Gravimetrie

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.

• Gravimetrie
• Volumetrie

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.

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.

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.

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:

1. Vorbereitung der Probe und Entnahme
2. Fällung des zu bestimmenden Bestandteils
3. Filtrieren / Auswaschen des Niederschlags
4. Trocknen des Niederschlags → Wägeform
5. Auswaage
6. 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.

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.

$$\begin{gathered} \mathrm{\lambda }=\frac{\mathrm{a}}{\mathrm{A}}|\mathrm{a}\mathrm{ist}\mathrm{gesucht} \\ \mathrm{a}=\mathrm{\lambda }\times \mathrm{A} \end{gathered}$$

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.

Somit lässt sich der gravimetrische Faktor λ mithilfe der folgenden Formel bestimmen:

$\mathrm{\lambda }=\frac{\mathrm{k}\times {\mathrm{M}}_{\mathrm{s}}}{{\mathrm{M}}_{\mathrm{w}}}$

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.

${\mathrm{Ni}}^{2+}+2\mathrm{H}\left(\mathrm{DMG}\right)\to \mathrm{Ni}{\left(\mathrm{DMG}\right)}_2\downarrow +2{\mathrm{H}}^{+}$

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.