Mithilfe der klassischen Methode der quantitativen Analytik können auf Grundlage von chemischen Umsetzungen die Masse, Stoffmengen und Volumen verschiedener chemischer Substanzen bestimmt werden. Diese Eigenschaften werden auf verschiedene Arten gemessen, wodurch sich eine Einteilung in Unterkategorien vornehmen lässt.
Die Gravimetrie bezeichnet die Gewichtsanalyse und beschäftigt sich mit der Messung von Stoffmengen. Für diese Ermittlung der Stoffmengen ist jedoch die Bestimmung der Masse erforderlich. Die Masse wird mittels Auswaage bestimmt, die anschließend mit dem gravimetrischen Faktor multipliziert wird.
Der gravimetrischer Faktor bezeichnet den Wert, mit dem die Auswaage der gravimetrischen Bestimmung multipliziert werden muss, um die Masse des Analyten bestimmen zu können.
Grundlagen der Gravimetrie
Die Gravimetrie ist Teil der quantitativen Analyse und sind sogenannte Fällungsreaktionen, bei denen die Bildung einer schwerlöslichen Verbindung im Vordergrund steht. Das Prinzip der Gravimetrie bezieht sich auf die Bestimmung der Masse eines der Reaktionsprodukte.
Eine Fällungsreaktion beschreibt den Vorgang einer chemischen Reaktion, bei dem die Edukte in einem Lösungsmittel gelöst sind. Mindestens ein Produkt ist in dem Lösungsmittel unlöslich oder nur schwer zu lösen. Das schwerlösliche Produkt fällt als Niederschlag aus.
Auch in der Reaktionsgleichung wird der Niederschlag des Produktes mit schlechter Löslichkeit mit einem (s) für solid oder mit einem Pfeil nach unten ↓ hinter der Summenformel gekennzeichnet.
Die Fällung von Bleisulfidniederschlag aus Bleisalzlösung:
Elementaranalyse
Untergruppe der Gravimetrie ist die Elementaranalyse von organischen und anorganischen Verbindungen. Ziel ist es die darin enthaltenen Elemente zu ermitteln. Dazu zählen beispielsweise die Nichtmetalle wie Kohlenstoff, Wasserstoff, Sauerstoff, Stickstoff und Schwefel sowie Phosphor und Halogene.
Die Elementaranalyse unterscheidet sich ebenfalls in zwei Arten.
- Qualitative Elementaranalyse: Beschäftigt sich mit der Bestimmung der Bestandteile einer Verbindung.
- Quantitative Elementaranalyse: Beschäftigt sich neben der Bestimmung auch mit dem prozentualen Anteil bzw. der Masse der Bestandteile.
Durchführung der gravimetrischen Bestimmung
Damit die Masse eines Niederschlags gravimetrisch bestimmt werden kann, müssen einige Voraussetzungen gegeben sein. Hinzu kommt, dass der Ablauf der Gravimetrie aus mehreren Schritten besteht, wie unter anderem die Vorbereitung der Probe oder der Trocknung des Niederschlags. Mithilfe einer Waage kann die genaue Masse des kompletten Niederschlags ausgewogen werden. Diese dient als Grundlage für die anschließende Berechnung der tatsächlichen Masse der zu bestimmenden Substanz.
Voraussetzungen der Gravimetrie
Damit es zu einer gravimetrischen Bestimmung kommen kann, müssen verschiedene Voraussetzungen für die Reaktion erfüllt sein. Die Bedingungen beziehen sich vor allem auf den Niederschlag, von dem später die Masse ermittelt werden soll.
Zum einen muss es sich bei dem Niederschlag um einen schwerlöslichen Feststoff handeln, der keine Mitfällungsprodukte anderer Bestandteile enthalten darf. Auch darf während der Reaktion keine Nebenreaktion ablaufen. Eine vollständige und schnelle des Niederschlags ist notwendig. Um die Wägeform zu erhalten, sollte dieser einfach in eine stabile und definierte Verbindung überführt werden können. Mithilfe der Wägeform muss vom Niederschlag eine genaue Massenbestimmung möglich sein.
Systematischer Ablauf und Messung der Gravimetrie
Der Ablauf der gravimetrischen Bestimmung unterteilt sich in sechs Abschnitte:
- Vorbereitung der Probe und Entnahme
- Fällung des zu bestimmenden Bestandteils
- Filtrieren / Auswaschen des Niederschlags
- Trocknen des Niederschlags → Wägeform
- Auswaage
- Berechnung des Ergebnisses
Im ersten Schritt der gravimetrischen Bestimmung wird eine Probelösung mit einer geeigneten Reagenzlösung versetzt, bei dem der zu bestimmende Stoff als Niederschlag ausfällt. Anschließend wird die Fällung von der Probelösung getrennt, dies erfolgt durch Filtration mit einem quantitativen Filter. Um die Wägeform zu erhalten, muss zunächst die Fällungsform gewaschen und anschließend getrocknet werden. Beim Waschen kommt es auf die Wahl der Waschflüssigkeit an, da reines Wasser meistens ungeeignet ist. Hierbei wird in zwei Szenarien unterschiedenen:
- Löslichkeit des Niederschlags ist zu hoch
- Niederschlag läuft kolloidal durch
Bei zu hoher Löslichkeit des Niederschlags kann der Zusatz von Fällungsmittel oder das Waschen in der Kälte Abhilfe schaffen. Läuft der Niederschlag kolloidal durch, so können durch den Zusatz von Salzen die adsorbierten Ionen ersetzt werden.
Der Begriff kollodial wird in der Chemie häufiger verwendet. Dabei wird eine Lösung beschrieben, bei der die gelösten Stoffe sehr fein vorliegen. Auch durch eine Filtration können diese nicht mehr getrennt werden. Besonders mit Hinblick auf die Gravimetrie ist dies für die Bestimmung der Masse eines bestimmten Stoffes ungünstig, da ein Niederschlag nicht ausfällt.
Getrocknet wird der Niederschlag bis zur Massenkonstanz. Diese ist erreicht, sobald sich die Flüssigkeit aus dem Niederschlag verflüchtigt hat und eine konstante Masse vorliegt. Mit einer Analysenwaage kann nun die gesamte Masse gewogen werden. Mit der Gesamtmasse kann anschließend die Masse des zu bestimmenden Stoffes stöchiometrisch bestimmt werden kann.
Abbildung 1: Analysenwaage
Gravimetrie – Berechnung
Für die Berechnung in der Gravimetrie werden zwei verschiedene Faktoren benötigt. Zum einen der gravimetrische Faktor, zum anderen die Massenkonstanz. Der gravimetrische Faktor ist der Proportionalitätsfaktor λ (Lambda), der den Anteil der Masse des zu bestimmenden Stoffes angibt. Berechnet wird dieser aus der Masse A der gesamten Ausgabe und der Masse a, also der Masse des zu bestimmenden Stoffes.
Der gravimetrische Faktor zeigt zum einen das Verhältnis von Molmasse des zu bestimmenden Stoffes (Ms) und der Molmasse der Wägeform (Mw). Außerdem muss berücksichtigt werden, wie häufig sich die gesuchte Substanz in der Formeleinheit wiederfindet. Dies wird als stöchiometrischer Koeffizient k dargestellt.
Es soll der Eisengehalt in einer Fe(III)-Salzlösung bestimmt werden. Die Wägeform entspricht . Aus dieser Summenformel ergibt sich für die zu bestimmende Substanz Eisen ein stöchiometrischer Koeffizient k mit k=2.
Somit lässt sich der gravimetrische Faktor λ mithilfe der folgenden Formel bestimmen:
Verdeutlicht wird die Berechnung am Beispiel der Bestimmung des Eisengehalts in einer Fe(III)-Salzlösung.
Folgende Werte sind gegeben:
Im ersten Schritt wird der gravimetrische Faktor berechnet.
Anschließend wird dieser Wert in die Formel eingesetzt, um den Massenanteil der zu bestimmenden Substanz zu berechnen.
In der Fe(III)-Salzlösung befand sich demnach eine Menge von 874 mg Eisen.
Gravimetrische Bestimmung von Nickel
Die gravimetrische Bestimmung von Nickel ist eines der bekanntesten Verfahren aus der Gravimetrie. Ausgangssituation ist eine wässrige Probelösung mit Nickel(II) versetzt. Dieser Lösung wird tropfenweise eine alkoholische Lösung hinzugefügt, bis kein Niederschlag mehr ausfällt. Es handelt sich bei der alkoholischen Lösung um Dimethylglyoxim.
In einer schwach sauren bis alkalischen Lösung bilden Nickelionen ein schwerlösliches Salz. Bevor der rötliche Niederschlag weiter aufbereitet werden kann, wird zunächst das Ethanol verkocht. Anschließend wird der Niederschlag filtriert, gewaschen und schließlich bis zur Massenkonstanz getrocknet. Daraus geht folgende Reaktionsgleichung hervor, mit H(DMG)=Dimethylglyoxim.
Die Dosierung in der Gravimetrie
Die Dosierung in der Gravimetrie läuft auf zwei Arten ab. Entweder kontinuierlich oder nach der Batch-Dosierung. Der Aufbau beider Verfahren ist jedoch ähnlich.
Abbildung 2: gravimetrisches Dosiersystem
Kontinuierliche Dosierung
Kaum von volumetrischen Dosierung unterscheidet sich die kontinuierliche gravimetrische Dosierung. Hier kann die Fördergeschwindigkeit individuell angepasst werden. Der Zielbehälter wird mit Wiegezellen ausgestattet, um das Gewicht zu verfolgen.
Gravimetrische Batch-Dosierung
Die gravimetrische Batch-Dosierung beschreibt das Verfahren mittels eines mit Wiegezellen ausgestatteten Zielbehälters. Mithilfe eines Austragungselementes wird der Niederschlag in den Zielbehälter gegeben, bis das gewünschte Gewicht erreicht ist.
Gravimetrie - Das Wichtigste
- Die Gravimetrie zählt zu den klassischen Methoden der quantitativen Analytik und befasst sich mit der Bestimmung von Massen mittels der Auswaage von Niederschlägen.
- Es handelt sich um eine Fällungsreaktion, bei der die Edukte in einer Lösung gelöst vorliegen und mindestens ein Produkt als schwerlöslicher Niederschlag ausfällt.
- Der Ablauf erfolgt in sechs Schritten:
- Vorbereitung der Probe und Entnahme
- Fällung des zu bestimmenden Bestandteils
- Filtrieren / Auswaschen des Niederschlags
- Trocknen des Niederschlags
- Auswaage
- Berechnung des Ergebnisses
- Mit dem gravimetrischen Faktor berechnest Du die Masse a des zu bestimmenden Stoffes. bzw.
Nachweise
- Abbildung 1: Analysenwaage (https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Electronic_analytical_balance.png) by David Harvey licensed by CC BY-SA 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/4.0/deed.en)
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