Gravimetrie_Zusammenstellung

Praktikum Chemie I – WS 2006/2007
Versuch 4: Quantitative Bestimmung des Nickel- und
Kupfergehaltes in Münzen durch Gravimetrie und
Redoxtitration
Verfasser
Annette Altwegg, Patricia Doll, Sylvie Ruch
Versuchsteilnehmer
Annette Altwegg, Patricia Doll, Sylvie Ruch
07.01.07
Assistent
Dean Glettig
[email protected], [email protected], [email protected]
Chemie: Praktikum I
Gravimetrie / Redoxtitration
1. Zusammenfassung
1.1. Versuch 1
Der Nickelgehalt einer 10-Rappen Schweizer-Münze wurde mit Hilfe der Gravimetrie
bestimmt. Die Münze wurde aufgelöst und durch Komplexbildung ausgefällt. Durch
die zweimalige Durchführung konnte das Gewichtsprozent bestimmt werden. Die
Messwerte (Gewichtsprozent von Nickel: 25.22 %  0.01 %) liegen nur ganz wenig
über den Literaturwerten (25% [1]). Die Abweichung dürfte davon kommen, dass das
Endprodukt andere Anteile enthält als nur den Ni-Komplex.
1.2. Versuch 2
Der Kupfergehalt einer 10-Cent Euro-Münze wurde mittels der Iodometrie bestimmt.
Nach der Oxidation (Auflösung) der Metalle wurde eine Redoxtitration mit einer
Thiosulfatlösung durchgeführt.
Drei Versuche lieferten einen Mittelwert von 92.31% ± 0.1432% Massenprozent
Kupfer. Dieser Wert liegt rund 3% über dem Literaturwert von 89%. Die etwas
erhöhten Resultate lassen sich wohl dadurch erklären, dass das Ende der Titration
nicht ganz genau erkannt werden kann und somit tendenziell etwas zu viel
Thiosulfatlösung beigegeben wird.
Annette Altwegg, Patricia Doll, Sylvie Ruch
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Chemie: Praktikum I
Gravimetrie / Redoxtitration
2.Einführung
2.1. Ziel des Versuchs
In einem ersten Versuch sollte der Nickelgehalt, in einem zweiten der Kupfergehalt
einer Münze bestimmt werden.
2.2. Leitsubstanzen
Es wurde der Nickelgehalt eines 10-Rappen Schweizer-Münze und der Kupfergehalt
einer 10-Cent Euro-Münze bestimmt.
2.3. Chemisches Hintergrundwissen
2.3.1. Gravimetrie
Die Gravimetrie ist eine Methode, um Konzentrationen in einer Lösung zu
bestimmen, wobei die zu bestimmende Substanz meist als Ion vorliegt. Nach einer
selektiven Fällung kann die Stoffmenge mittels genauem Abwägen ermittelt werden.
Hierzu muss die Stöchiometrie (somit der Massenanteil des untersuchten Stoffes)
bekannt sein.
2.3.2. Iodometrie
Die Iodometrie ist ein Redoxtitrationsverfahren. Das Iodid-Anion kann Substanzen in
einer Lösung reduzieren. Durch eine farbliche Änderung kann das Ende des RedoxVorganges erkannt werden. Wiederum muss zur Berechnung der titrierten Substanz
die Stöchiometrie des Redox-Prozesses genau bekannt sein.
2.4 Methoden
2.4.1. Oxidation von Nickel und Kupfer
Die Metalle der Münzen wurden mit konzentrierter Salpetersäure (HNO 3) oxidiert.
Dabei liefen folgende Redox-Prozesse ab:
Cu (s)
→
Cu2+ (aq) + 2 e-
Ni (s)
→
Ni 2+ (aq) + 2 e-
NO3- (aq) + 2 H+ (aq) + 1 e-
→
NO2 (g) + H2O (l)
Das Reaktionsprodukt der Salpetersäure kann je nach Reaktionsbedingungen
(Säurekonzentration, Temperatur, Stärke des Reduktionsmittels) variieren. Bei dieser
Reaktion überwiegt aber die Bildung des Stickstoffdioxids (NO2).
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Gravimetrie / Redoxtitration
2.4.2. Komplexbildung mit Dimethylglyoxim
Dimethylglyoxim bildet mit den Nickelionen einen schwerlöslichen Komplex. Die
Ausfällung ist aber nicht vollständig selektiv, da auch der Kupferkomplex teilweise
ausfällt. Um Resultatverfälschungen durch anderweitige Ausfällungen zu verhindern,
wurden Thiosulfat-Anionen beigefügt. Diese bilden mit Kupfer einen gut
wasserlöslichen Komplex ( Cu(S2O3)35- ). Somit war das Kupfer maskiert.
Durch die Zugabe von Weinsäure wurden auch weitere Metallionen komplexiert. Dies
sollte die Ausfällung schwerlöslicher Hydroxide (z.B. mit Cu, Ni, Fe, Al, Cr)
verhindern.
2.4.3. Iodometrische Bestimmung von Kupfer
Werden der wässrigen Lösung nach der Oxidation von Kupfer (2.4.1) Iodid-Anionen
beigefügt, läuft folgende Reaktion ab:
2 Cu2+ (aq) + 4 I- (aq)
↔
2 CuI (s) + I2
(I)
Kupfer(I)Iodid ist schwerlöslich. Sind die Iodid-Anionen im Überschuss, so reagiert
Cu2+ also zu einem grossen Teil. Nun kann das freigesetzte Iod mit einer
Thiosulfatlösung titriert werden.
I2 + 2 S2O32- (aq)
↔
S4O62- (aq) + 2I-
(II)
Dadurch, dass das Iod weiterreagiert und neue Iodid-Anionen gebildet werden, wird
das Gleichgewicht in der Gleichung (I) weiter nach rechts verschoben. Wichtig ist
nun die Reaktion des Iods mit den Iodid-Anionen:
I2 + I- (aq)
↔
I3- (aq)
(III)
Denn I3- färbt die wässrige Lösung braun-rot, wobei diese Farbe für den Menschen
noch bis zu einer Iodkonzentration von 5 · 10-5 M als gelb wahrnehmbar ist.
Ist alles Kupfer reagiert, wird kein neues Iod mehr nachgebildet (I). Durch weitere
Zugabe von Thiosulfatlösung, wird das Gleichgewicht in Reaktion (II) nach rechts
verschoben, die Iodkonzentration nimmt ab. Somit verschiebt sich das Geichgewicht
von Reaktion (III) nach links, die I3- Konzentration nimmt ab. Diese Abnahme kann
als Abschwächung der Farbintensität beobachtet werden, bis die Lösung vollständig
farblos erscheint. Somit kann das Ende der Titration von Auge bestimmt werden.
2.5. Hypothese
1) Gelingt es, die Nickelionen selektiv aus der Lösung der aufgelösten Münze zu
fällen, dann kann mittels Gravimetrie auch bestimmt werden, wie viel
Gewichtsprozent Nickel ursprünglich in der Münze vorhanden war.
2) Ist die Stöchiomtrie der betreffenden Redox-Reaktionen genau bekannt, kann der
Kupfergehalt einer Münze mittels der Iodometrie bestimmt werden.
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3. Materialien und Methoden
3.1 Materialien
3.1.1. Geräte (Gravimetrie)
Es wurden diverse Bechergläser und Messkolben, eine Keramiknutsche sowie 2
Heizplatten verwendet.
3.1.2. Chemikalien (Gravimetrie)
Zum Auflösen der Münze wurde 65%ige Salpetersäure verwendet. Ebenso
verwendet wurde 37%ige Salzsäure sowie Weinsäure (200g/l). Zur Neutralisation
wurde eine Ammoniumhydroxidlösung (Merck) gebraucht. Ebenso verwendet wurde
Natriumthiosulfat
(200g/l),
eine
Dimethylgloxim-Lösung(Flucka,10g/l
in
Ethanol(Merck)), sowie eine Ammoniumacetat-Lösung (Meck, 200g/L).
3.1.3. Geräte (Iodometrie)
Um das Flüssigkeitsgemisch zu erhitzen, wurde ein Magnetrührer benutzt. Es wurde
ebenfalls eine Titrationsapparatur gebraucht.
3.1.4. Chemikalien (Iodometrie)
Es wurde eine 95-97% Schwefelsäure von Merck, pro Analysi verwendet. Eine
100% Salpetersäure ebenfalls von Merck, pro Analysi wurde auch benutzt. Weiter
wurden wasserfreies Natriumthiosulfat, Stärke und Harnstoff, welche keine Angaben
besassen, verwendet.
3.2. Methoden
3.2.1. Gravimetrischer Versuch
3.2.1.1. Auflösen der Münze
Der Jahrgang der Münze wurde notiert. Sie wurde mit Ethanol und Aceton gereinigt
und danach getrocknet. Sie wurde gewogen und in ein 500 ml Becherglas gegeben.
20 ml der Salpetersäure wurde zugegeben. Die Lösung wurde auf ca. 50 °C erwärmt.
Nach 20 min wurde sie zum Sieden erhitzt. Salzsäure wurde dazugegeben bis keine
Gase mehr entstiegen.
3.2.1.2. Herstellung einer Stammlösung der gelösten Metallionen
Die Lösung wurde in einen 1000 ml Messkolben transferiert. Das Becherglas wurde
mehrmals mit entionisiertem Wasser gespült und dieses Wasser ebenfalls in den
Messkolben gegeben. Der Messkolben wurde bis 1000 ml mit entionisiertem Wasser
aufgefüllt.
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3.2.1.3. Bestimmung des Nickelgehalts der Stammlösung
Es wurden 2 parallele Ansätze vorbereitet (Je 100 ml der Stammlösung in einem
Becherglas). Zu jeder dieser Stammlösung wurde 10 ml Weinsäure zugegeben. Der
pH-Meter
wurde
installiert.
Beide
Lösungen
wurden
mit
der
Ammoniumhydroxidlösung neutralisiert bis sie leicht alkalisch wurden (pH 7-7.5).
Salzsäure wurde zugefügt, bis die Lösungen einen pH zwischen 3 und 5 hatten. Die
Bechergläser wurden auf ein Gesamtvolumen von 200 ml mit entionisiertem Wasser
aufgefüllt. Die Lösungen wurden auf 45 °C aufgeheizt. Unter Rühren wurde 15 ml
Natriumsulfat zugetröpfelt. Zur pH Korrektur (Sollwert < 5) wurde noch wenig HCl
zugegeben. Nach 10 min wurde 40 ml der Dimethylglyoxim-Lösung zugegeben.
Sofort wurde 40 ml der Ammoniumacetat-Lösung zugefügt. Zur Korrektur des pH's
(Sollwert zwischen 6.5 und 7) wurde Ammoniumhydroxid verwendet. Nickel begann
auszufallen. Die Mischung wurde 30 min bei Raumtemperatur abgekühlt. Der
Komplex wurde mit der Keramiknutsche abgesaugt. Das Filterpapierchen wurde
zuvor gewogen. Es wurde mit entionisiertem Wasser nachgewaschen, wobei der
Komplex nicht komplett trocken gesaugt wurde. Die Nutsche mit Inhalt wurde über
Nacht im Trockenschrank getrocknet. Das Papierchen mit dem Nickelkomplex wurde
gewogen.
3.1.2. Iodometrischer Versuch
3.1.2.1. Sicherheitsvorkehrungen
Die bei der Auflösung der Kupfermnze entstehenden Stickstoffoxide haben in hohen
Konzentrationen einen beissenden stechenden Geruch. In geringen Konzentrationen
sind sie jedoch nicht gut bemerkbar, aber trotzdem gefährlich. Wenn man diese
Stickstoffoxide einatmet können diese Schäden an der Lunge verursachen. Deshalb
muss im Abzug vorsichtig gearbeitet werden und besonders darauf geachtet werden,
dass diese Gase nicht eingeatmet werden.
3.1.2.2. Aufbau der Titrationsapparatur
Zur Titration muss eine Titrationsapparatur aufgebaut werden. Dazu benötigt man ein
Stativ an welchem mit einer Bürettenklammer eine 50 ml Bürette befestigt wurde.
Darunter wurde ein Magnetrührer gestellt.
Abb. 1. Titrationsapparatur
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3.1.2.3. Ablauf des Versuches
Das 10 Cent Euro Stück wurde gewogen und anschliessend mit 20 ml 65%
Salpetersäure in ein 250 ml Becherglas gegeben. Dies sollte mit grösster Sorgfalt im
Abzug gemacht werden. Die Salpetersäure wurde aus einer 100% Salpetersäure
hergestellt. Dafür wurden 65 ml der 100% Salpetersäure in einen 100 ml Messkolben
gegeben und dieser wurde bis zur Markierung aufgefüllt. Es wurde ebenfalls noch
etwas deion. Wasser dazugegeben. Dies sollte getan werden, wenn es einen
bläulichen Niederschlag ergibt. Danach wurden 20 ml der 95-97% Schwefelsäure
dazu gegeben. Diese Lösung wird nun im Abzug auf dem Magentrührer unter
ständigem rühren zum Sieden gebracht. Wenn keine braunroten oder weisse Gase
entweichen, ist die Auflösung beendet. Die Lösung wurde anschliessend auf
Raumtemperatur abgekühlt.
Danach wurde die Lösung mittels eines Trichters in einen 250 ml Messkolben
geleert. Der Messkolben wurde mit deion. Wasser bis zur Markierung aufgefüllt.
Der folgende Vorgang wurde dreimal durchgeführt: 25 ml der gemachten Lösung
werden mit einer 25 ml Vollpipette in einen 100 ml Erlenmeyerkolben pipettiert. Unter
Rühren wurden 10 ml Harnstofflösung (100g/l) dazugegeben. Nach 5 Minuten
werden 2 g Kaliumiodid unter vorsichtigem schwenken dazugegeben. Dabei entsteht
ein braun-grüner Niederschlag. Das Ganze wird stehen gelassen, damit der
Niederschlag sedimentieren kann. Wenn die überstehende rote Lösung gut
erkennbar ist, kann mit der Titration begonnen werden.
Die Lösung wird mit 0.2 M Natriumthiosulfatlösung titriert. Dabei wird zwischendurch
der Erlenmeyerkolben mit der Lösung etwas geschwenkt, damit nach der
Sedimentation, die Farbe der Lösung betrachtet werden kann. Dies wird solange
gemacht bis die Lösung eine weissliche Farbe ohne jeglichen Rosastich besitzt.
3.1.2.4. Berechnungen
Kupfergehalt:
Beispiel: 44.6 ml der 0.2 M Natriumthioslufatlösung wurden zum titrieren benötigt.
0.0446 l *0.2 mol/l = 0.00892 mol
Diese Anzahl mol entspricht genau der Konzentration von Kupfer in der Lösung. Da
25 ml aus einer 500 ml Lösung genommen wurde, muss das Ganze mit 20
Multipliziert werden. Es muss auch durch drei geteilt werden, da drei Münzen in
dieser Lösung gelöst wurden. Dann bekommt man die Anzahl mol in einer
Kupfermünze.
0.00892mol  20  0.092ml  0.1784mol 3  0.059467mol  0.059467  63.546 gmol 1  3.77887 g
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Mittelwert des Gewichtes der drei Münzen:
4.106 g  4.098g  4.098g  3  4.0997  3.77887 g  100  92.18%
4.0997 g
Mittelwert: Die anderen Messungen ergaben 44.8 ml und 44.6 ml.
20
0.0448l  0.2mol  l 1  0.00896mol  0.00896mol 
 0.059733mol
3
(0.059733mol  0.059467mol  0.059476mol ) 3  0.059556mol
0.059733mol  63.546 g  mol 1  3.78452 g
3.78452 g
 100  92.31%
4.0997 g
Fehlerrechnung:
f g  
BenötigteNatriumtiosulfatlösung   0.2mol  l 1  20  63.546 g  mol 1 100
3  4.0997 g
BenötigteNatriumtiosulfatlösung   0.2mol  l 1  20  63.546 g  mol 1  100
f ' g  
3
   f  g   g 
2
Beispiel: 44.6 ml Natriumthiosulfatlösung, Δg= 0.001
  0.0446  0.2  20  63.546  100 3  0.001  0.142798
2
Mittelwert: 44.6667 ml Natriumthiosulfatlösung, Δg= 0.001
  0.0446667  0.2  20  63.546  100 3  0.001  0.143226
2
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4. Resultate
4.1. Versuch 1 (Gravimetrie)
4.1.1. Messungen
Jahrgang der Münze:
1994
Masse der Münze:
3.005 g  0.001 g
Masse des 1. Papiers:
0.264 g  0.001 g
Masse des 2. Papiers:
0.269 g  0.001 g
Masse des 1. Papiers mit Komplex:
0.632 g  0.001 g
Masse des 2. Papiers mit Komplex:
0.646 g  0.001 g
4.1.2. Berechnungen
Molmasse des [Ni(HDMG)2]:
Molmasse des Nickels:
Molmasse des Kupfers:
Masse 1 des Nickelkomplex:
Masse 2 des Nickelkomplex:
288.915 g/mol
58.69 g/mol
63.54 g/mol
0.368 g  0.001g
0.377 g  0.001g
Mittelwert:
0.373 g  0.002 g
Standardabweichung:
0.006
Gewichtsprozent von Nickel:
25.22 %  0.5 %
Molprozent von Nickel
26.74 %  0.5 %
4.2. Versuch 2 (Iodometrie)
Tab. 1. Anzahl mol und Kupfergehalt einer 10-Cent Euro-Münze
Anzahl Mol Kupfer der Münze Kupfergehalt
der
[mol]
[Massenprozent]
1. Messung
0.059467
92.18 +/- 0.1428
2. Messung
0.059733
92.59 +/- 0.1441
3. Messung
0.059467
92.18 +/- 0.1428
Mittelwert
0.059556
92.31 +/- 0.1432
Standardabweichung 0.000125394
0.1933046
Münze
Zwei der drei Messungen ergaben denselben Wert. Die dritte war geringfügig höher
als die anderen zwei. Die drei Messwerte liegen jedoch ungefähr im selben Bereich.
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Chemie: Praktikum I
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5. Diskussion
5.1. Versuch 1 (Gravimetrie)
5.1.1. Betrachtungen der Resultate
Das erhaltene Gewichtsprozent von 25.22 liegt etwas über den Angaben der
Literaturwerte von 25 % [1]. Dies wird daran liegen, dass das Endprodukt noch
andere Substanzen als den Nickelkomplex enthält. Ebenso wird der Literaturwert
einen gewissen Fehler aufweisen und von Münze zu Münze leicht varieren.
Da die zwei Proben einen ähnlichen Wert aufweisen (0.368 g und 0.377 g
Nickelkomplex), kann davon ausgegangen werden, dass präzise gearbeitet wurde.
Ausserdem wurde bei beiden Proben jeweils die Farbe beobachtet, die zu erwarten
war.
5.1.2. Verbesserungen
Der grösste Fehler liegt wohl in der ungenügenden Reinheit des Endproduktes. So
ist anzunehmen, dass am Schluss noch andere Substanzen als der Nickelkomplex
gewogen wurde. Für genauere Resultate sollten mehr als zwei parallele Ansätze
durchgeführt werden. Auch von Nutzen wäre, den Versuch mit mehreren Münzen
durchzuführen. Da der Nickelgehalt der einzelnen Münzen durch die Herstellung
leicht schwanken kann, haben sie auch einen gewissen Fehler gegenüber der
Literaturangabe.
5.1.3. Schlussfolgerungen
Durch Gravimetrie kann der Nickelanteil in einer Münze relativ genau bestimmt
werden.
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Chemie: Praktikum I
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5.2. Versuch 2: Kupfergehalt der 10-Cent Euro-Münze
Tab. 2. Kupfergehalt einer 10 Cent Euro Münze verglichen mit dem Theoretischen Wert
Anzahl Mol Kupfer der Münze Kupfergehalt
der
[mol]
[Massenprozent]
1. Messung
0.059467
92.18 +/- 0.1428
2. Messung
0.059733
92.59 +/- 0.1441
3. Messung
0.059467
92.18 +/- 0.1428
Mittelwert
0.059556
92.31 +/- 0.1432
Standardabweichung 0.000125394
0.1933046
Münze
Der theoretische Wert des Kupfergehalts beträgt 89%. Das 10 Cent Eurostück
besteht aus dem so genannten nordischen Gold. Diese Legierung besteht zu 89%
aus Kupfer, aber auch zu je 5% aus Aluminium und Zink und zu 1% aus Zinn.
Wie aus der Tabelle ersichtlich, weichen die gemessenen Werte des Kupfergehaltes
leicht von den Theoretischen Werten ab. Die Abweichung beträgt ca. 3%. Diese
Abweichung lässt sich dadurch erklären, dass die Titration kein Mittel zur absolut
genauen Bestimmung ist. Die Ungenauigkeit kommt daher, dass die Titration von
der optischen Beobachtung des Testers abhängt. Ausserdem, war es bei dieser
Titration besonders schwierig zu sagen, ob die Flüssigkeit nun bereits farblos ist oder
noch nicht ganz. Deshalb tendiert man dazu, etwas mehr Titrans beizugeben als
eigentlich nötig. Dies könnte die erhöhten Werte erklären. Da diese Ungenauigkeit
nicht messbar ist, kann sie auch nicht in die Fehlerrechnung eingebaut werden.
Man kann jedoch sagen, dass diese Methode zur Bestimmung des Kupfergahltes
geeignet ist. Es ergeben sich zuverlässige Werte die jedoch meist etwas höher sind
als die theoretischen Werte.
6. Quellenverzeichnis
1.
http://www.swissmint.ch/d/produkte/
am 14.12.2006
2.
http://htl17.at/Teatime/Projekte/Projekte2004/10Cent/DeckblattZusammenfassung.doc
Eingesehen am 27.12.06
3.
Versuchsanleitung: 4. Versuch 4: Quantitative Bestimmung des Nickel- und
Kupfergehaltes in Münzen durch Gravimetrie und Redoxtitration
(Studiengang Materialwissenschaft, Chemie Praktikum I, WS 2006/07)
Annette Altwegg, Patricia Doll, Sylvie Ruch
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