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Nachweise der Reduktionsgruppe 09:53 min

Textversion des Videos

Transkript Nachweise der Reduktionsgruppe

Guten Tag und herzlich Willkommen. In diesem Video geht es um die Nachweise der Reduktionsgruppe. Der Film gehört zur Reihe „Qualitativer Trennungsgang, Ionennachweise II“. Für die notwendigen Vorkenntnisse solltet ihr bereits das Video „Nachweise der Salzsäure-Gruppe“ geschaut haben. Mein Ziel ist es euch in diesem Video ein grundlegendes Verständnis der Reduktionsgruppe zu vermitteln. Den Film habe ich in neun Abschnitte unterteilt. 1. Einordnung in die Trennungsgruppen, 2. Zwei Probleme, 3. Die Reduktion, 4. Goldabtrennung, 5. Palladiumabtrennung, 6. Platinabtrennung, 7. Selenabtrennung, 8. Tellurabtrennung, 9. Überblick. 1. Einordnung in die Trennungsgruppen. Bei der Reduktionsgruppe handelt es sich im Wesentlichen um die chemischen Elemente Gold, Palladium, Platin, Selen und Tellur. Es handelt sich hier um einen Teil des Trennungsganges zur Kationentrennung. Erinnern wir uns, wo wir bei der Salzsäure-Gruppe gestartet sind. Wir sind mit einer Lösung gestartet und haben die Elemente der Salzsäure-Gruppe in Form fester Stoffe abgetrennt. Im Filtrat befinden sich die anderen Elemente in gelöster Form. Bei der Reduktionsgruppe wollen wir die entsprechenden Elemente, die wir oben genannt haben, ebenfalls in fester Form abtrennen. Im Filtrat bleiben die anderen chemischen Elemente zurück. 2. Probleme. Es gibt zwei Probleme, die mit vierwertigem Platin und einwertigem Thallium zusammenhängen. Ist Platin in Lösungen nur alleine enthalten, ich nenne es einmal salopp „solo“, so findet keine Reduktion zu elementarem Platin statt. Das zweite Problem besteht darin, dass unter den kräftig sauren Reaktionsbedingungen das einwertige Thallium mit dem vierwertigen Platin, in Anwesenheit von Chloridionen, einen Thallium-Platin-Komplex bildet. Die gelbe Farbe verfälscht die Analyse oder macht sie gänzlich unmöglich. Aus diesem Grund soll in jeder, Platinionen alleine und keinerlei Thalliumionen in der Lösung enthalten sein. Diese Vereinfachung soll bei der Betrachtung der Reduktionsgruppe gemacht werden. 3. Die Reduktion. Die Elemente der Reduktionsgruppe sind in gelöster Form als Ionen, beziehungsweise komplexe Ionen enthalten. Das Filtrat der Salzsäure-Gruppe wird bis auf ein Mol pro Liter Säureanteil eingeengt. Nun findet die Reduktion statt. Sie geschieht mit Hydraziniumchlorid. Für Palladiumionen habe ich die Reaktionsgleichung formuliert. Bei der Reduktion wird neben elementarem Palladium Stickstoff frei. Alle fünf Elemente fallen aus. Gold alleine ist von brauner Farbe, Palladium ist schwarz, Platin ist schwarz, Selen ist rot und Tellur schwarz. Das Fällungsprodukt ist von dunkelbrauner bis schwarzer Farbe. Alle fünf Elemente der Reduktionsgruppe finden wir im Filterrückstand. Das Filtrat wird in den übrigen Trennungsgruppen untersucht. Die anschließende Gruppe ist die Schwefelwasserstoff-Gruppe, die wir im nächsten Film untersuchen werden. 4. Goldabtrennung. Das Filtrat wird mit konzentrierter Salzsäure und 30-prozentigem Wasserstoffperoxid versetzt. Anschließend wird stark eingeengt. Der Rückstand wird mit Wasser aufgenommen. Der Rückstand geht vollständig in Lösung, wobei sich verschiedene Komplexe und zusammengesetzte Ionen bilden. Man gibt Oxalsäure hinzu, wodurch eine Reduktion eingeleitet wird. Der Gold-Komplex wird zu elementarem Gold reduziert. Die übrigen Ionen verbleiben in Lösung. Das ausgefallene Gold wird durch Filtration abgetrennt. Somit ist in der Lösung kein Gold mehr enthalten. 5. Palladiumabtrennung. Nach der Goldabtrennung bleiben die komplexen und zusammengesetzten Ionen des Palladiums, Platins, Selens und Tellurs in Lösung. Man versetzt die Lösung mit 1-prozentigem alkoholischen Dimethylglyoxim. Das Ergänz hat diese Formel. Es scheidet sich ein gelber Palladium-Komplex ab. Die Elemente Platin, Selen und Tellur verbleiben in Lösung. Nun wird filtriert. Der Palladium-Komplex wird abgetrennt und mit dem Filtrat weitergearbeitet. 6. Platinabtrennung. In gelöster Form liegen nur noch Platin, Selen und Tellur vor. Die Lösung wird mit Kaliumchlorid versetzt. Im Ergebnis entsteht ein schwer löslicher Kalium-Platin-Komplex. Nun wird filtriert. Platin bleibt als Komplex im Filterrückstand zurück. Mit dem Filtrat wird weitergearbeitet. 7. Selenabtrennung. Im Filtrat sind nur noch Selenid- und Telluridionen enthalten. Als erstes wird das Filtrat eingeengt. Dann wird es mit rauchender Salzsäure aufgenommen. In der Hitze wird Schwefeldioxid eingeleitet. Durch das Schwefeldioxid kommt es zu einer Reduktion, rotes Selen fällt aus, Tellur verbleibt in Lösung. Durch Filtration wird das Selen abgetrennt und mit dem Filtrat weitergearbeitet. Durch Zugabe konzentrierter Schwefelsäure wird ein Nachweis für Selen durchgeführt. Es kommt zur Farbänderung von rot nach grün. 8. Tellurabtrennung. Wenn alles richtig gemacht wurde, sollte nur noch Tellur in der Lösung enthalten sein. Zunächst wird eingedampft, dann mit Wasser aufgenommen und anschließend Schwefeldioxid bei Raumtemperatur eingeleitet. Dadurch findet eine Reduktion statt. Dabei fällt schwarzes Tellur aus. Die Lösung sollte nun kationenfrei sein, von Wasserstoffionen, respektive Hydroniumionen einmal abgesehen. Ein letztes Mal wird nun filtriert. Im Filterrückstand befindet sich elementares Tellur. Das Filtrat ist kationenfrei. Versetzt man schwarzes Tellur mit konzentrierter Schwefelsäure, bildet sich eine rote Farbe. Damit ist der Kationentrennungsgang im Bereich der Reduktionsgruppe abgeschlossen. Und nun wollen wir uns unter 9. einen Überblick über die Nachweise der Reduktionsgruppe verschaffen. Die fünf Elemente fallen in der Reduktionsgruppe als reduzierter Schlamm aus. Die Reduktion erfolgt mit Hydraziniumchlorid. Gearbeitet wird mit dem Filtrat der Salzsäure-Gruppe. Wichtig ist, dass bis auf ein Mol pro Liter Salzsäure eingeengt wurde. Durch versetzen mit Wasserstoffperoxid gehen alle Elemente bis auf Gold in Lösung. Gold bleibt als Rückstand zurück. Das Filtrat wird mit dem Komplexbildner Dimethylglyoxim versetzt. Es entsteht ein gelber Palladium-Komplex. Platin, Selen und Tellur bleiben in Lösung. Das Filtrat wird mit Kaliumchlorid versetzt, und es bildet sich ein schwer löslicher Platin-Komplex. Gelöst bleiben die Elemente Selen und Tellur. Nun wird mit heißem Schwefeldioxid reduziert. Rotes Selen fällt aus. Tellur verbleibt in Lösung. Konzentrierte Schwefelsäure zum Selen, ergibt eine grüne Farbe. Das gelöste Tellur wird nun mit kaltem Schwefeldioxid versetzt. Durch die Reduktion fällt schwarzes Tellur aus. Zugabe konzentrierter Schwefelsäure ergibt eine rote Farbe. Wir erinnern uns, dass das ausgefallene Gold braune Farbe hat. Somit ist das Abschlussbild zur Reduktionsgruppe vollständig. Wir notieren noch Kaliumchlorid und nun sind wir fertig. Ich danke für die Aufmerksamkeit. Alles Gute, auf Wiedersehen.

Nachweise der Reduktionsgruppe Übung

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

  • Nenne Elemente, die in der Reduktionsgruppe nachgewiesen werden.

    Tipps

    In der Reduktionsgruppe befinden sich sehr edle Elemente.

    Lösung

    Die Reduktionsgruppe unterscheidet sich von den übrigen Gruppen. Üblicherweise werden mit Trennungsreagenzien bestimmte Kationen aus der Lösung ausgefällt, da sie mit dem Trennungsreagenz ein schwerlösliches Salz bilden.

    In der Reduktionsgruppe werden Redoxeigenschaften ausgenutzt. Mit Hydrazin werden ganz bestimmte Kationen zu elementaren Metallen reduziert. Dies ist nicht immer problemlos möglich, aber im Idealfall werden mit Hydrazin die Kationen der Elemente Gold, Palladium und Platin sowie Selen und Tellur reduziert.

  • Schildere die Probleme, die sich beim Nachweis von Platin ergeben können.

    Tipps

    In Lösung liegt Platin meist als vierwertiges Kation vor.

    Mit Azid wird das ${N_3}^-$-Anion bezeichnet.

    Lösung

    Platin-Kationen sind sehr gut geeignet zur Bildung von Komplexen. In Lösung mit $Cl^-$-Ionen bildet sich daher immer das komplexe Anion $[PtCl_6]^{2-}$, in dem das Platin(IV) von sechs Chlorid-Anionen umgeben ist. Dieses große Komplex-Anion bildet mit einigen Metall-Kationen schwerlösliche Salze. Beim Platinnachweis wird die schlechte Löslichkeit des Salzes $K_2[PtCl_6]$ ausgenutzt.

    Auch mit Thallium bildet das Komplex-Anion ein unlösliches Salz. Da sich auch Thallium durch Hydrazin reduzieren lässt, fällt es ebenfalls gemeinsam mit den Elementen der Reduktionsgruppe aus. Daher muss vor der Analyse sichergestellt werden, dass Thallium nicht in der Analysenlösung enthalten ist.

    Platin-Kationen selbst lassen sich nur schwer mit Hydrazin reduzieren, die Reaktion läuft sehr langsam ab. Die Kristallisation lässt sich jedoch fördern, wenn andere Elemente gleichzeitig ausgefällt werden. Platin kann daher nur mit Hydrazin nachgewiesen werden, wenn weitere Kationen der Reduktionsgruppen enthalten sind.

  • Stelle die Reaktionsgleichung zur Reduktion von $Au^{3+}$ mit Hydrazin auf.

    Tipps

    Pro Hydrazinium-Ion werden vier Elektronen an das Oxidationsmittel abgegeben.

    Zur Reduktion von $Au^{3+}$ zu $Au^0$ sind drei Elektronen notwendig.

    Lösung

    Bei der Oxidation von Hydrazin werden vier Elektronen abgegeben:
    $N_2H_4 \longrightarrow N_2\ +\ 4\ H^+\ +\ 4\ e^-$ //. Demgegenüber steht die Reduktion von Gold(III) zu Gold(0):
    $Au^{3+}\ +\ 3\ e^- \longrightarrow Au^0$ //. Um eine ausgeglichene Reaktionsgleichung zu erhalten, müssen daher drei Moleküle des Hydrazins mit vier Gold-Kationen reagieren, dann werden insgesamt zwölf Elektronen abgegeben und auch wieder aufgenommen. Dementsprechend entstehen bei der Reaktion vier Gold-Atome und drei Stickstoff-Moleküle. Es werden $12~H^+$-Kationen gebildet und drei weitere werden beim Lösen des Hydraziniumchlorids freigesetzt. Insgesamt sind daher $15~H^+$ und drei $Cl^-$-Ionen auf der rechten Seite der Reaktionsgleichung aufzuführen.

  • Deute die Ergebnisse der Analyse der Reduktionsgruppe.

    Tipps

    Amorphes Gold erscheint in oranger Farbe.

    Lösung

    Nach der Fällung mit Hydraziniumchlorid liegen die Metalle der Reduktionsgruppe in elementarer Form vor. In einer Mischung von $HCl$ und $H_2O_2$ lösen sie sich wieder, da sie zu den entsprechenden Kationen reduziert werden. Sie bilden teils mit Chlorid-Ionen komplexe Anionen.

    Gold lässt sich durch Reaktion mit Oxalsäure zum elementaren Metall reduzieren, die übrigen Kationen nicht. Da ein orangefarbener Feststoff ausfiel, ist Gold tatsächlich in der Analysenlösung enthalten.

    Das komplexe Ion $[PdCl_4]^{2-}$ bildet als einziges infragekommendes Ion mit Dimethylglyoxim einen schwerlöslichen Komplex. Da bei diesem Schritt kein Niederschlag zu beobachten ist, ist Palladium nicht in der Lösung enthalten.

    Bei dem Niederschlag bei Zugabe von Kaliumchlorid muss es sich um die Verbindung $K_2[PtCl_6]$ handeln. Die Lösung enthält also Platin-Kationen.

    Unter sauren Bedingungen scheidet sich in heißer Lösung beim Einleiten von $SO_2$-Gas elementares Selen als roter Feststoff ab. Da dies im beschriebenen Fall nicht beobachtet werden kann, ist Selen nicht in der Lösung enthalten.

    Unter anderen Reaktionsbedingungen lässt sich mit $SO_2$ auch Tellur reduzieren. Der schwarze Feststoff, der beim letzten Analyseschritt erhalten wird, ist Tellur. Dies beweist die Rotfärbung bei Zugabe von Schwefelsäure.

  • Gib an, welche Metall-Kationen in der Lösung enthalten sind.

    Tipps

    Orange Farbe lässt sich leicht mit roter Farbe überdecken.

    Lösung

    Bei der Fällung der Kationen mit Hydrazin läuft eine Reduktion der Kationen der Reduktionsgruppe ab. Dabei entstehen die Metalle in elementarer Form. Wenn Metalle aus einer Lösung ausgefällt werden, werden sie in der Regel in amorpher Form erhalten. Das bedeutet, sie haben keine regelmäßige Kristallstruktur und Oberfläche, es gibt viele Hohlräume und eine unregelmäßige Oberfläche. Daher erscheinen beim Ausfällen die meisten Metalle als schwarzer Feststoff.

    In der Reduktionsgruppe sind zwei Metalle vorhanden, die eine andere Farbe im amorphen Zustand zeigen: Gold erscheint orange und Selen erscheint rot. Selen ist daher im beschriebenen Niederschlag enthalten. Da orange Farbe durch rote Farbe leicht überdeckt werden kann, kann jedoch auch das orange Gold im Niederschlag enthalten sein.

  • Erläutere die Schwierigkeiten beim Lösen des Filterrückstandes nach der Fällung mit Hydraziniumchlorid.

    Tipps

    Je edler ein Metall, desto schwieriger ist es zu oxidieren. Daher bilden sich keine Oxidschichten auf dem Metall.

    Lösung

    Gold und die übrigen Edelmetallen gehören zu den Verbindungen mit den höchsten Redoxpotentialen überhaupt. Dies macht ihren edlen Charakter aus: Sie lassen sich nur schwer oxidieren und werden daher auch nicht von Sauerstoff angegriffen. Die Metalle rosten daher nicht und bilden auch keine Oxidschicht. Sie bleiben metallisch glänzend. Dies erschwert den Umgang mit diesen Elementen. Die Kationen sind in der Lage, mit vielen Reduktionsmitteln zu reagieren. Die elementaren Metalle hingegen lassen sich nicht so einfach wie andere Metalle in Lösung bringen, da es schwierig ist, sie in ihre Kationen zu überführen. Da sich ein Gemisch an Feststoffen aber nur schwierig oder gar nicht trennen lässt, ist dies bei der qualitativen Analyse notwendig.

    Wasserstoffperoxid ist ein Oxidationsmittel mit ausreichend großem Redoxpotential, die Metalle katalysieren jedoch die Zersetzung des Wasserstoffperoxids. Daher erfolgt keine Oxidation der Metalle. Stärkere Reduktionsmittel stellen die sogenannten naszierenden Chloratome dar. Dabei handelt es sich um Chlor-Radikale, die zum Beispiel bei der Reaktion von $HCl$ mit Wasserstoffperoxid gebildet werden. Diese sind sehr kurzlebig, da sie schnell dimerisieren:

    $2\ Cl\cdot \longrightarrow Cl_2$.

    Die Radikale sind jedoch sehr reaktiv, daher können sie auch in der kurzen Zeit, während der sie in der Lösung vorhanden sind, mit den Metallen reagieren. Sie nehmen ein Elektron der Metalle auf und oxidieren diese damit. Es entsteht Chlorid aus den Chlor-Radikalen und man erhält die oxidierten, löslichen Metall-Kationen.