Lektion 6.1

Qualitative Analyse: Nachweis von Ionen und funktionellen Gruppen

16 min Lesezeit

Ein Labor bekommt eine Wasserprobe aus einem Bach, in dem Fische gestorben sind. Die erste Frage lautet nicht, wie viel von einem Stoff darin ist, sondern: Was ist überhaupt darin? Chlorid, Ammonium, ein Schwermetall? Oder du findest in einer Dose ein weißes Pulver ohne Etikett und willst wissen, ob es Kochsalz, Soda oder etwas anderes ist.

Solche Fragen beantwortet die qualitative Analyse. „Qualitativ“ heißt: Sie fragt nach der Art der Stoffe, nicht nach der Menge. Du gibst ein Reagenz zu und beobachtest. Du lernst, welche Beobachtung zu welchem Ion oder welcher funktionellen Gruppe gehört und wie du aus mehreren Beobachtungen auf die Probe schließt.

Definition

Nachweisreaktion

Eine Nachweisreaktion ist eine Reaktion, deren Beobachtung für ein bestimmtes Teilchen kennzeichnend ist. Sie soll spezifisch sein (nur dieses Teilchen zeigt die Beobachtung) und empfindlich (schon kleine Mengen reichen). Die Beobachtung ist von einer dieser Arten:

  • Fällungsreaktion: Aus gelösten Ionen entsteht ein schwer lösliches Salz, der Niederschlag. In der Ionengleichung stehen nur die Ionen, die reagieren, zum Beispiel Ag++Cl−→AgCl↓\mathrm{Ag^+ + Cl^- \rightarrow AgCl\downarrow}.
  • Farbreaktion: Die Lösung ändert ihre Farbe, oft weil sich ein farbiges Komplex-Ion bildet. Das ist ein Ion, in dem mehrere Teilchen an ein zentrales Metall-Ion gebunden sind.
  • Gasentwicklung: Ein Gas steigt auf und wird selbst nachgewiesen.
  • Flammenfärbung: Ein Salz färbt die Brennerflamme.

Andere Ionen können stören. Vor dem Silbernitrat-Test säuerst du deshalb mit verdünnter Salpetersäure an. Silbercarbonat und Silberphosphat lösen sich in Säure, so fallen sie nicht mit aus.

Definition

Flammenfärbung

Hältst du ein Salz in die nichtleuchtende Brennerflamme, färbt sich die Flamme. Die Hitze regt Elektronen der Metallatome an: Sie gehen auf eine höhere Energiestufe und fallen zurück. Dabei senden sie Licht aus, dessen Wellenlängen zu den Energieunterschieden des Elements passen (Linienspektrum, siehe Atombau). Jedes Element hat eigene Energiestufen, darum ist die Farbe kennzeichnend.

IonFlammenfarbe
Li+\mathrm{Li^+}karminrot
Na+\mathrm{Na^+}intensiv gelb
K+\mathrm{K^+}blassviolett
Ca2+\mathrm{Ca^{2+}}ziegelrot
Ba2+\mathrm{Ba^{2+}}fahlgrün
Cu2+\mathrm{Cu^{2+}}blaugrün

Natrium ist fast überall (Staub, Schweiß), und sein starkes Gelb überstrahlt andere Farben. Durch ein blaues Kobaltglas wird das Gelb herausgefiltert, und du siehst das Violett von Kalium. Den Brenner bedienst du nur mit Schutzbrille, und lange Haare werden zusammengebunden.

Definition

Nachweis wichtiger Ionen

IonReagenz und BeobachtungReaktion
Cl−\mathrm{Cl^-}angesäuerte Silbernitrat-Lösung: weißer Niederschlag, löst sich in verdünnter Ammoniak-LösungAg++Cl−→AgCl↓\mathrm{Ag^+ + Cl^- \rightarrow AgCl\downarrow}
Br−\mathrm{Br^-}ebenso: gelblicher Niederschlag, in verdünnter Ammoniak-Lösung kaum löslichAg++Br−→AgBr↓\mathrm{Ag^+ + Br^- \rightarrow AgBr\downarrow}
CO32−\mathrm{CO_3^{2-}}verdünnte Salzsäure: Aufschäumen, das Gas trübt KalkwasserCO32−+2 H3O+→CO2+3 H2O\mathrm{CO_3^{2-} + 2\,H_3O^+ \rightarrow CO_2 + 3\,H_2O}
NH4+\mathrm{NH_4^+}Natronlauge, erwärmen: stechend riechendes Gas, feuchtes Indikatorpapier wird blauNH4++OH−→NH3+H2O\mathrm{NH_4^+ + OH^- \rightarrow NH_3 + H_2O}
Fe3+\mathrm{Fe^{3+}}Kaliumthiocyanat (KSCN\mathrm{KSCN}): blutrote LösungFe3++SCN−→[Fe(SCN)]2+\mathrm{Fe^{3+} + SCN^- \rightarrow [Fe(SCN)]^{2+}}
Fe2+\mathrm{Fe^{2+}}Kaliumhexacyanoferrat(III): tiefblauer Niederschlagtiefblauer Feststoff aus Fe2+\mathrm{Fe^{2+}} und [Fe(CN)6]3−[\mathrm{Fe(CN)_6}]^{3-}
Cu2+\mathrm{Cu^{2+}}Ammoniak-Lösung: erst hellblauer Niederschlag, im Überschuss tiefblaue LösungCu2++4 NH3→[Cu(NH3)4]2+\mathrm{Cu^{2+} + 4\,NH_3 \rightarrow [Cu(NH_3)_4]^{2+}} (vereinfacht)

Kalkwasser ist gesättigte Calciumhydroxid-Lösung. Das Kohlenstoffdioxid fällt weißes Calciumcarbonat: CO2+Ca2++2 OH−→CaCO3↓+H2O\mathrm{CO_2 + Ca^{2+} + 2\,OH^- \rightarrow CaCO_3\downarrow + H_2O}. Silberchlorid löst sich in verdünntem Ammoniak, weil Silber-Ionen mit Ammoniak ein Komplex-Ion bilden: AgCl+2 NH3→[Ag(NH3)2]++Cl−\mathrm{AgCl + 2\,NH_3 \rightarrow [Ag(NH_3)_2]^+ + Cl^-}. So unterscheidest du Chlorid von Bromid, denn Silberbromid löst sich erst in konzentrierter Ammoniak-Lösung.

Beispiel

Eine unbekannte Salzprobe

Ein blaugrünes Salz wird untersucht. Beobachtungen: Die Flamme färbt sich blaugrün. Gelöst in Wasser, gibt es mit Ammoniak erst einen hellblauen Niederschlag und bei Überschuss eine tiefblaue Lösung. Mit angesäuerter Silbernitrat-Lösung fällt ein weißer Niederschlag, der sich in verdünntem Ammoniak löst. Mit Natronlauge riecht es beim Erwärmen nicht. Welches Salz liegt vor?

Blaugrüne Flamme und die Ammoniak-Reaktion zeigen Cu2+\mathrm{Cu^{2+}}. Der weiße, in Ammoniak lösliche Niederschlag zeigt Cl−\mathrm{Cl^-}. Kein Geruch mit Natronlauge: kein NH4+\mathrm{NH_4^+}. Die Probe ist Kupfer(II)-chlorid, CuCl2\mathrm{CuCl_2}. Jede einzelne Beobachtung stützt das Ergebnis, erst alle zusammen machen es sicher.

Definition

Nachweis von Mehrfachbindungen und funktionellen Gruppen

Auch organische Stoffe erkennst du an Reaktionen ihrer funktionellen Gruppen.

GruppeReagenzPositive Beobachtung
Doppel- oder Dreifachbindung (C=C\mathrm{C=C}, C≡C\mathrm{C \equiv C})Bromwasser (braun-orange), ohne Lichtsofortige Entfärbung
Doppelbindungverdünnte Kaliumpermanganat-Lösung (violett) mit SodalösungEntfärbung, brauner Niederschlag von Braunstein (MnO2\mathrm{MnO_2})
AldehydgruppeTollens-Reagenz oder Fehling-Lösung, erwärmtSilberspiegel bzw. roter Niederschlag
CarboxygruppeIndikatorpapier oder NatriumhydrogencarbonatRotfärbung bzw. Gas (CO2\mathrm{CO_2})

Das Brom addiert sich an die Mehrfachbindung (elektrophile Addition): C2H4+Br2→C2H4Br2\mathrm{C_2H_4 + Br_2 \rightarrow C_2H_4Br_2}. Das Produkt ist farblos. Alkane haben keine Mehrfachbindung und entfärben im Dunkeln nicht. Ketone zeigen mit Tollens und Fehling keine Reaktion, so unterscheidest du sie von Aldehyden. Eine Carbonsäure gibt mit Hydrogencarbonat Kohlenstoffdioxid: CH3COOH+HCO3−→CH3COO−+CO2+H2O\mathrm{CH_3COOH + HCO_3^- \rightarrow CH_3COO^- + CO_2 + H_2O}.

Beispiel

Drei Flüssigkeiten unterscheiden

Drei farblose Flüssigkeiten sind Ethanal, Propanon und Ethansäure, aber ohne Etikett. Wie findest du heraus, welche welche ist?

Zuerst prüfst du mit Indikatorpapier. Nur die Ethansäure färbt es rot, sie hat die Carboxygruppe. Dann gibst du zu den beiden anderen Tollens-Reagenz und erwärmst. Nur das Ethanal hat eine Aldehydgruppe und bildet einen Silberspiegel. Das Propanon, ein Keton, zeigt keine Reaktion. Damit sind alle drei zugeordnet.

Häufige Fehler

Entfärbtes Bromwasser beweist eine Doppelbindung

„Das Bromwasser wurde entfärbt, also ist eine C=C-Doppelbindung vorhanden.“

Richtig ist

Auch Alkane entfärben Bromwasser, wenn Licht scheint: Brom ersetzt dann langsam Wasserstoff (Substitution). Und Aldehyde sowie andere Reduktionsmittel entfärben Bromwasser ebenfalls. Entscheidend ist die sofortige Entfärbung im Dunkeln. Ein einzelner Test beweist wenig, deshalb kombiniert man mehrere.

Häufige Fehler

Jeder weiße Niederschlag mit Silbernitrat ist Chlorid

„Mit Silbernitrat fällt ein weißer Niederschlag, also enthält die Probe Chlorid.“

Richtig ist

Ohne Ansäuern fallen auch Carbonat-Ionen und Phosphat-Ionen als Silbersalze aus. Erst der weiße Niederschlag in angesäuerter Lösung, der sich in verdünntem Ammoniak löst, weist Chlorid nach.

Häufige Fehler

Keine Reaktion heißt: nicht enthalten

„Mit Silbernitrat passiert nichts, also ist kein Chlorid in der Probe.“

Richtig ist

Jede Nachweisreaktion hat eine Grenze: Bei sehr kleiner Konzentration ist keine Veränderung zu sehen. Ein negatives Ergebnis heißt nur, dass das Ion nicht in nachweisbarer Menge da ist.

Zusammenfassung

  • Eine Nachweisreaktion soll spezifisch und empfindlich sein. Ihre Beobachtung ist ein Niederschlag, eine Farbänderung, ein Gas oder eine Flammenfarbe.

  • Die Flammenfarbe entsteht, weil angeregte Elektronen zurückfallen und Licht elementtypischer Wellenlängen aussenden: Natrium gelb, Kalium violett, Calcium ziegelrot, Kupfer blaugrün.

  • Chlorid und Bromid fallen mit angesäuertem Silbernitrat aus. Silberchlorid löst sich in verdünntem Ammoniak, Silberbromid nicht.

  • Carbonat gibt mit Säure Kohlenstoffdioxid, Ammonium mit Lauge Ammoniak, Fe(III) mit Thiocyanat eine blutrote Lösung, Cu(II) mit Ammoniak eine tiefblaue.

  • Mehrfachbindungen entfärben Bromwasser sofort, Aldehyde bilden mit Tollens-Reagenz einen Silberspiegel, Carbonsäuren geben mit Hydrogencarbonat Gas.

  • Ein einzelner Test beweist wenig. Erst mehrere Beobachtungen zusammen sichern das Ergebnis.

Übungen

Aufgabe 1Multiple Choice

Warum färben verschiedene Metall-Ionen die Flamme unterschiedlich?

Aufgabe 2Numerisch

Eine Lösung enthält 0,0100 mol Kupfer(II)-chlorid, CuCl2\mathrm{CuCl_2}. Wie viel mol Silbernitrat brauchst du mindestens, um alle Chlorid-Ionen als Silberchlorid zu fällen? Gib die Stoffmenge in mol an.

Aufgabe 3Multiple Choice

Eine Lösung wird mit Kaliumthiocyanat blutrot. Mit angesäuertem Silbernitrat fällt ein gelblicher Niederschlag aus, der sich in verdünntem Ammoniak nicht löst. Welche Ionen enthält die Lösung?

Aufgabe 4Freitext

Du hast drei weiße Pulver: Natriumchlorid, Natriumcarbonat und Ammoniumchlorid. Beschreibe, wie du sie mit zwei Reagenzien unterscheidest.

Aufgabe 5Multiple Choice

Du gibst im Dunkeln zu Hex-1-en und zu Hexan je etwas Bromwasser. Was beobachtest du?