Versuch 16 - TU Ilmenau

TU Ilmenau
Fachgebiet Chemie
Chemisches Praktikum
Versuch
Quantitative Trennung von
Kationen
V16
1. Aufgabe:
A)
B)
C)
D)
E)
Wägen Sie die vom Praktikumspersonal vorgegebene Menge Messing ein (im Protokoll angeben), lösen es auf und stellen davon Ihre zu analysierende Lösung her.
Bestimmen Sie den Cu-Gehalt (in mg/100 ml) der Analysenlösung mit Hilfe der elektrogravimetrischen Methode und den Zinkgehalt (in mg/100 ml) mit Hilfe der Gravimetrie!
Führen Sie für jede Methode eine Dreifachbestimmung durch!
Stellen Sie die Reaktionsgleichung auf und ermitteln Sie den analytischen Faktor!
Geben Sie den prozentualen Anteil von Kupfer und Zink der Probe an!
Rechnen Sie die im Text angegebene Beispielaufgabe!
2. Grundlagen
2.1 Die elektrogravimetrische Methode zur Bestimmung von Kupfer
Die Elektrogravimetrie dient vor allem zur Bestimmung von Kationen, die durch den elektrischen Strom
entweder kathodisch zum Metall (z. B. Cu, Ag, Au, Ni, Co, Zn, Cd) reduziert oder anodisch zu einem
schwerlöslichen Oxid (z.B. Pb, Mn) oxidiert werden. Die elektrolytische Abscheidung erfolgt mit polarisierbaren Platinelektroden. Tauchen solche Elektroden in eine Metallionenlösung, z. B. Cu2+ , so fließt bei
angelegter äußerer Gleichspannung U erst oberhalb eines bestimmten Wertes von U – der Zersetzungsspannung Uz - ein Strom durch die elektrolytische Zelle. Gleichzeitig können kathodische Kupferablagerung und anodische Gasentwicklung beobachtet werden. Dadurch wird die Kathode zu einer Kupfer- und die Anode zur einer Sauerstoffelektrode. Für ihre Kombination - nun als galvanische Zelle ergibt sich aus der Differenz der Elektrodenpotentiale EO–ECu die reversible Zellspannung E gemäß der
Zellreaktion Cu + ½O2 + H2O  Cu2+ + 2OH-. Eine Elektrolyse der Cu-Lösung in Umkehrung dieser Reaktion findet somit erst dann statt, wenn die an die Zelle angelegte äußere Spannung mindestens gleich
der reversiblen Zellspannung (Uz = -E) ist. Tatsächlich beobachtet man jedoch im Experiment eine effektive Zersetzungsspannung Uz,eff., die vom theoretischen Wert abweicht und durch Überspannungen an
den Elektroden und dem ohmschen Widerstand des Elektrolyten verursacht wird.
Weitere Ausführungen zum Zusammenhang von galvanischen und elektrolytischen Zellen finden Sie in
der Anleitung zu Versuch 11 (Elektrochemische Zellen).
2.2 Die gravimetrische Methode zur Bestimmung von Zink
3. Versuchsdurchführung
3.1 Herstellen der Probelösung
Eine vorgebebene Masse an Messingspänen wird in ein 100 ml Becherglas genau eingewogen. In das
gleiche Becherglas gibt man einen kleinen Glasstab und hält ein Uhrglas zum späteren Abdecken bereit.
Zum Lösen der Probe gibt man 25 ml 1:1 verdünnte HNO3 über die Späne und deckt mit dem Uhrglas
das Becherglas ab. Die Probe wird langsam auf dem Vierfuß erhitzt, bis sich die Probe vollständig gelöst
hat und keine braunen Dämpfe mehr entweichen. Die Lösung lässt man abkühlen und überführt sie dann
in einen 100 ml Messkolben.
Das Kölbchen mit der zu analysierenden Kupferlösung wird bis zur Eichmarke mit dest. Wasser aufgefüllt
und zum Konzentrationsausgleich umgeschwenkt.
Vorsicht!
Die oben aufgeführten Arbeiten zum Lösen der Probe müssen unter dem Abzug durchgeführt
werden und das Tragen der Schutzbrille ist ständig erforderlich.
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3.2 Die elektrogravimetrische Kupferbestimmung
Die Versuchsanordnung besteht aus: Elektrolysiergefäß, zwei Elektroden, Rührer, regelbarer Gleichstromquelle. Als Elektrodenmaterial dient Platin, die Kathode als zylinderförmig gebogenes Drahtnetz und
die Anode in Form einer Spirale. Die für den Versuch benötigten Elektroden erhalten die Praktikumsteilnehmer vom Betreuer. Sie werden unter Aufsicht des Betreuers ausgewogen und das ermittelte Gewicht
notiert. Die Studenten bestätigen den Erhalt und das ermittelte Gewicht der Elektroden mit Unterschrift.
Die Größe des Elektrolysiergefäßes, ein 150 ml Becherglas, ist so zu wählen, daß die Netzkathode einen
möglichst geringen Abstand zur Wand besitzt. Für die elektrogravimetrische Analyse werden 20 ml der
Probelösung in das Elektrolysiergefäß abpipettiert und auf 100 ml mit dest. Wasser aufgefüllt (Becherglasmarkierung). Zu dieser Lösung werden 5 ml 2 m Harnstofflösung und mit Hilfe einer Tropfpipette
1,5 ml konzentrierte Schwefelsäure gegeben. Das Elektrolysiergefäß wird auf das Magnetrührwerk gestellt und der Magnetrührer eingesetzt. Die vorbereitete Lösung wird durch langsames Steigern der Rührerdrehzahl (max. 400 min-1) vermischt und danach ausgeschaltet.
Beim Einsetzen der Elektroden ist die Anordnung so zu wählen, daß sich die Platinspirale im Zentrum der
Netzelektrode befindet. Die Elektroden werden mit zwei elektrisch isolierten Klammern an einem Elektrodenhalter befestigt und mit der Spannungsquelle verbunden.. Während der Elektrolyse dürfen die Platinelektroden nicht vollständig in den Elektrolyten eintauchen. Um Verluste durch Spritzer infolge Gasentwicklung an der Anode zu vermeiden, ist die Rührerdrehzahl von 400 min-1 einzustellen. Es ist darauf zu
achten, daß der eingesetzte Magnetrührer nicht mit den Elektroden in Berührung kommt. Zur Durchführung der Elektrolyse wird die notwendige Spannung (2,7 V) eingestellt. Jedoch muß bei der Wahl der
Versuchsbedingungen stets sehr sorgfältig darauf geachtet werden, daß das elektrolytisch auf der Platinelektrode abgeschiedene Metall einen dichten, festhaftenden und metallisch glänzenden Film ohne
Fremdeinschlüsse bildet, so daß eine genaue Wägung möglich ist.
Das Ende der Elektrolyse (nach ca. 18-20 Minuten) kann durch Tüpfelanalyse (Nachweis von Cu2+ siehe
Versuch 0) festgestellt werden. Dazu entnimmt man mit einem Tropfer ca. 3 Tropfen Elektrolyt aus der
noch unter Spannung stehenden Zelle. Ist der Kupfernachweis positiv, scheidet man noch einige Minuten
weiter ab.
Nach beendeter Elektrolyse werden die Elektroden unter Spannung aus der Lösung entfernt. Die Netzelektrode wird mit Wasser in das für die Zinkbestimmung vorgesehene Glas abgespült. In das gleiche
Gefäß wird die gesamte von Kupfer befreite Lösung überführt und das Becherglas ausgespült.
Achtung: Diese Lösung wird für die Zinkbestimmung wieder verwendet!
Danach nimmt man die Netzelektrode aus der Halterung, wäscht diese mit dest. Wasser und mit Alkohol
und stellt sie zum Trocknen bei 105 °C in den Umlufttrockenschrank (ca.10 min).
Nachdem die Elektrode im Exsikkator auf Raumtemperatur abgekühlt ist, wird sie auf der Analysenwaage
gewogen und mit dem Gewicht vor der Elektrolyse verglichen.
Die Reinigung der Netzelektrode erfolgt im Abzug. Dazu taucht man sie kurze Zeit in ein kleines Becherglas mit 1:1 verdünnter Salpetersäure. Die Säure kann mehrfach benutzt werden. Nach dem Ablösen des
Kupfers wird die Elektrode mit dest. Wasser abgespült, im Umlufttrockenschrank getrocknet, im Exsikkator abgekühlt und ausgewogen. Die Analyse kann nun wiederholt werden.
Am Ende der elektrogravimetrischen Analyse werden die Elektroden vom Praktikumsteilnehmer, in Gegenwart des Betreuers, gewogen. Der Betreuer notiert das Gewicht der Elektroden und bestätigt den
Erhalt mit seiner Unterschrift.
3.3. Die gravimetrische Zinkbestimmung
Die saure Probelösung von der elektrogravimetrischen Kupferbestimmung wird mit Ammoniak gegen 2
Tropfen Methylrot neutralisiert. Es erfolgt ein Farbumschlag von rot nach gelb. Mit 5 ml 2 m Natriumacetatlösung wird die Lösung gepuffert und zum Sieden erhitzt. Nun fällt man tropfenweise mit 2-3 g
(NH4)2HPO4 in 20 ml Wasser, welches mit NH4OH gegen Phenolphthalein neutralisiert wurde. Die Probe
hält man noch ca. 1 Stunde im Wasserbad warm, wobei der Niederschlag kristallin geworden ist. Die
Probe wird abgekühlt und der Niederschlag wird über eine G4-Glasfritte abgesaugt. Gewaschen wird mit
1 %iger Ammoniumphosphatlösung und anschließend mit kaltem Wasser und Ethanol. Die Glasfritte mit
dem Niederschlag wird bei 105 °C im Trockenschrank getrocknet und wird als Zn(NH4)PO4 zur Auswaage
gebracht. Dazu wird die Fritte vorher getrocknet und leer ausgewogen.
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4. Versuchsauswertung
Beachten Sie bei der Berechnung die geforderten Gehaltsangaben in der Aufgabenstellung!
Elektrogravimetrie:
Gewicht Pt-Netz nach der Elektrolyse
- Gewicht Pt-Netz vor der Abscheidung
= abgeschiedene Kupfermenge
Gravimetrie:
Angaben zur Berechnung:
Wägeform:
gesuchte Form:
analytischer Faktor:
Zn(NH4)PO4
Zn
mZn = Auswaage  analytischer Faktor  Verdünnung
Aufgabe:
Berechnen Sie die theoretischen Zersetzungsspannungen für zwei Analysenlösungen mit Kupferkonzentrationen von 10-1 mol/l bzw. 10-6 mol/l bei variablem pH–Wert. Das Standardelektrodenpotential für Sauerstoff beträgt 0,40 V und für Kupfer 0,34 V. Das Ionenprodukt des Wassers ist aus vorhergehenden Versuchen bekannt.
Welche Schlußfolgerung kann daraus für die elektrogravimetrische Methode gezogen werden?
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