Gravimetrie
Beschreibung Gravimetrie
In diesem Video geht es um die Gravimetrie. Zu Beginn wird das Wesen dieser Methode erklärt und ihr lernt welche Voraussetzung die Gravimetrie erfordert. Danach wird am Beispiel der Bestimmung von Sulfat-Ionen die Fällung anhand eines Ablaufschemas erläutert. Im Anschluss wird auf die anstehende Phasentrennung eingegangen und ihr lernt etwas zu verschiedenen Arten der Filtration. Auch das Trocknen der Stoffe danach ist wichtig deshalb wird euch erzählt was dabei zu beachten ist. Abschließend wird die Gravimetrie mit der Volumetrie verglichen.
Transkript Gravimetrie
Guten Tag und herzlich willkommen. Dieser Film heißt Gravimetrie. Das Video gehört zur Reihe quantitative Analytik. Als notwendige Vorkenntnisse solltest du bereits die qualitative Analytik der Schule gut beherrschen. Mein Ziel ist es, euch in diesem Video das Wesen der Gravimetrie zu erläutern.
Den Film habe ich in 8 Abschnitte unterteilt. 1. Wesen der Methode 2. Fällung 3. Phasentrennung 4. Filtration 5. Trocknung 6. Auswaage und analytische Aussage 7. Gravimetrie und Volumetrie und 8. Zusammenfassung 1. Wesen der Methode Gravis kommt aus dem Lateinischen und bedeutet schwer. Die Gravimetrie ist eine analytische Methode, die auf der Bestimmung von Massen beziehungsweise Gewichten beruht. Grundvoraussetzung für die Durchführung der Gravimetrie ist das Vorhandensein einer schwer löslichen Verbindung. Diese hat selbstredend eine geringe Löslichkeit. Vergleichen wir Aluminiumoxid (Al2O3) und Natriumpolysulfid (Na2Sn), so finden wir eine Eigenschaft, die für die Gravimetrie unabkömmlich ist. Gravimetrisch zu bestimmende Substanzen müssen eine definierbare Zusammensetzung haben. Das trifft für Natriumpolysulfid nicht zu. Extrem wichtig ist, dass der Feststoff gut von der Lösungsphase abtrennbar ist. Die Gravimetrie kann man in einige wesentliche Stufen unterteilen. In der 1. Stufe besitzt man eine klare Lösung. Durch die Zugabe eines geeigneten Reagenz kommt es zur Fällung. Ein Feststoff fällt aus. In der 3. Stufe findet die Phasentrennung über ein geeignetes Filter statt. Die Trocknung des Feststoffes erfolgt im Trockenschrank oder im Muffelofen. Als 5. erfolgt die Auswaage. 6. und abschließend wird der Gehalt der untersuchten Substanz bestimmt.
Fällung Betrachten wir als Beispiel die Bestimmung von Sulfat-Ionen. Natriumsulfat (Na2SO4) reagiert mit Bariumchlorid (BaCl2) zu Bariumsulfat (BaSO4) und Natriumchlorid (NaCl). Natriumsulfat ist die zu untersuchende Verbindung, Bariumchlorid ist das Reagenz. Beide isoliert in wässriger Lösung sind lösliche Verbindungen. Bei der Reaktion entsteht Bariumsulfat, das Fällungsprodukt. Es ist schwer löslich. Das entstandene Natriumchlorid ist in wässriger Lösung gut löslich. Bariumsulfat ist ein weißer Feststoff. Nach einigen Schritten der Gravimetrie bringt man ihn zur Auswaage. Alternativ zur formulierten Reaktionsgleichung benutzt man auch häufig die einprägsamere Ionengleichung. Ein Sulfat-Ion und ein Barium-Ion reagieren zu einem Molekül unlöslichen Bariumsulfats. Man gibt die Barium-Ionen vorsichtig zu den Sulfat-Ionen, durch Tropfen oder vorsichtiges Gießen. Mit einem Glasstab wird manuell gerührt. Wichtig ist, dass der Prozess langsam abläuft. Langsam ist richtig, das ist wichtig für die Bildung großer Kristalle. Falsch ist, wenn die Fällung schnell ausgeführt wird. Dann können sich mitunter kleine Partikel bilden, die nicht abgetrennt werden können. Der Überschuss an Fällmittel, in unserem Fall Bariumchlorid, soll 10% nicht überschreiten. Sinnvoll ist, das Fällmittel in eine warme Lösung einzutropfen. Dann wird langsam abgekühlt. Im Ergebnis erhält man einen Reinigungseffekt.
Phasentrennung Ganz wichtig für die Gravimetrie ist die Abtrennung der festen von der flüssigen Phase. Bei der Bildung großer Kristalle ist die Abtrennung gut möglich. Problematisch wird die Abtrennung, wenn sehr kleine Teilchen ausfallen. Übersättigung und Löslichkeit spielen bei der Teilchengröße des entstandenen Feststoffs eine große Rolle. Große Teilchen entstehen, wenn die Übersättigung nur etwas größer als die Löslichkeit ist. Ist die Übersättigung viel größer als die Löslichkeit, so kann man mit kleinen Partikeln rechnen. Bei großer Löslichkeit bilden sich große Kristalle, bei kleiner Löslichkeit sind die gebildeten Teilchen des Feststoffes klein.
Filtration Die klassische Methode der Filtration geschieht über das Papierfilter. Die 2. Möglichkeit erfolgt über das Glasfilter. Den entsprechenden Trichter bezeichnet man als Fritte. Als Filter wirkt hier der Frittenboden. Der Filtervorgang findet hier beschleunigt statt. Die Beschleunigung wird durch das Anlegen eines Vakuums bewirkt. Die 3. Möglichkeit besteht in einer Verwendung eines Porzellanfilters. Ein solches Filter bezeichnet man auch als Nutsche. Auf den Nutschenboden wird ein kreisrundes Stück Filterpapier aufgelegt. Die Beschleunigung der Filtration wird auch hier durch das Vakuum erreicht. Eine wichtige Rolle bei der Filtration spielt die Porengröße des Filters. Übliche Porengrößen liegen im Bereich von 1μm bis zu 40μm. Bei kleiner Porengröße ist Filterpapier hart. Bei großer Porengröße ist es weich. Ganz kleine Porengrößen werden für feinste Niederschläge verwendet. Die großen Porengrößen finden für grobkörnige Niederschläge Verwendung. Häufig ist es sinnvoll, vor dem Filtrieren zu dekantieren. Außerdem ist es sinnvoll, nach dem Filtrieren den Feststoff zu waschen. Dazu wird die Filtrationsapparatur vom Vakuum getrennt und Wasser hinzugegeben. Mit einem Löffel oder Glasstab wird das Wasser mit dem Feststoff verrührt. Das Vakuum wird wieder angelegt und die Filtration fortgesetzt.
Trocknung Es ist meist sinnvoll, den Feststoff vorzutrocknen. Die Lufttrocknung ist nicht sehr sinnvoll, weil Staub auf die Substanz gelangt. Besser ist es, wenn die Vortrocknung in einem Exsikkator stattfindet. Für die Trocknung sorgt hier ein Trockenmittel. Man kann den Exsikkator auch evakuieren. Für die Haupttrocknung verwendet man entweder einen Trockenschrank oder einen Muffelofen. Silberbromid (AgBr) und Silberchlorid (AgCl) können im Trockenschrank getrocknet werden. Für Kalziumfluorid (CaF2), Kupfersulfid (CuS), Bleisulfat (PbSO4) und Bariumsulfat (BaSO4) benötigt man einen Muffelofen.
Auswaage und analytische Aussage Die Auswaage erfolgt auf einer Analysenwaage. Dazu einige wichtige Hinweise. 1. Es ist unbedingt notwendig, alle Kristallisierschalen und Bechergläser vor der Benutzung, das heißt leer, zu wägen. Es ist ganz wichtig, die Substanzen kalt zu wägen, das heißt nach der Entnahme aus dem Trockenschrank und besonders dem Muffelofen müssen sie auf Raumtemperatur abkühlen. Man muss die Stoffe so lange wägen, bis sie eine konstante Masse aufweisen, ist das nicht der Fall, schickt man sie zurück in den Trockenschrank beziehungsweise Muffelofen und wiederholt die Auswägung. Erst wenn die Masse-Wägungskurve eine konstante Größe erreicht hat, kann man die endgültige Masse notieren. Erstellen wir nun die analytische Aussage für die im Abschnitt 1 genannte Verbindung Kalziumfluorid. Nach sorgfältiger Auswaage haben wir für Kalziumfluorid eine Masse von 0,78g ermittelt. Die Masse an Fluorid-Ionen F- ist zu bestimmen. 1mol Kalziumfluorid wiegt 78g. 2mole Fluorid-Ionen sind 38g. Nach dem Dreisatz erhalten wir für x, das heißt die Masse der Fluorid-Ionen, 0,38g beziehungsweise 380mg.
Gravimetrie und Volumetrie Wir wollen hier kurz beide Verfahren miteinander vergleichen. Bei der Gravimetrie handelt es sich um ein sehr genaues Analyseverfahren. Die Volumetrie ist nur mittelgenau. Die Gravimetrie gestaltet sich zeitaufwendig, die Volumetrie ist ein schnelles Analyseverfahren. Bei der Gravimetrie muss das Fällungsmittel nicht geeicht werden, bei der Volumetrie ist eine Eichung des Titrators notwendig. Die Gravimetrie ist somit langsam und genau, während die Volumetrie schnell und weniger genau ist.
Zusammenfassung Die Gravimetrie ist ein quantitatives Analyseverfahren, das über die Massebestimmung erfolgt. Der prinzipielle Ablauf gestaltet sich über die Schritte: Lösung, Fällung, Phasentrennung, Trocknung, Auswaage und Gehalt. Grundvoraussetzung für die Verwendung der Gravimetrie ist das Entstehen einer schwer löslichen Verbindung. Die Gravimetrie ist genauer, jedoch zeitaufwendiger als die Volumetrie.
Ich danke für die Aufmerksamkeit. Alles Gute, auf Wiedersehen.
Gravimetrie Übung
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Nenne die Anforderungen an Verbindungen, mit denen gravimetrische Bestimmungen durchgeführt werden.
TippsBeim Trocknen nach der Filtration werden die Substanzen je nach Eigenschaften bei niedrigen oder sehr hohen Temperaturen getrocknet.
LösungBei der Fällung durch das Fällungsreagenz soll die zu analysierende Verbindung möglichst vollständig ausgefällt werden. Die gefällte Verbindung soll danach vollständig von der flüssigen Phase getrennt werden. Daher ist ein sehr kleines Löslichkeitsprodukt der Fällungsform Voraussetzung für die Eignung zur Gravimetrie.
Damit das Produkt der Fällung sich vollständig von der Lösung trennen lässt, darf der Niederschlag nicht zu fein verteilt sein. Das bedeutet, die Größe der Kristalle darf nicht zu gering sein, da diese sich sonst nicht durch Filtration von der Lösung abtrennen lassen. Auch gelartige Niederschläge mit hohem Wassergehalt sind meist nicht geeignet, da sie sich nicht filtrieren lassen.
Um aus dem Gewicht des Fällungsprodukts auf den Gehalt der Analysenlösung zu schließen, muss die exakte Zusammensetzung der Wägeform bekannt sein. Daher sind nicht-stöchiometrische Verbindungen oder Verbindungen mit variabler Zusammensetzung zur Gravimetrie nicht geeignet. -
Beschreibe den Ablauf einer gravimetrischen Bestimmung.
TippsVor der endgültigen Auswaage muss das Produkt wägekonstant sein.
Nach der Fällung muss Schritt für Schritt das Lösemittel entfernt werden.
LösungDie Gravimetrie ist vom Prinzip her eine sehr simple Methode. Sie gehört daher zu den ältesten Methoden der quantitativen Analytik. Es sind keine sehr teuren Geräte oder aufwändigen Techniken notwendig, nur eine genaue Analysenwaage und ein regelbarer Ofen werden benötigt. Der Nachteil der Methode ist der hohe Zeit- und Arbeitsaufwand, der zur Durchführung notwendig ist. Die Ergebnisse sind jedoch sehr exakt.
Das Prinzip der Gravimetrie ist es, die gelöste zu analysierende Verbindung auszufällen, indem ein Fällungsreagenz zugesetzt wird. Das Produkt der Fällung hat eine bekannte Zusammensetzung, aus dem Gewicht des Fällungsproduktes kann daher der Gehalt der Analysenlösung berechnet werden.
Daraus folgt der Ablauf der Gravimetrie: Nach der Fällung wird das Fällungsprodukt vollständig abfiltriert. Der Filterrückstand muss sorgfältig und vollständig getrocknet werden. Dies erfordert unterschiedliche Temperaturen und muss teilweise im Exsikkator durchgeführt werden.
Nach vollständiger Trocknung wird der Filterrückstand auf einer möglichst genauen Analysenwaage gewogen. Aus diesem Wert lässt sich bei Kenntnis der Summenformel des Fällungsproduktes auf den Gehalt der Analysenlösung bezüglich der analysierten Verbindung schließen, indem eine einfache Dreisatzrechnung durchgeführt wird. -
Entscheide, unter welchen Voraussetzungen Papierfilter bei der Gravimetrie verwendet werden können.
TippsPapierfilter lassen sich nicht analytisch genau wiegen, da sie einen variablen Feuchtigkeitsgehalt aufweisen.
Rückstände von verbrannten Papierfiltern können durch hohe Temperaturen entfernt werden.
LösungFilterpapiere bestehen aus einem grobporigen Geflecht von Cellulosefasern. In dieses Geflecht kann sich Wasser einlagern, das zum Beispiel aus der Luftfeuchtigkeit aufgenommen wird. Dieses Wasser lässt sich nicht gut entfernen. Bei den dafür notwendigen Temperaturen beginnt die Cellulose bereits sich zu zersetzen, daher kann nicht festgestellt werden, wann das Wasser komplett entfernt wurde. Für die gravimetrische Analyse ist Filterpapier daher nur bedingt geeignet.
Filterpapier kann eingesetzt werden, wenn es möglich ist, Filterpapier und Filterrückstand vollständig zu trennen. Dies ist nur dann der Fall, wenn das Filterpapier vollständig verbrannt werden kann, da sonst immer Rückstände am Filterpapier verbleiben.
Papierfilter werden daher dann eingesetzt, wenn das Fällungsprodukt bei hohen Temperaturen über 750°C getrocknet werden muss. Der Filter samt Filterrückstand wir dann meist im Exsikkator vorgetrocknet, anschließend wird mit Hilfe eines Bunsenbrenners vorsichtig das Filterpapier verglüht. Ascherückstände reagieren bei den hohen Temperaturen zu gasförmigem $CO_2$ und stören so das Ergebnis der Gravimetrie nicht. -
Analysiere die Fehler bei der gravimetrischen Bestimmung von Bariumsulfat.
TippsBei niedrigen Trockentemperaturen wird das Kristallwasser nicht vollständig entfernt und verfälscht das Ergebnis.
LösungDie Gravimetrie ist eine relativ einfache Methode, die jedoch einen hohen Zeit- und Arbeitsaufwand beinhaltet. Die Messergebnisse sind jedoch, wenn exakt und sehr ordentlich gearbeitet wird, sehr genau. An vielen Stellen im Ablauf kann ungenaues Arbeiten jedoch zu falschen Analyseergebnissen führen.
Das Wiegen des Fällungsproduktes ist ausschlaggebend für die Genauigkeit der Analyse. Das Gewicht wird beispielsweise durch die Temperatur des Tiegels während der Messung beeinflusst. Wird bei den Messungen nicht gewartet, bis Tiegel und Fällungsprodukt vollständig abgekühlt sind, kann dies zu leichten Abweichungen bei den Messungen führen.
Nicht nur die Analysensubstanz muss sehr exakt gewogen werden. Genauso wichtig ist es, den Filtertiegel vor der Filtration exakt zu wiegen. Dafür muss auch dieser vollständig trocken sein. Da bei der Auswaage des leeren Tiegels Wasser im Filter enthalten war, wurde das Gewicht des leeren Tiegels als zu hoch angenommen. Ist das Gewicht des Wassers im Tiegel höher als das Gewicht der Analysensubstanz, so ergibt sich für das Gewicht der Analysensubstanz ein negativer Wert.
Die Temperaturen, die für die Trocknung angegeben werden, müssen strikt eingehalten werden. Zu hohe Temperaturen können zu einer Zersetzung des Fällungsproduktes führen, bei zu niedrigen Temperaturen ist eventuell noch Lösemittel im Filterrückstand enthalten. Ersteres liefert zu niedrigen Messergebnisse, letzteres zu hohe. -
Gib an, unter welchen Bedingungen es bei der Fällung zur Bildung großer Kristalle kommt.
TippsGroße Kristalle wachsen aus kleinen Kristallkeimen, indem sich an die Kristallkeime weitere Ionen oder Moleküle anlagern.
Beim Überschreiten des Löslichkeitsproduktes kommt es zum Kristallwachstum und zur Bildung neuer Kristallkeime. Bei starker Übersättigung bilden sich sehr viele neue Kristallkeime!
LösungDas Wachstum von Kristallen ist ein Prozess, der sich durch die Wahl der Bedingungen teils gut steuern lässt. Beim Erreichen des Löslichkeitsproduktes bilden sich Kristallkeime, die jedoch nicht stabil sind. Sie lösen sich schnell wieder auf und wachsen nicht zu Kristallen heran.
Kristalle bilden sich, wenn das Löslichkeitsprodukt einer Verbindung überschritten wird. Dann lagern sich an die Kristallkeime weitere Moleküle oder Ionen an und der Kristall wächst langsam. Wenn nur wenige Kristallkeime in der Lösung vorhanden waren, wachsen die wenigen Kristalle daher zu großen Kristallen heran. Sind hingegen sehr viele Kristallkeime vorhanden, ergeben sich sehr viele sehr kleine Kristalle.
Will man möglichst große Kristalle erhalten, muss es daher das Ziel sein, das Löslichkeitsprodukt der Verbindung nur langsam zu überschreiten. Dies kann bei schwer löslichen Verbindungen durch eine Erhöhung der Temperatur erreicht werden, da dies das Löslichkeitsprodukt erhöht. Anschließend wird das Fällungsreagenz sehr langsam zugegeben und durch vorsichtiges Rühren gut in der Lösung verteilt. Ohne Rühren würde an der Eintropfstelle das Löslichkeitsprodukt zu schnell überschritten.
Beim Erreichen des Löslichkeitsproduktes beginnt das Fällungsprodukt auszufallen. Nun muss sehr vorsichtig gearbeitet werden und langsam weiter Lösung zugetropft werden.Wird zu schnell zugetropft, bilden sich neue Kristallkeime. Beim langsamen Zutropfen ist dies nicht der Fall, stattdessen wachsen die vorhandenen Kristallkeime zu größeren Kristallen heran. Das Löslichkeitsprodukt des Fällungsproduktes wird also immer nur wenig überschritten. -
Untersuche die gravimetrische Bestimmung von Calcium-Ionen mit Oxalat als Fällungsreagenz.
TippsJe höher die Temperatur, desto stärker zersetzt sich das Oxalat-Anion.
Bei niedrigen Temperaturen verbleibt Kristallwasser in Verbindungen zurück.
Die Möglichkeiten der Trocknung werden hier von niedrigen bis sehr hohen Temperaturen erklärt.
LösungDas Beispiel zeigt deutlich den Einfluss der Temperatur beim Trocknen des Fällungsproduktes. Häufig wird das Fällungsprodukt bei der Trocknung verändert und teilweise zersetzt. Ebenso kann das Fällungsprodukt ein Hydrat sein, das Hydratwasser ist nach der Trocknung jedoch nicht mehr enthalten. In beiden Fällen erhält man nach dem Trocknen eine andere chemische Verbindung. Man bezeichnet das Produkt der Fällung, das im Filter enthalten ist, als Fällungsform und das Produkt der Trocknung als Wägeform.
Das Beispiel zeigt, dass zur genauen gravimetrischen Analyse auch bekannt sein muss, wie sich der Filterrückstand bei unterschiedlichen Temperaturen verhält. Durch Trocknung und chemische Reaktionen bei unterschiedlichen Temperaturen kommt es zu unterschiedlichen Wägeformen mit unterschiedlicher Zusammensetzung.
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8 Kommentare
Sehr schönes Video zum allgemeinen Vorgehen! Danke.
Es soll ja Sulfat bestimmt werden. Natürlich wäre das umgekehrt denkbar. Aber dann hätte man das Problem, dass alles Sulfat fein säuberlich ausgespült werden müsste. Verluste sind vorprogrammiert, da bei großen Verdünnungen sicher nicht alle Teilchen erfasst werden. Und wer hat dann schon Lust zum Einengen?
Also: So wie dargestellt ist es richtig und auch viel genauer.
Alles Gute
Warum wird das Ba2+ in die So4 2+ gegosesen und nicht umgekehrt?
Jede Analytik lässt sich formalisieren und wird dann zur Theorie. In diesem Zusammenhang meine ich folgendes: In der praktischen Gravimetrie gibt es Erfahrungswerte, die man nicht so einfach voraussagen kann. Sie werden von der "Theorie" nicht erfasst. Das und genau das wollte ich hier unter "praktischer Gravimetrie" verstanden wissen.
Gibt es auch eine theoretische Gravimetrie?