nickel-cobalt_clcr - Universität Regensburg

Universität Regensburg
Institut für Anorganische Chemie - Lehrstuhl Prof. Dr. A. Pfitzner
Demonstrationsversuche im Wintersemester 2010/2011
Dozentin: Dr. M. Andratschke
Referenten: Christoph Lorenz, Christiane Rückerl
12.11.2010
Cobalt und Nickel
1. Allgemeines:
Cobalt [1a]
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Namensgeber der Cobaltgruppe
9. Gruppe bzw. 2. Spalte der VIII.
Nebengruppe des Periodensystems der
Elemente
Ordnungszahl 27
am Aufbau der Erdhülle beteiligt
Nickel [1b]
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•
Namensgeber der Nickelgruppe
10. Gruppe bzw. 3. Spalte der VIII.
Nebengruppe des Periodensystems
der Elemente
Ordnungszahl 28
am Aufbau der Erdhülle beteiligt
1.1 Geschichtliches: [1a, 1b]
„Das Metall Cobalt wurde zum ersten Mal 1735 von dem schwedischen Chemiker Georg
Brandt dargestellt und als neues Element erkannt.“ [1a]
1751 hat der Schwede Alexander F. Cronstedt Nickel aus einheimischen Erzen als neues
Metall isoliert. Der Schwede Torbern Bergman hat dieses 1775 näher charakterisiert.
Cobalt und Nickel erhielten ihren Namen von den bösen Erdgeistern Kobold und Nickel.
Diese wurden dafür verantwortlich gemacht, dass die Erze, wie CoAs und NiAs, welche ein
schönes, viel versprechendes Aussehen besaßen, beim Rösten einen üblen, Knoblauchähnlichen Geruch entwickelten. Dieser Geruch entstand aufgrund des Arsengehalts. Leider
konnte man aus den Rückständen kein wertvolles Metall, wie z. B. Kupfer, herstellen.
1.2 Physiologisches:
Cobalt [1a]
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•
essentielles Spurenelement für Menschen (Tagesbedarf circa 0,1 µg)
Bestandteil des Vitamins B12 zur
Erneuerung roter Blutkörperchen
Große Dosen (25-30 mg pro Tag)
Î Haut-/ Lungenerkrankungen, Leber-/
Herz-/ Nierenschäden, Krebsgeschwüre
Nickel [1b]
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•
•
Für Mensch und andere Lebewesen
essentiell (Blut circa 0,003 mg/l;
Haare circa 0,22 mg/kg)
Beteiligung am KohlenhydratStoffwechsel
Nickelstäube/ -verbindungen toxisch
und krebserzeugend
1
1.3 Physikalische Eigenschaften:
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•
•
Cobalt [1c]
Stahlgraues, glänzendes, ferromagnetisches, hartes Metall (härter als Eisen)
Schmelzpunkt 1495 °C
Siedepunkt 3100 °C
•
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•
•
Nickel [1d]
Silberweißes, zähes, dehnbares,
schwach ferromagnetisches Metall
Schmelzpunkt 1453 °C
Siedepunkt 2730 °C
Leitet Wärme und Strom gut
1.4 Chemische Eigenschaften:
•
•
•
•
Cobalt [1c]
Oxidationsbeständiger als Eisen
wird von feuchter Luft nicht, von nicht
oxidierenden Säuren nur langsam
und verdünnter Salpetersäure leicht
angegriffen
Bildung einer nichtmetallischen
Schutzschicht (Passivierung) durch
konzentrierte Salpetersäure
In Verbindungen meist Oxidationsstufen +2 und +3
•
•
•
•
Nickel [1e, 1f]
wird von nicht oxidierenden Säuren bei
Raumtemperatur nur langsam und von
verdünnter Salpetersäure leicht gelöst
Bildung einer nichtmetallischen Schutzschicht (Passivierung) durch konzentrierte Salpetersäure
beständig gegenüber Alkalihydroxiden
bei 300 °C - 400 °C Î Nickeltiegel in
Laboratorien zum Schmelzen von
NaOH und KOH
In Verbindungen kommt hauptsächlich
die Oxidationsstufe +2 vor
1.5 Verwendung:
•
Cobalt [1c]
„in Form von „Smalte“ (gepulvertes
Kalium-cobaltsilicat) zur Blaufärbung (Cobaltblau) farbloser Glasflüsse oder Entfärbung eisenhaltiger und deshalb gelber Glasflüsse
in der Keramik- und Glasindustrie“
[1c]
•
Legierungsbestandteil:
o Herstellung korrosionsbeständiger Legierungen
o Legierungen für Permanentmagneten
•
60
Verwendung des Nuklids 27
Co als
Quelle für γ-Strahlen in der Medizin
•
Nickel [1d, 1e, 1f]
Wegen Polierbarkeit und Widerstandsfähigkeit gegenüber Wasser und Luft Î
Vernickelung vieler Haushalts- und
Küchengeräte
•
Legierungsbestandteil:
o Nickelstahl (besonders hart, zäh,
korrosionsbeständig)
o Kupfernickellegierungen
ƒ „Monelmetall“: Apparaturen
zum Arbeiten mit Fluor
ƒ „Neusilber“: Essbesteck
ƒ „Cupronickel“ (bis 80 %
Nickel): Münzen
•
Nickelbatterien
•
Metallhydrid-Nickel-Akkumulatoren
2
2. Versuche
2.1 Komplexe des Ni(II)-Kations [1g]
Chemikalien:
Nickel(II)-sulfat-hexahydrat (NiSO4·6 H2O)
Ammoniak (NH3)
Dimethylglyoxim (C4H8N2O2)
Geräte:
vier große Reagenzgläser
Durchführung:
Man stellt eine wässrige Lösung aus dem Nickel(II)-sulfat-hexahydrat her. Dann werden zwei
Reagenzgläser mit gleichem Volumen dieser Lösung befüllt. Anschließend werden wässrige
Lösungen von Ammoniak und Dimethylglyoxim in je ein großes Reagenzglas gefüllt. Im
nächsten Schritt werden zu den wässrigen Lösungen von Ammoniak und Dimethylglyoxim
jeweils die wässrigen Lösungen aus dem Nickel(II)-sulfat-hexahydrat gegeben.
Beobachtung:
Nach Zugabe der Reagenzien konnte in beiden Reagenzgläsern eine Farbänderung beobachtet werden, die sich folgendermaßen darstellt:
¾ Nickel(II)-sulfat-hexahydrat + Ammoniak: blau
¾ Nickel(II)-sulfat-hexahydrat + Dimethylglyoxim: scharlachrot
Erklärung:
Diesen Farbreaktionen liegen Ligandenaustauschreaktionen zugrunde, d. h. um das Zentralteilchen (hier: Ni2+) lagern sich statt H2O-Molekülen Liganden in Form von NH3 und C4H8N2O2
an. Im Folgenden werden die Strukturformeln und Reaktionsgleichungen angeführt.
Tab. 1 Übersicht über die neu entstandenen Komplexe [1g, 2]
[Ni(NH3)6]2+
[Ni(C4H7N2O2)2]
2+
NH3
NH3
NH3
NH
H2
NH3
NH
O
Ni
H
Ni
NH3
OH
O
NH
H
CH
4
NH
OH
NH3
[Ni(H2O)6]2+ + 6 NH3 → [Ni(NH3)6]2+ + 6 H2O
[Ni(H2O)6]2+ + 2 C4H8N2O2 → [Ni(C4H7N2O2)2] + 6 H2O + 2 H+
3
2.2 „Zauberlaub“ [3]
Chemikalien:
Cobaltchlorid (CoCl2)
Nickelchlorid (NiCl2)
Geräte:
saugfähiges Zeichenpapier (DIN A3)
Filterpapier
zwei Bechergläser
Durchführung:
Auf drei saugfähigen DIN A3 Blättern wird jeweils ein kahler Baum skizziert (s. Abb. 1). Man
bereitet zwei stark verdünnte, wässrige Lösungen von NiCl2 und CoCl2 vor. Die wässrige
Nickelchloridlösung ist schwach grünlich gefärbt, die wässrige Cobaltchloridlösung leicht
rosa. Mit einem Filterpapier, das in je einer Lösung getränkt wurde, werden die Stellen des
fehlenden Laubes aufgetragen, wobei auf zwei Blättern nur jeweils eine Lösung aufgetragen
wird und auf das dritte Blatt beide Lösungen zu gleichen Teilen. Mit einem Heißluftföhn werden die lösungsgetränkten Stellen erwärmt.
Beobachtung:
Abb. 1 Schematische Darstellung des Versuchs [3]
Es treten nun Farbänderungen ein:
¾ NiCl2-Lösung wird gelb
¾ CoCl2-Lösung wird blau
¾ NiCl2 und CoCl2-Lösung zu gleichen Teilen werden grün
Erklärung:
Wasserhaltiges Nickel(II)-chlorid ist schwach grünlich gefärbt, wasserfreies Nickel(II)-chlorid
gelb. Wasserhaltiges Cobalt(II)-chlorid ist schwach rosa gefärbt, bei entsprechender Verdünnung kaum sichtbar. Beim Erwärmen entsteht die kräftig blaue Farbe des wasserfreien
Cobalt(II)-chlorids. Bei gleichen Teilen beider Lösung resultiert die grüne Farbe aus der
Mischung nach dem Erwärmen:
4
[Co(H2O)6]2+ + 2 Cl[Ni(H2O)6]2+ + 2 Cl-
∆T
∆T
CoCl2 + 6 H2O
NiCl2 + 6 H2O
2.3 Nachweis von Cobalt als Co[Hg(SCN)4] [4a]
Chemikalien:
Cobalt(II)-chlorid (CoCl2)
Ammoinumthiocyanat (NH4SCN)
Quecksilberchlorid (HgCl2)
Geräte:
drei große Reagenzgläser
eine Pipette
Durchführung:
Man stellt jeweils eine wässrige Lösung des Cobalt(II)-chlorids und des Quecksilber(II)chlorids mit Ammoniumthiocyanat her. Nun werden ein paar Tropfen der letzteren Lösung mit
einer Pipette zu der wässrigen Cobalt(II)-Lösung gegeben.
Beobachtung:
Es bildet sich ein tiefblauer Niederschlag.
Erklärung:
Der vorliegenden Reaktion liegt eine Komplex-Bildungsreaktion zugrunde. Die drei Salze
dissoziieren beim Lösevorgang. Co[Hg(SCN)4] ist sehr schlecht wasserlöslich. Deshalb wird
das Löslichkeitsprodukt im Wasser überschritten, wodurch sich ein Niederschlag bildet, der
eine blaue Farbe aufweist.
Co2+ + [Hg(SCN)4]2- → Co[Hg(SCN)4]
Die folgende Kristallaufnahme zeigt den blauen Niederschlag bei 100 facher Vergrößerung
im Mikroskop
Abb. 2 Kristallaufnahme von Co[Hg(SCN)4] [4b]
5
3. Lehrplanbezug [5]
Im Lehrplan der Realschule wird die Chemie der d-Block-Elemente nicht aufgeführt, weshalb
die Schüler die gezeigten Versuche fachlich nicht verstehen können. Die Versuche lassen
sich dennoch in den Unterricht integrieren, unter anderem bei besonderen Anlässen, wie bei
Tagen der offenen Tür, bei Einführungsstunden etc. Dies dient dazu, bei den Schülern
Interesse und Begeisterung für das Fach Chemie zu wecken.
4. Quellen:
•
•
•
Text:
o
[1] A. F. Holleman, E. und N. Wiberg: Lehrbuch der Anorganischen Chemie,
102. Auflage, Walter de Gruyter-Verlag, Berlin, New York, 2007,
[1a] S. 1681
[1b] S. 1709
[1c] S. 1682
[1d] S. 1710
[1e] S. 1710
[1f] S. 1711
[1g] S.1715
Ergänzung zu [1g] Demonstrationsvortrag in Anorganischer Chemie: A. Altmann, J. Schmid; Cobalt und Nickel, 09.12.2005, Wintersemester 2005/2006,
Regensburg
o [3] K. Häusler, H. Rampf, R. Reichelt: Experimente für den Chemieunterricht,
2. Auflage, Oldenbourg Verlag, München, 2005, S. 342
o [4] G. Jander, E. Blasius: Lehrbuch der analytischen und präparativen anorganischen Chemie, 16. Auflage, S. Hirzel Verlag, Stuttgart, 2006
[4a] S. 402
o [5] Lehrplan der Realschule:
www.isb.bayern.de/isb/download.aspx?DownloadFileID=09bcb6c85f
f0ae42140f75a330808b43
www.isb.bayern.de/isb/download.aspx?DownloadFileID=84d94f2b6516a878b
d73df0d84d027dd
www.isb.bayern.de/isb/download.aspx?DownloadFileID=214c5cd82d748b497
d73d8fc20597f94
Kristallaufnahme:
o [4b] S. 701
verwendetes Zeichenprogramm:
o [2] ACD/ChemSketch, Microsoft Corporation, Version 8.0 für Microsoft
Windows, 2004
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