt werden, die keine Flammenfärbung erzeugen.
    Beispiele:

    • Eisen
    • Chrom
    • Cobalt
    • Nickel
    Weil Borax aber gesundheitsgefährdend ist, wird dieser Nachweis bevorzugt mit Phoshorsalzperlen durchgeführt. Die Phosphorsalzperle hat folgende Reaktionsgleichungen:

    Farblose Perle:
    $NaNH_4HPO_4 \longrightarrow~ NaPO_3+ NH_3 + H_2O$

    Blaue Cobaltperle:
    $NaPO_3 + CoSO_4 \longrightarrow~NaCoPO_4 + SO_3$

  • Erkläre die Entstehung der Flammenfärbung.

    Tipps

    Welche Bestandteile des Atoms befinden sich auf den Schalen und führen die Sprünge durch?

    Elektronen im angeregten Zustand befinden sich auf höheren Schalen als ursprünglich.

    Elektronen können nur genau festgelegte Energieportionen aufnehmen.

    Lösung

    Flammenfärbung als Nachweisreaktion

    Durch die spezifische Flammenfärbung können bestimmte Ionen gut nachgewiesen werden. Allerdings ist es nur eine Vorprobe. Für einen sicheren Nachweis muss man sich noch anderer Methoden bedienen.

    Neben den Ionen, die du aus dem Video kennst, können auch Arsen-Ionen (blaue Flamme), Antimon (hellblaue Flamme) und Bor (grüne Flamme) durch Flammenfärbung erkannt werden.

  • Entscheide, welche Metallsalze die gezeigten Feuerwerksfarben ergeben.

    Tipps

    Welche Flammenfärbung kann man beobachten, wenn Strontium verbrannt wird?

    Barium verursacht eine Grünfärbung der Flamme.

    Lösung

    Die Farbe der jeweiligen Lichterscheinung ist abhängig von dem anorganischen Salz, das verbrannt wird. Genauer gesagt hängt die Farbe vom Metall-Kation des Salzes ab. Enthält eine Rakete zum Beispiel Bariumchlorid, so sehen wir ein grünes Feuerwerk am Himmel, weil Barium eine grüne Flammenfärbung verursacht.

    In Feuerwerkskörpern werden Salze verwendet, um die unterschiedlichen Farben zu erzeugen. Jedoch sind viele dieser Salze giftig oder gesundheitsschädigend. Auch deshalb sollten Feuerwerksraketen von Kleinkindern und Tieren ferngehalten werden.

  • Erkläre, warum nicht alle Atome eine Flammenfärbung erzeugen.

    Tipps

    Was passiert mit den Elektronen eines flammenfärbenden Salzes, wenn es erwärmt wird?

    Angeregte Elektronen geben ihre Energie wieder ab, da ein energiearmer Zustand stabiler ist.

    Lösung

    Wird Energie in Form von Licht oder Wärme von einem Elektron absorbiert, wird es angeregt. Infolgedessen verlässt es sein Energieniveau und „springt" auf ein höheres Energieniveau.

    Dieser Zustand ist allerdings nicht stabil. Das Elektron möchte die Energie wieder abgeben und begibt sich auf sein altes Energieniveau zurück. Dabei wird die aufgenommene Energie wieder abgeben. Diese Energie besitzt eine ganz bestimmte Wellenlänge ($\lambda$).

    Nur wenn sich diese Wellenlänge im Bereich des sichtbaren Lichtes befindet, nehmen wir eine Färbung der Flamme wahr. Der für Menschen sichtbare Bereich des elektromagnetischen Spektrums erstreckt sich von ungefähr 400 bis 700 nm (1 nm = 1 $\cdot$ 10$^{-9}$ m).