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Komplexometrie 12:06 min

Textversion des Videos

Transkript Komplexometrie

Guten Tag und herzlich willkommen! In diesem Video geht es um "Volumetrie 1. Teil (Komplexometrie)". Das Video gehört zur "Quantitativen Analytik". Für die notwendigen Vorkenntnisse solltet ihr als Erstes das Video für Mediziner "Chelatkomplexe" angeschaut haben. Außerdem ist es wichtig, das Video "Volumetrie" zu schauen, in diesem Video habe ich eine Einführung in das Verfahren gegeben. Mein Ziel ist es, euch grundlegende Vorstellungen über die Komplexometrie zu vermitteln. Den Film habe ich in 6 Abschnitte unterteilt: 1. Das Wesen der Komplexometrie, 2. Einige Chelatkomplexe, 3. Komplexone (Komplexbildner), 4. Stabilität von EDTA-Komplexen, 5. Metallindikatoren, 6. Zusammenfassung.     1. Das Wesen der Komplexometrie Für die Komplexometrie benötigen wir eine Versuchsanordnung, so wie links vereinfacht dargestellt. Die Komplexometrie ist eine Variante der Volumetrie. Das obere Glasgerät ist eine Bürette, in ihr befindet sich die Lösung eines Komplexons, eines Chelatkomplexbildners. Das Komplexon wird durch den Hahn in das Becherglas eingetropft. Im Becherglas befinden sich Metallionen in Lösung. Das Komplexon, der Chelatbildner, reagiert mit den Metallionen zu einem Chelatkomplex. Ein sehr berühmter Chelatkomplex ist dieser. Das Komplexon ist das große Molekül ringsherum, das aus vielen verschiedenen Atomen besteht. Das Metallion ist das kleine graue Teilchen im Zentrum des Moleküls. Der Chelatkomplex ist das gesamte Teilchen, bestehend aus Komplexon und Metallionen. Chelatkomplexe sind sehr stabil und daher besonders für die Bestimmung von Metallionen geeignet. Bei der Volumetrie findet eine sogenannte Titration statt, das ist der Vorgang, den wir links betrachtet haben. Bei der vorliegenden Titration werden Metallionen bestimmt. Das Ende der Titration wird mit einem sogenannten Metallindikator über eine Farbveränderung festgestellt. Er muss sich während der Titration bereits im Becherglas befinden. 2. Einige Chelatkomplexe Beim 1. Chelatkomplex schließen 2 Moleküle Ethylendiamin ein Metallion ein. Ethylendiamin ist das Komplexon, ein Kupfer(II)-Ion ist das Metallion. Komplexon und Metallion bilden zusammen den Chelatkomplex. Und jetzt kommen wir zu einem relativ komplizierten Chelatkomplex. In seinem Zentrum befindet sich ein Nickel(II)-Ion. Das Nickel(II)-Ion tritt mit dem Komplexon durch die nicht bindenden Elektronenpaare der Stickstoffatome in Wechselwirkung. Ich vervollständige nun noch das Molekül. Hier sitzt ein Sauerstoffatom und hier haben wir ein weiteres Sauerstoffatom. An dem Sauerstoffatom befindet sich ein Wasserstoffatom, unten am Sauerstoffatom befindet sich ebenfalls ein Wasserstoffatom. Am Stickstoffatom oben links haben wir ebenfalls ein Sauerstoffatom. Und hier kommt es zur Wasserstoffbrückenbindung. Unten das gleiche Bild, zunächst ein Sauerstoffatom und hier ist die Wasserstoffbrückenbindung. Beim Komplexbildner handelt es sich um N-Diacetyldioxim. Und nun noch ein 3. Beispiel. Wir haben hier 2 zusammenhängende 6-Ringe, die jeweils ein Stickstoffatom enthalten. Wie man sieht, sind beide Ringe aromatisch. Jeder Ring ist noch mit einem Sauerstoffatom verbunden. Nun wird klar, wie der Chelatkomplex gebildet wird. Das Metallion ist ein Magnesiumion. Die beiden Stickstoffatome stellen jeweils ein nicht bindendes Elektronenpaar für die Chelatbindung zur Verfügung. Das Gleiche geschieht mit den beiden Sauerstoffatomen. Der Chelatkomplex ist gebildet. Man nennt diesen Chelatkomplex Magnesiumoxinat. Wir haben 3 Chelatkomplexe betrachtet, die 3 verschiedene Metallionen enthalten, des Kupfers, des Nickels und des Magnesiums. 3. Komplexone (Komplexbildner) Wir wollen in diesem Abschnitt 3 Beispiele gegenüberstellen, wir wollen Formel, Name und den pKs-Wert, d. h. das Maß für die Säurestärke, angeben. Ein wichtiges Komplexon ist Nitriloessigsäure. Der 1. pKs-Wert, pK1, beträgt 1,89, d. h. eine relativ kräftige Säure, pK2=2,49 und pK3=9,73, d.h. schon eine schwache Säure. Ethylendiamintetraessigsäure, abgekürzt EDTE: pK1=2,0 und pK2=2,76, pK3 beträgt 6,61, also schwach, und schließlich pk4=10,26, also sehr schwach. Als Drittes das Di-Natriumsalz der Ethylendiamintetraessigsäure, abgekürzt EDTA. Die pKs-Werte sind genauso groß wie beim EDTE. 4. Stabilität von EDTA-Komplexen Hier haben wir 3 Darstellungen von EDTA-Komplexen, d.h. Komplexen des Komplexons Ethylendiamintetraacetat mit einem Metallion. Wir formulieren nun das chemische Gleichgewicht zwischen den Metallionen, dem Komplexon EDTA und dem entsprechenden Chelatkomplex. Die Stabilitätskonstante ergibt sich da nach dem Massenwirkungsgesetz, als Quotient aus der Konzentration des Chelatkomplexes und dem Produkt der Konzentrationen des Metallions und des Komplexons. Da wir mit hohen Stabilitäten rechnen können, verwenden wir der Einfachheit halber den dekadischen Logarithmus der Stabilitätskonstanten K. Wir wollen nun die Werte von lgK für einige wichtige Kationen in einer Tabelle zusammenstellen: Na+ 1,66, Ag+ 7,2, für das Magnesiumion 8,69, Kalziumion 10,7, Strontiumion 8,63, Magnesium(II)-Ion 13,79, Eisen(II)-Ion 14,33, Eisen(III)-Ion 25,1, das ist eine sehr große Stabilität, Kobalt(II) 16,31, das Nickel(II)-Ion zeigt 18,62, wieder eine ausnehmend hohe Stabilität, genauso beim Kupfer(II)-Ion 18,80, Zinkion 16,50, das Aluminiumion ergibt einen Wert von 16,13, das Vanadium(III)-Ion hat einen sehr hohen Wert von 25,9, Titan(IV)-Ion 19,4 und Zirconium(IV)-Ion 19,9. Alle Stabilitäten sind hoch bzw. sehr hoch, nur der Wert für das Natriumion ist relativ gering. Alle Ionen sind somit für die Komplexometrie geeignet, einzige Ausnahme ist das Natriumion. 5. Metallindikatoren Metallindikatoren geben durch eine Farbänderung an, dass der Äquivalenzpunkt erreicht ist. Die Titration ist an dieser Stelle beendet. Nehmen wir an, wir tragen in ein Koordinatensystem eine Eigenschaft der Titrationslösung gegen den Verbrauch an Komplexon ab. Der Wendepunkt der Kurve ist der Äquivalenzpunkt. Vor dem Erreichen des Äquivalenzpunkts ist der Metallindikator blau, anschließend rot. Wir wollen uns nun einige Metallindikatoren vor und nach Erreichen des Äquivalenzpunktes anschauen. Ich richte in der Tabelle folgende Spalten ein: der Indikator, die Farbe des Metallkomplexes, die Farbe der reinen Lösung, den verwendeten pH-Bereich und zu untersuchende Metallionen. Als Erstes betrachten wir Xylenolorange: Der Metallkomplex ist rot, die reine Lösung hingegen gelb, der pH-Bereich liegt zwischen 1 und 5. Man kann zum Beispiel die Ionen des Wismuts, Thoriums, Scandiums und Bleis bestimmen. Indikator Eriochromschwarz: Der Metallkomplex ist rot, die reine Lösung blau, der pH-Bereich liegt zwischen 7 und 12. Der Indikator dient für die Bestimmung von Zinkionen, Mangan(II)-Ionen und Magnesiumionen. Brenzkatechinviolett: Der Komplex ist rot, die reine Lösung blau. Man arbeitet bei pH-Werten < 7. Der Indikator ist geeignet für die Bestimmung von Wismut und Thorium. Es ist auch möglich, dass der Metallkomplex rotviolett ist, die reine Lösung ist dann gelb, der pH-Bereich muss dann zwischen 7 und 12 liegen. Es können die jeweils 2-wertigen Ionen des Kupfers, Kobalts und Nickels untersucht werden. Als Letztes der Indikator Murexid. Der Metallkomplex ist in diesem Fall rot, die reine Lösung blauviolett, der Arbeitsbereich für den pH-Wert liegt zwischen 8 und 12. Es können Kalziumionen und die 2-wertigen Ionen des Nickels und Kupfers bestimmt werden. Die pH-Bereiche müssen eingehalten werden, sonst funktionieren die Indikatoren nicht. Das geschieht durch sogenannte Pufferlösungen, abgekürzt Puffer. 6. Zusammenfassung Die Komplexometrie ist eine Variante der Volumetrie. Es handelt sich um die volumetrische Bestimmung von Metallionen durch Chelatkomplexe. Die meisten der bekannten Metallionen können durch Komplexometrie bestimmt werden. Von allen in dem Video untersuchten Beispielen gibt es nur beim Natriumion Probleme. Der Äquivalenzpunkt der Titration wird durch Metallindikatoren bestimmt. Der dafür notwendige pH-Wert wird durch Pufferlösungen eingehalten. Die Metallindikatoren zeigen durch einen Farbumschlag den Äquivalenzpunkt an. Ich danke für die Aufmerksamkeit. Alles Gute. Auf Wiedersehen.

4 Kommentare
  1. Danke für die Hilfe.
    Alles Gute

    Von André Otto, vor mehr als 6 Jahren
  2. Es gibt eine Konkurrenz von Proton und von den Metall-Ionen um die
    Liganden-Anbindung.

    –pH-niedrig ⇔ [H3O]+hoch ⇒ Komplex wird zerstört
    –pH-hoch ⇔ [H3O]+niedrig ⇒ Komplex wird gebildet

    Der pH-Wert muss größer als 8.5 sein um komplexometrische Titration durchführen zu können.

    Von Quake Rxnc, vor mehr als 6 Jahren
  3. Die Antworten sind komplex. Aus Zeitgründen möchte ich mich ihnen einfach mal nicht stellen.
    Alles Gute

    Von André Otto, vor mehr als 7 Jahren
  4. Warum ist die komplexometrische Titration so sehr pH Abhängig? Was geschiet da genau, am Äquivalenzpunkt?
    mfg

    Von Dflow, vor mehr als 7 Jahren

Komplexometrie Übung

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

  • Schildere den Vorgang der Komplexometrie.

    Tipps

    Am Äquivalenzpunkt ist eine zur Stoffmenge der Metall-Kationen äquivalente Menge an Komplexon hinzugegeben worden.

    Lösung

    Die Komplexometrie wird verwendet, wenn man eine Lösung eines bestimmten Metall-Kations unbekannter Konzentration vorliegen hat. Es müssen ein passender Indikator und ein passendes Komplexon ausgewählt werden, mit dem sich ein möglichst stabiler Chelat-Komplex bilden kann. Außerdem ist es wichtig zu wissen, welche Zusammensetzung der Komplex hat, also wie viele Komplexone an einem Komplex beteiligt sind.
    Das Erreichen des Äquivalenzpunktes wird bei der Komplexometrie durch einen Indikator festgestellt. Dieser hat bei Anwesenheit des unkomplexierten Metall-Kations in der Lösung eine andere andere Farbe als bei Abwesenheit des Metall-Kations. Häufig bildet der Indikator selbst einen Komplex mit dem Metall-Ion, der allerdings schwächer ist als der des Komplexons. Während der Titration sinkt die Konzentration an unkomplexierten Metall-Kationen in der Lösung. Sind keine freien Metall-Kationen mehr vorhanden, macht sich dies an einem Farbumschlag bemerkbar. Der Äquivalenzpunkt ist erreicht.

  • Benenne die Komplexone.

    Tipps

    Di = zwei, Tetra = vier

    Lösung

    Beim Namen Oxinat handelt es sich um einen Trivialnamen. Dieser leitet sich vom Oxin, dem 8-Hydroxychinolin, ab. Nitriloessigsäure wird häufig auch Nitrilotriessigsäure genannt. Hier wird deutlich, dass dieses Molekül drei Essigsäure-Gruppen trägt. Die Abkürzung für dieses Komplexon ist NTA. Ethylendiamin ist ein systematischer Name. Das Molekül leitet sich vom Ethylen ab, das Gerüst besteht also aus zwei Kohlenstoffatomen, die je zwei Wasserstoffatome tragen. Der Name sagt uns, dass außerdem zwei Amino-Gruppen an die C-Atome gebunden sind. Die Abkürzung für dieses Komplexon ist en. Ethylendiamintetraacetat leitet sich vom Ethylendiamin ab. An die Aminogruppen sind je zwei, also insgesamt vier, Acetatgruppen gebunden. Die Abkürzung für dieses Komplexon ist EDTA.

  • Nenne den geeignetsten Indikator für folgende Ionen.

    Tipps

    Xylolorange eignet sich nicht als Indikator für Alkali- und Erdalkalimetall-Ionen.

    Lösung

    Metallindikatoren zeigen unterschiedliche Farben je nach Anwesenheit oder Abwesenheit von bestimmten Metall-Ionen. Dabei sind die Indikatoren selbst Komplexbildner. Mit geeigneten Metall-Ionen bilden die Indikatoren einen Komplex, der dann eine andere Farbe hat als der reine Indikator. Der Komplex ist jedoch wesentlich instabiler als der Chelat-Komplex zwischen Metall-Ion und Komplexon, der sich während der Titration bildet. Für Kupfer(II)-Ionen eignen sich Brenzkatechinviolett und Murexid, auch für $Ca^{2+}$-Ionen ist Murexid geeignet. Mit Magnesium-Ionen bildet Eriochromschwarz einen farbigen Komplex, Xylol-Orange ist für Schwermetall-Ionen, wie $Pb^{2+}$, geeignet.

  • Bestimme die Komplex-Stabilitätskonstante.

    Tipps

    $1 \over 3^{-6}$$=3^6$

    $lg(10^{-23})=-23$

    Lösung

    An diesem Beispiel werden die Konzentrationsverhältnisse bei der Bildung eines EDTA-Komplexes deutlich. Trotz der sehr hohen Konzentration von 4 $mol \over l$ liegt nur eine sehr geringe Konzentration von $2 \cdot 10^{-10}$$mol \over l$ an unkonplexierten Ionen und freien EDTA-Molekülen im Gleichgewicht vor. Dies macht deutlich, wie groß die Unterschiede sind. Bei geringer konzentrierten Lösungen sind die Konzentrationen an unkomplexierten Ionen so gering, dass sie praktisch nicht mehr messbar sind. Dies macht die Komplexometrie als Methode zur Konzentrationsbestimmung von Metall-Kationen sehr genau.

  • Erschließe Faktoren, die eine Komplexometrie stören können.

    Tipps

    Leitungswasser ist oft kalkhaltig.

    Lösung

    Die meisten Komplexbildner bilden mit mehreren Metallen stabile Komplexe. Sind also mehrere unterschiedliche Metall-Ionen in der Lösung vorhanden, bilden sich möglicherweise Komplexe mit allen Metall-Ionen. Der Farbumschlag liegt dann nicht am Äquivalenzpunkt, da mehr Komplexone verbraucht worden sind als zur Komplexierung des Ziel-Ions nötig sind. Solche Fremd-Kationen können schon in der Analysenlösung vorhanden sein oder durch unsachgemäß gespülte Geräte eingeschleppt werden. In Leitungswasser sind unterschiedliche Metall-Ionen, wie Calcium, enthalten, daher ist zum Spülen entsalztes Wasser zu verwenden.
    Der pH-Wert kann das Ergebnis einer Komplexometrie beeinflussen. Zum Einen kann der pH-Wert die Bildung des Chelat-Komplexes beeinflussen, zum anderen sind die Metallindikatoren auf einen bestimmten pH-Bereich festgelegt.
    Eine höhere Temperatur hat zwar einen negativen Einfluss auf die Komplexstabilität, dieser ist auf Grund der sehr hohen Stabilität der gebildeten Chelat-Komplexe vernachlässigbar gering. Bei zu hohen Temperaturen besteht eher die Gefahr, dass durch das Verdampfen des Wassers die Konzentrationen der Lösungen verändert werden.

  • Berechne die $Mg^{2+}$-Konzentration einer Lösung.

    Tipps

    Zur Bestimmung der äquivalenten Stoffmenge an Magnesium-Ionen musst du beachten, wie viele Oxinat-Ionen zur Bildung eines Moleküls des Chelat-Komplexes nötig sind.

    Lösung

    Zur Berechnung der Stoffmenge an verbrauchtem Oxinat bis zum Erreichen des Äquivalenzpunktes wird die bekannte Konzentration der verwendeten Oxinat-Lösung und das Volumen verwendet. In 0,026 l der Lösung der Konzentration 0,1 $mol \over l$ sind 0,0026 mol Oxinat enthalten. Da in jedem der Chelat-Komplexe zwei Moleküle des Oxinats enthalten sind, ist die Stoffmenge der Magnesium-Ionen nur halb so groß, also 0,0013 mol in den 100 ml der Analysenlösung. Dies entspricht einer Konzentration an $Mg^{2+}$-Ionen von $0,0013~mol \over 0,1 l$ $= 0,013$ $mol \over l$.