3. Studieneinheit

Praktikum Chemie für Mediziner und Zahnmediziner
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3. Studieneinheit
Lernziele
•
Komplexbildungsreaktionen
•
Beeinflussung der Komplexgleichgewichte durch verschiedene Parameter
•
Farbigkeit von Komplexen, photometrische Titration
Stichworte zur theoretischen Vorbereitung
Komplexchemie, Photometrie, Komplexgleichgewicht, Komplexbildungskonstante, Lambert-BeerGesetz
Praktische Punkte
Bestimmung des unbekannten Cobaltgehaltes einer Probe durch photometrische Titration. Weniger
als 5% Abweichung vom vorgegebenen Wert: 1 Punkt, 5 – 10 % Abweichung: 0.5 Punkte, mehr als
10% Abweichung: 0 Punkte.
Gliederung
3.1 Komplexbildung zwischen Fe3+ und SCN (Versuch in Zweiergruppen)
3.2 Komplexbildung zwischen Co2+ und verschiedenen Liganden (Versuch in Zweiergruppen)
3.3 Benutzung eines Photometers (Vorführung)
3.4 Bestimmung der Ligandenzahl im EDTA-Co2+-Komplex (Versuch in Achtergruppen)
3.5 Photometrische Titration einer Co2+-Lösung mit EDTA (Versuch in Achtergruppen)
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Dritte Studieneinheit
3.1 Komplexbildung zwischen Fe3+ und SCN
Der Versuch ist in Zweiergruppen durchzuführen und umfaßt insgesamt vier Teilversuche:
Komplexbildungsreaktion, Einfluß von Verdünnung auf Farbintensität und Komplexbildungsgleichgewicht, Verschiebung des Gleichgewichts durch Erhöhung von c(Fe3+) bzw. c(SCN ),
Beeinflussung des Gleichgewichts durch Zusatz von Fremdsubstanzen.
Benötigte Geräte
10 Reagenzgläser in Reagenzglasständer
weißes Blatt Papier (selbst organisierten)
zwei 2 mL Messpipetten mit Peleusball
Spatel
zwei Pasteurpipetten
Benötigte Lösungen
Gst.-Symbole R-Sätze
entionisiertes Wasser (H2O)
-
S-Sätze
-
-
0.1 M Eisen(III)chlorid-Lösung (FeCl3)
Xn
22-38-41
0.1 M Ammoniumthiocyanat-Lösung (NH4SCN)
Xn
20/21/22-32 2-13
Natriumchlorid (NaCl)
Ascorbinsäure
-
-
-
-
-
-
-
di-Natriumhydrogenphosphat (Na2HPO4)
konz. Salzsäure (HCl)
26-39
C
34-37
26-36/37/39-45
Arbeitsvorschrift
Füllen Sie sich ausreichende Mengen an FeCl3- bzw. NH4SCN-Lösung in je ein beschriftetes
Reagenzglas (Arbeitsgefäße, zu ca. ¾ voll machen). Wenn nach Abschluß der Versuchsreihe noch
NH4SCN-Lösung übrig bleibt, dann bewahren Sie diese für Versuch 3.2 auf.
3.1.1 Komplexbildungsreaktion
Stellen Sie eine Eisenrhodanid-Lösung her. Nehmen mit Sie dazu (mit separaten Messpipetten!) je
2 mL FeCl3- Lösung und 6 mL NH4SCN-Lösung aus den Arbeitsgefäßen und mischen Sie beide
Lösungen in einem leeren Reagenzglas. Welche Farbänderung beobachten Sie?
Bewahren Sie die Eisenrhodanid-Lösung für den nächsten Versuch auf und verwenden Sie die
jeweilige Messpipette auch in den folgenden Versuchen ausschließlich für die entsprechende
Lösungen (FeCl3 bzw. NH4SCN). Formulieren Sie die zugehörige Reaktionsgleichung.
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3.1.2 Einfluß von Verdünnung auf Farbintensität und Komplexbildungsgleichgewicht
1. Geben Sie mit einer Pasteurpipette je 30 Tropfen der Eisenrhodanid-Lösung in zwei
Reagenzgläser.
2. Geben Sie in zwei andere Reagenzgläser je 0.5 mL FeCl3-Lösung.
3. Verdünnen Sie eine der beiden Eisenrhodanid-Lösungen und eine der FeCl3-Lösungen mit
entionisiertem Wasser, indem Sie die Reagenzgläser etwa bis zur Hälfte auffüllen und durch
Umschwenken homogenisieren.
4. Vergleichen Sie die Farbintensitäten von der Eisenrhodanid-Lösung und der verdünnten Eisenrhodanid-Lösung sowie der FeCl3-Lösung und der verdünnten FeCl3-Lösungen, indem Sie sie
a) von vorne
b) von oben
gegen ein Blatt weißes Papier im Hintergrund betrachten.
Erklären Sie die Beobachtung bei den FeCl3-Lösungen mit Hilfe des Lambert-Beer-Gesetzes. Je
dunkler die Lösungen erscheinen, desto größer ist die Extinktion. Berücksichtigen Sie dabei, wie
sich die Verdünnung auf die Konzentration und die Betrachtungsrichtung auf die Schichtdicke
auswirkt.
Erklären Sie die Beobachtungen für die Eisenrhodanid-Lösung ebenfalls mit Hilfe des LambertBeer-Gesetzes sowie mit der Wirkung von Verdünnung auf das Komplexgleichgewicht:
Fe3+ + 3 SCN
K=
Fe(SCN)3
c ( Fe ( SCN ) 3
(
c Fe 3 +
)
) c ( SCN ) 3
Wie wirkt sich eine Verdünnung auf die Lage des Gleichgewichts aus?
Hinweis: Die Verschiebung von Gleichgewichten in Lösung durch Verdünnung läßt sich analog zur
Verschiebung von Gleichgewichten in der Gasphase durch Druckminderung nach dem Prinzip von
Le Chatelier betrachten.
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Dritte Studieneinheit
3.1.3 Verschiebung des Gleichgewichtes durch Vergrößerung von c(Fe3+)
bzw. c(SCN )
1.
Entnehmen Sie aus dem Arbeitsgefäß 1 mL Eisenrhodanid-Lösung und geben Sie diese in ein
Reagenzglas. Verdünnen Sie die Lösung mit 10 mL ention. Wasser.
2.
Geben Sie mit einer Pasteurpipette je 30 Tropfen von der eben durch Verdünnung
hergestellten Eisenrhodanid-Lösung in drei Reagenzgläser.
3.
Geben Sie in eines der Reagenzgläser 0.5 mL FeCl3-Lösung, in das zweite 0.5 mL NH4SCNLösung. Füllen Sie das dritte mit entionisiertem Wasser so weit auf, bis es den gleichen
Füllstand hat wie die beiden anderen Reagenzgläser und homogenisieren Sie die Lösungen.
Auswertung
Erklären
Sie
die
beobachteten
Farbunterschiede
anhand
der
Verschiebung
des
Komplexbildungsgleichgewichtes nach dem Prinzip von Le Chatelier.
3.1.4 Beeinflussung des Gleichgewichts durch Zusatz von Fremdsubstanzen
1. Geben Sie mit einer Pasteurpipette je 30 Tropfen von der Eisenrhodanid-Lösung in vier
Reagenzgläser.
2. Geben Sie ins erste Reagenzglas drei Spatelspitzen Ascorbinsäure, ins zweite drei Spatelspitzen
NaCl, ins dritte drei Spatelspitzen Na2HPO4 und ins vierte 50 Tropfen konzentrierte Salzsäure.
Überlegen Sie, wie die entsprechenden Substanzen ins Komplexbildungsgleichgewicht eingreifen
und erklären Sie Ihre Beobachtungen.
Hinweis: Ascorbinsäure ist ein Reduktionsmittel, FePO4 ist eine schwerlösliche Verbindung,
HSCN ist eine schwache Säure.
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3.2 Komplexbildung zwischen Co2+ und verschiedenen Liganden
Der Versuch ist in Zweiergruppen durchzuführen. Versuchsdurchführung im Abzug!
Benötigte Geräte
2 Reagenzgläser pro Achtergruppe
3 Reagenzgläser pro Zweiergruppe
1 Stopfen
Reagenzglasständer
vier Pasteurpipetten
Spatel
Benötigte Lösungen
Gst.-Symbole R-Sätze
0.1 M Cobalt(II)chlorid-Lösung (CoCl2)
T, N
S-Sätze
49-E22-42/43- 53-22-45-60-61
50/53
Ammoniumthiocyanat (NH4SCN)
Xn
20/21/22-32
2-13
Diethylether [(C2H5)2O]
F+, Xn
12-19-22-66-67 9-16-29-33
1-Pentanol (CH3(CH2)4OH)
Xn
10-20
24/25
NH3/NH4Cl-Pufferlösung (pH = 10)
Xi
36/37/38
26
0.1 N EDTA-Lsg.
Xn
22
-
Arbeitsvorschrift
1. Füllen Sie pro Achtergruppe zwei entsprechend beschriftete Reagenzgläser etwa zur Hälfte mit
Diethylether und NH3/NH4Cl-Pufferlösung (pH = 10) (Arbeitsgefäße). Beschriften Sie pro
Zweiergruppe drei Reagenzgläser mit den Buchstaben A, B und C mit denen Sie die Versuche
A-C durchführen. Geben Sie pro Zweiergruppe je 30 Tropfen der 0.1 M CoCl2-Lösung in jedes
dieser drei Reagenzgläser.
2. Versuch A: Geben Sie zwei Spatelspitzen NH4SCN zu der CoCl2-Lösung in Reagenzglas A und
homogenisieren Sie den Inhalt. Beobachten Sie die Farbe.
Geben Sie mittels Pasteurpipetten je 25 Tropfen 1-Pentanol und 25 Tropfen Diethylether zu.
Diethylether und 1-Pentanol mischen sich nicht mit dem Wasser und bilden die obere Phase.
Verschließen Sie das Reagenzglas mit einem Stopfen, halten diesen mit dem Daumen fest und
extrahieren die wäßrige Phase durch Schütteln (Vorsicht! Diethylether hat einen hohen
Dampfdruck.). Welche Farbe nimmt die obere Phase an?
3. Versuch B: Geben Sie je 30 Tropfen der Pufferlösung pH = 10 zur CoCl2-Lösung in
Reagenzglas B und Reagenzglas C und homogenisieren Sie die Inhalte. Welche Beobachtung
machen Sie?
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Dritte Studieneinheit
4. Versuch C: Geben Sie 30 Tropfen EDTA-Lösung zur Lösung in Reagenzglas C und
homogenisieren Sie den Inhalt. Ändert sich die Farbe der Lösung?
5. Entsorgung: Restlicher Diethylether-Vorrat und Oberphase von Reagenzglas A:
Lösungsmittel-Abfälle. Spülen Sie Reagenzglas A mit wenig(!) Ethanol (
Lösungsmittel-
Abfälle). Geben Sie alle anderen Lösungen zum Schwermetall-Abfall und spülen Sie die
Reagenzgläser mit entionisiertem Wasser.
A: Co2+
B: Co2+
C: Co2+
+ SCN
+ NH3/NH4+
+ NH3/NH4+
+ Pentanol/Ether
+ EDTA
Auswertung
Welche Reaktion läuft in Reagenzglas A ab, welcher Komplex ist für die resultierende Farbe
verantwortlich?
Welche Reaktionen laufen in Reagenzglas B ab, welche Komplexe sind für die resultierende Farbe
verantwortlich?
O
O
O
Welche Reaktionen laufen in Reagenzglas C ab, welche Komplexe
sind für die resultierende Farbe verantwortlich?
HO
HN
HO
HN
O
+
+
O
O
Ethylendiamintetraessigsäure
(EDTA)
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3.3 Benutzung eines Photometers
Im Praktikum werden Handspektrometer verwendet. Auf der Vorderseite befindet sich in der Mitte
der Ein-/Ausschalter. Auf der Oberseite des Gerätes befindet sich ein „Schacht“, in den Sie eine mit
Wasser oder Lösung A gefüllte Küvette einführen und die Lichtschutzabdeckung aufsetzen. Die
Kalibration, d.h. die Einstellung auf Durchlässigkeit = 100 % bzw. Extinktion = 0, nehmen Sie
durch Drücken des Knopfes „o“ vor. Dadurch wird erreicht, dass die Eigenabsorption des Wassers
bei späteren Messungen automatisch kompensiert wird. Nun ist das Gerät einsatzbereit. Für Ihre
Messung spülen Sie die Küvette einmal mit der zu vermessenden Lösung und stellen die gefüllte
Küvette in den Schacht. Danach setzten Sie erneut die Lichtschutzabdeckung auf und starten die
Messung durch Drücken von „✔ “. Nach kurzer Zeit erscheint auf dem Display der Messwert.
Analog können Sie alle Proben nacheinander vermessen. Achten Sie jedoch hierbei darauf das
Gerät weder abzuschalten, noch auf den Knopf „o“ zu drücken, da Sie sonst die Kalibration erneut
durchführen müssen.
Sie erhalten während der 3. Studieneinheit durch Ihren Assistenten am Gerät in Ihrer BoxAusrüstung eine Einführung in die Benutzung des Photometers.
Achtung: Die Grundeinstellungen am Gerät sind nicht über einen längeren Zeitraum stabil.
Daher überprüfen Sie gegebenenfalls diese Einstellungen vor jeder Messreihe!
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Dritte Studieneinheit
3.4 Bestimmung der Ligandenzahl im EDTA-Co2+-Komplex
Der Versuch ist in Achtergruppen durchzuführen.
Benötigte Geräte
acht Messkolben (100 mL)
acht Pasteurpipetten
10 mL Vollpipette mit Peleusball
eine Photometerküvette, Schichtdicke d = 1 cm
Bürette
Photometer
Benötigte Lösungen
Gst.-Symbole R-Sätze
S-Sätze
entionisiertes Wasser (H2O)
-
-
-
0.1 M Cobalt(II)chlorid-Lösung (CoCl2)
T, N
49-E22-42/43-50/53
53-22-45-60-61
0.1 N EDTA-Lsg.
Xn
22
-
Arbeitsvorschrift
1. Beschriften Sie die acht 100 mL Messkolben mit den Buchstaben von A - H
2. Pipettieren Sie jeweils 10 ml der 0.1 M CoCl2-Lösung in jeden der acht Messkolben.
3. Füllen Sie die 0.1 N EDTA-Lösung in eine Bürette und geben Sie von dort die jeweils
erforderliche Menge (siehe Tabelle unten) in den jeweiligen Messkolben.
4. Füllen Sie jeden Messkolben bis zur Eichmarkierung mit entionisiertem Wasser auf und
homogenisieren Sie den Inhalt durch Umschwenken.
5. Nehmen Sie eine Küvette, spülen Sie diese zunächst mit Lösung aus Messkolben A aus, füllen
Sie die Küvette mit dieser Lösung, stellen Sie die Küvette ins Photometer, stellen Sie die
Wellenlänge auf 505 nm und regeln Sie eine Absorbtion = 0 ein. Beachten Sie die Hinweise
hinsichtlich der Bedienung des Photometers in Unterkapitel 3.3. Geben Sie die Lösung
anschließend zum Schwermetall-Abfall.
6. Spülen Sie die Küvette mit Lösung B aus, füllen sie die Küvette mit dieser Lösung, stellen Sie
die Küvette ins Photometer und messen Sie die Absorbtion. Geben Sie die Lösung anschließend
ebenfalls zum Schwermetall-Abfall.
7. Verfahren Sie mit den Lösungen C bis H wie mit Lösung B. Verwenden Sie für jede Lösung eine
eigene Pasteurpipette zum Überführen aus den Messkolben in die Küvetten.
8. Entsorgung: Bewahren Sie die EDTA-Lösung in der Bürette für den nächsten Versuch auf.
Geben Sie alle anderen Lösungen zum Schwermetall-Abfall und spülen Sie die Glasgeräte mit
entionisiertem Wasser.
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B
Lösung Nr
A
0.1 M CoCl2-Lösung
10 mL 10 mL 10 mL 10 mL 10 mL 10 mL 10 mL 10 mL
0.1 M EDTA-Lösung
0 mL
2 mL
C
45
4 mL
D
6 mL
E
8 mL
F
G
H
10 mL 12 mL 14 mL
gemessene Extinktion
Auswertung
Tragen Sie die Werte in einem Diagramm auf
E
V(0.1 N EDTA) / mL
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Dritte Studieneinheit
Welche chemische Reaktion liegt Ihren Beobachtungen zugrunde?
Wie interpretieren Sie den Anstieg der Extinktion bei EDTA-Zusatz?
Warum geht die Kurve in eine Waagerechte über? Was bedeutet das?
Zeigen Sie, wie man die stöchiometrische Zusammensetzung des Kobaltkomplexes bestimmen
kann!
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3.5 Photometrische Titration einer Co2+-Lösung mit EDTA
Der Versuch ist in Achtergruppen durchzuführen.
Benötigte Geräte: wie in Unterkapitel 3.4
Benötigte Lösungen
Gst.-Symbole R-Sätze
S-Sätze
entionisiertes Wasser (H2O)
-
-
-
0.1 N EDTA-Lsg.
Xn
22
-
Arbeitsvorschrift
1. Holen Sie Ihren Probe bei den Assistenten ab und nennen Sie Ihre Boxnummer. Sie erhalten
dann die CoCl2-Lösung unbekannter Konzentration in einem 100 mL Messkolben
(Gesamtprobe) und einen Ergebniszettel.
2. Füllen Sie den Messkolben mit entionisiertem Wasser exakt auf 100 mL (bis zum
Markierungsring) auf und homogenisieren Sie den Inhalt durch Umschwenken, so wie in
Unterkapitel 1.3 beschrieben.
3. Beschriften Sie acht leere und saubere 100 mL Messkolben mit den Buchstaben von A – H.
4. Pipettieren Sie jeweils 10 mL aus der Gesamtprobe in jeden der sieben Messkolben.
5. Füllen Sie 0.1 N EDTA-Lösung in eine Bürette und geben Sie von dort die jeweils erforderliche
Menge (siehe Tabelle unten) in den jeweiligen Messkolben.
6. Füllen Sie jeden Messkolben bis zur Eichmarkierung mit entionisiertem Wasser auf und
homogenisieren Sie den Inhalt durch Umschwenken.
7. Verfahren Sie bezüglich der photometrischen Messungen wie in Unterkapitel 3.4.
8. Geben Sie den Messkolben mit Ihrer Probelösung zusammen mit dem Abgabezettel bei den
Assistenten ab.
Lösung Nr
A
B
C
D
E
F
G
H
CoCl2-Lösung mit
10 mL 10 mL 10 mL 10 mL 10 mL 10 mL 10 mL 10 mL
unbekanntem Gehalt
0.1 M EDTA-Lösung
gemessene Absorbtion
0.0 mL 1.0 mL 2.0 mL 3.0 mL 4.0 mL 5.0 mL 6.0 mL 7.0 mL
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Dritte Studieneinheit
Auswertung
Tragen Sie die gemessenen Absorbtionswerte in einem Diagramm gegen die entsprechenden
Volumina 0.1 N EDTA auf
E
V(0.1 N EDTA) / mL
1. Legen Sie jeweils Ausgleichsgeraden durch den steilen und den flachen Kurventeil. Der
Schnittpunkt zwischen beiden gibt Ihnen den Äquivalenzpunkt an.
2. Fällen Sie vom Schnittpunkt das Lot auf die Volumen-Achse und bestimmen Sie aus diesem
Wert, V, die bis zum Äquivalenzpunkt verbrauchte Stoffmenge, n, an EDTA (c = 0.1 mol·L–1):
n = c·V
3. Berechnen Sie daraus die Stoffmenge an Co2+-Ionen in dem aus der Gesamtprobe entnommenen
Volumen (10 mL) und dann die Stoffmenge an Co2+-Ionen in der Gesamtprobe.
4. Berechnen Sie dann die Masse, m, an Co2+ in der Gesamtprobe (M(Co) = 58.93 g·mol–1). Tragen
Sie diesen Wert auf dem Ergebniszettel ein und geben Sie diesen bei den Assistenten ab.