Ziel des Versuchs: Dieser Versuch kann durchgeführt werden, wenn die SuS den pH-Wert definieren und damit Konzentrationen berechnen können. Außerdem müssen das Massenwirkungsgesetz und Reaktionsgleichungen aufgestellt werden können. Anhand dieses Versuchs kann der Zusammenhang zwischen Ionenprodukt und Löslichkeitsprodukt deutlich gemacht werden.
| Thema: Löslichkeits- und Ionenprodukt | Tags: pH-Wert, Konzentrationen, Löslichkeitsprodukt, Berechnung | Klassenstufen: 11-12 | Versuchsart: SV |
Materialien
10 Reagenzgläser, Reagenzglasständer, pH-Meter, Pipette
Chemikalien
Salzsäure, Ammoniak-Lösung, Bismutchlorid, Eisenchlorid, Zinnchlorid, Zinkchlorid
| Gefahrstoff | H-Sätze | P-Sätze | GHS |
|---|---|---|---|
| Salzsäure 1 M | H290-H315-H319-H335 | P261-P305+P351+P338 |   |
| Ammoniaklösung 5 - 10% | H314-H335-H400 | -- |  |
| Eisen(III)-chlorid-6-H2O | H290-H302-H315-H318 | P280-P305+P351+P338 | |
| Zinn(II)-chlorid-2-H2O | H302-H314 | P280-P305+P351+P338-P310 | |
| Zinkchlorid wasserfrei | H302-H314-H410 | -- | |
Durchführung
Die vier verschiedenen Metallsalze werden im Reagenzglas mit der Konzentration 10-3 mol/L als Lösung angesetzt und mit Hilfe von Ammoniak-Lösung und Salzsäure jeweils auf die pH-Werte 0 und 9 gebracht. Anschließend wird zu jeder Lösung die gleiche Menge gesättigte H2S-Lösung hinzugegeben. In einer gesättigten H2S-Lösung kann die Schwefelionen-Konzentration konstant als etwa 10-1 mol/L angenommen werden.
Beobachtung
In allen Lösungen, die auf pH = 9 eingestellt sind, ist ein Niederschlag zu sehen. Bei der Zinkchlorid-Lösung und der Bistmutchlorid-Lösung, die auf pH ≈ 0 eingestellt sind, war ebenfalls ein Niederschlag zu erkennen.
Deutung
Es werden Sulfide nach folgenden allgemeinen Reaktionsgleichungen ausgefällt:
| für zweiwertige Metallkationen: | M2+(aq) + S2-(aq) → MS(s) |
| für dreiwertige Metallkationen: | 2 M3+(aq) + 3 S2-(aq) → M2S3 (s) |
Zur Berechnung der Löslichkeitsprodukte muss zuerst die Sulfidionen-Konzentration berechnet werden: Gegeben sind anhand der Konzentration und Gleichgewichtskonstanten der gesättigten H2S-Lösung folgende Verhältnisse:
H2S(aq) ⇌ 2 H+(aq) + S2-(aq)
| K | = |
| = | 10-21 mol2/L2 | ||
| c(H2S) | = | 10-1 mol/L |
Daraus folgt:
| K · [H2S] | = | 10-21 mol2/L2 · 10-1 mol/L | = | 10-22 mol3/L3 | |||||
| ⇒ | [S2-] | = |
| = |
|
Setzt man nun vereinfacht [H+] = 10-pH, ergibt sich mit pH = 0 und pH = 9:
| [S2-]0 = |
| = 10-22 mol/L | ||
| [S2-]9 = |
| = 10-4 mol/L |
Das Ionenprodukt berechnet sich nun über die Konzentration der Sulfidionen und der Metall-Kationen-Konzentration.
| Für zweiwertige Metallkationen: | bei pH = 0 | [M2+] · [S2-] | = | 10-3 mol/L · 10-22 mol/L | = | 10-25 mol2/L2 |
| bei pH = 9 | [M2+] · [S2-] | = | 10-3 mol/L · 10-4 mol/L | = | 10-7 mol2/L2 | |
| Für dreiwertige Metallkationen: | bei pH = 0 | [M3+]2 · [S2-]3 | = | (10-3 mol/L)2 · (10-22 mol/L)3 | = | 10-72 mol5/L5 |
| bei pH = 9 | [M3+]2 · [S2-]3 | = | (10-3 mol/L)2 · (10-4 mol/L)3 | = | 10-18 mol5/L5 |
Überblick:
| Metallkation | Ausfall |
Löslichkeitsprodukt | berechnetes Ionenprodukt |
||
|---|---|---|---|---|---|
| bei pH = 0 |
bei pH = 9 |
für pH = 0 |
für pH = 9 |
||
| Fe3+ | - | + | 4 · 10-19 mol5/L5 |
10-72 mol5/L5 | 10-18 mol5/L5 |
| Bi3+ | + | + | 1,6 · 10-72 mol5/L5 | 10-72 mol5/L5 | 10-18 mol5/L5 |
| Zn2+ | - | + | 2,5 · 10-22 mol2/L2 | 10-25 mol2/L2 | 10-7 mol2/L2 |
| Sn2+ | + | + | 10 · 10-26 mol2/L2 | 10-25 mol2/L2 | 10-7 mol2/L2 |
Ist das berechnete Ionenprodukt größer als das Löslichkeitsprodukt, ist ein Niederschlag zu erwarten. Das berechnete Ionenprodukt und der Literaturwert für das Löslichkeitsprodukt für die Bismut-Kationen-Lösung bei pH=0 sind nahezu identisch. Hier kann ein Niederschlag daher nicht sicher vorausgesagt werden.
Entsorgung
Die Entsorgung erfolgt im Abfallbehältnis für schwermetallhaltige Lösungen.
Anmerkungen & Unterrichtsanschlüsse: Erfahrungsgemäß ist der Niederschlag, der durch die angegebenen Konzentrationen bewirkt wird, nicht zeitnah und deutlich zu sehen. Die Konzentration sollte daher etwas erhöht werden. Aufgrund der Komplexität der Auswertung dieses Versuchs eignet er sich für den Abschluss der Einheit zur Berechnung des Löslichkeitsproduktes über den pH-Wert.
Literatur
R. Herbst-Irmer, Anorganisch-Chemisches Praktikum, Praktikumsskript 2013, Georg-August Universität Göttingen, S. 224.
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