014 – Schwermetaltextraktion

Blei und Kupfer gelangen durch korrodierende Rohrleitungen, verbrauchte Galvanik- und Beizbäder sowie durch die unsachgemäße Entsorgung von Farben und Lösungsmitteln in das Abwasser. Keines der beiden Elemente wird durch Verdünnung oder biologische Behandlung zerstört, und beide sind bereits in geringen Konzentrationen toxisch – weshalb kommunale und industrielle Kläranlagen gelöste Metalle vor der Einleitung des Wassers chemisch entfernen. Die Standardmethode ist die hier angewandte: Es wird ein Gegenion hinzugefügt, das mit dem Metall ein unlösliches Salz bildet, wonach der Feststoff herausgefiltert wird.

Die Chemie beruht auf Löslichkeit. Ein Salz fällt aus, wenn das Produkt seiner Ionenkonzentrationen das Löslichkeitsprodukt K überschreitet._SP; unter diesem Wert bleibt es gelöst. Bleisulfat und Kupfercarbonat sind beide sehr schwer löslich, sodass die Zugabe von Sulfat Blei als PbSO entfernt₄ und die Zugabe von Carbonat entfernt Kupfer als $\text{CuCO}_3$₃. Die Reihenfolge ist nicht willkürlich. Carbonat würde sowohl Blei als auch Kupfer ausfällen; wenn also zuerst Carbonat zugegeben würde, kämen die beiden metals zusammen heraus und könnten nicht getrennt werden. Sulfat hingegen belässt Kupfer in Lösung — Kupfersulfat ist frei löslich —, sodass Sulfat zuerst und Carbonat als Zweites zwei saubere Fraktionen ergibt.

In diesem Labor werden Sie eine 100-ml-Probe Abwasser behandeln, die beide Metalle enthält. Sie wiegen ein Filterpapier ab, geben Natriumsulfat zu der Probe und beobachten die Bildung von weißem Blausulfat, filtrieren es ab und wiegen das Papier erneut, um die Masse des Niederschlags zu erhalten. Anschließend geben Sie Kaliumcarbonat zum Filtrat, fällen das Kupfer als blau-grünes Kupfercarbonat, filtrieren und wiegen erneut. Anhand der beiden Massen berechnen Sie zurück, wie viel Blei und wie viel Kupfer die ursprüngliche Probe enthielt, und beurteilen, wie vollständig jedes einzelne entfernt wurde.

Bildungsziele

Einarbeitung in die Laborumgebung

• Lokalisieren und verwenden Sie die Ausrüstung einer gravimetrischen Bank: die digitale Waage und das Wägeschiffchen, den Spatel, den Messzylinder, die drei Erlenmeyerkolben, den Trichter und die Filterpapiere.

Verwendung von Schutzausrüstung und sicherer Umgang mit Schwermetallen

• Tragen Sie während der gesamten Arbeit Handschuhe und Augenschutz und behandeln Sie jede Lösung in diesem Labor als kontaminiert.
• Erklären Sie, warum blei- und kupferhaltige Abfälle zur Entsorgung gesammelt und nicht in den Abfluss gegossen werden.

Selektive Ausfällung

• Wählen Sie ein Fällungsmittel danach aus, welches Metall es entfernt und welches nicht.
• Begründen Sie die Reihenfolge der beiden Zugaben und sagen Sie voraus, was schiefgehen würde, wenn Carbonat vor Sulfat zugegeben würde.

Gravimetrische Filtrationstechnik

• Setzen Sie einen Trichter und Filterpapier zusammen, wobei Sie das Papier mit destilliertem Wasser anfeuchten, damit es an der Trichterwand anliegt.
• Wägen Sie das Filterpapier vor dem Gebrauch und das Papier mit dem Niederschlag danach ab und ermitteln Sie die Masse des Feststoffs durch Differenzbildung.

Quantitative Behandlung der Ergebnisse

• Rechne eine Niederschlagsmasse mithilfe der molaren Masse des Salzes in Mol um.
• Verwenden Sie das stöchiometrische Verhältnis 1:1 der jeweiligen Ausfällung, um die Molzahl und anschließend die Masse des Metalls zu ermitteln, das in der ursprünglichen Probe gelöst war.

Beurteilung der Wirksamkeit einer Behandlung

• Vergleichen Sie die Masse des erhaltenen Niederschlags mit der Höchstmenge, die die zugegebene Reagenzmenge erzeugen könnte, und bestimmen Sie, welche Spezies im Unterschuss war.
• Nennen Sie die Fehlerquellen bei einer gravimetrischen Bestimmung und die Richtung, in die sie das Ergebnis verfälschen.

Protokoll

Fällung mit Natriumsulfat.

1. Wiegen Sie ein Filterpapier ab und ermitteln Sie seine Masse in der Ergebnistabelle.
2. Messen Sie mit dem Messzylinder 100 ml Abwasser ab und gießen Sie die Probe in den Erlenmeyerkolben 1.
3. Wiege 79,8 g (30 ml) Natriumsulfat ab.
4. Geben Sie das Natriumsulfat in den Erlenmeyerkolben 1.
5. Mischen Sie den Inhalt des Erlenmeyerkolbens 1 und beobachten Sie den Niederschlag, der sich am Boden des Behälters bildet.

Natriumsulfat hat die Fähigkeit, mit Blei (PbSO4) ein Präzipitat zu bilden.

6. Setzen Sie einen Trichter auf den Erlenmeyerkolben 2.
7. Legen Sie das Filterpapier in den Trichter.
8. Kleben Sie das Filterpapier mit etwas destilliertem Wasser an die Wand des Trichters.
9. Gießen Sie die Mischung aus dem Erlenmeyerkolben 1 durch das Filterpapier, das auf dem Erlenmeyerkolben 2 platziert ist, um das Präzipitat zu extrahieren.
10. Lassen Sie das Filterpapier 10 Sekunden trocknen, entfernen Sie dann die Filterpapier-Niederschlags-Baugruppe und wiegen Sie sie. Die Masse finden Sie in der Ergebnistabelle.
11. Entfernen Sie den Trichter aus dem Erlenmeyerkolben 2.

Fällung mit Kaliumcarbonat

1. 60,75 g (25 ml) Kaliumcarbonat wiegen.
2. Gib das Kaliumcarbonat in Erlenmeyerkolben 2.
3. Die Inhalte des Erlenmeyerkolbens 2 mischen und den am Boden des Behälters entstehenden Niederschlag beobachten.

Kaliumcarbonat bildet mit Kupfer (CuCO3) ein Fällungsreaktion.

4. Setzen Sie einen Trichter auf den Erlenmeyerkolben 3.
5. Legen Sie das andere Filterpapier in den Trichter.
6. Kleben Sie das Filterpapier mit etwas destilliertem Wasser an die Wand des Trichters.
7. Gießen Sie die Mischung aus Erlenmeyerkolben 2 durch das auf Erlenmeyerkolben 3 platzierte Filterpapier, um den Niederschlag zu extrahieren.
8. Lassen Sie das Filterpapier 10 Sekunden trocknen, entfernen Sie dann die Filterpapier-Niederschlags-Baugruppe und wiegen Sie sie. Die Masse finden Sie in der Ergebnistabelle.

Diese 2 Reaktionen können verwendet werden, um Schwermetalle aus Abwasser zu entfernen.

Erwartete Ergebnisse

Die beiden Niederschläge. Jedes Metall wird durch eine einstufige Doppelverdrängungsreaktion abgeschieden, und jedes weist eine 1:1-Stöchiometrie zwischen dem Metallion und dem ausfallenden Salz auf:

Blei²⁺(aq) + SO₄²⁻(aq) → PbSO₄(s) — ein dichter weißer Feststoff

Kupfer²⁺(aq) + CO₃²⁻(aq) → CuCO₃(s) — ein blau-grüner Feststoff

Erwartete Messungen. Die folgenden Zahlen sind diejenigen, die die Simulation für eine 100-ml-Probe ausgibt.

Vom Niederschlag zurück zum gelösten Metall. Die Molmassen sind M(PbSO₄) = 303.26 g/mol und M(CuCO₃) = 123,56 g/mol. Für Blei:

n(PbSO₄)₄) = 140,48 g ÷ 303,26 g/mol = 0,463 mol, und da ein PbSO₄ enthält ein Pb²⁺, n(Pb²⁺) beträgt ebenfalls 0,463 mol. Die Masse des gewonnenen Blei beträgt daher 0,463 mol × 207,2 g/mol = 95,9 g, und seine Konzentration in der 100-mL-Probe betrug 0,463 mol ÷ 0,100 L = 4,63 mol/L.

Die gleichen drei Schritte für Kupfer: n(CuCO₃) = 54,04 g ÷ 123,56 g/mol = 0,437 mol, also n(Cu²⁺) = 0,437 mol, eine Masse von 0,437 mol × 63,55 g/mol = 27,8 g und eine Konzentration von 4,37 mol/L. Das ist die gesamte Logik der gravimetrischen Analyse: Eine Menge, die nicht gewogen werden kann – ein Ion in Lösung –, wird gemessen, indem sie in einem Feststoff bekannter Zusammensetzung eingefangen und stattdessen gewogen wird.

Welches Reagenz war im Unterschuss?. Das sollte man überprüfen, denn so lässt sich feststellen, ob die Entfernung vollständig war. Die zugesetzte Natriumsulfatmenge entspricht 79,8 g ÷ 142,04 g/mol = 0,562 mol Sulfat gegenüber 0,463 mol Blei: Sulfat liegt im Überschuss von etwa 20 %, sodass im Wesentlichen das gesamte Blei ausgefällt ist und das Bleiergebnis – wie beabsichtigt – durch das vorhandene Blei begrenzt wird. Das zugegebene Kaliumcarbonat entspricht 60,75 g ÷ 138,21 g/mol = 0,440 mol Carbonat, gegenüber 0,437 mol gewonnenem Kupfer – fast exakt stöchiometrisch. Der Kupferschritt lässt daher keinen Spielraum: Ein geringer Mangel an Karbonat würde Kupfer zurücklassen, und jegliches Karbonat, das durch eine andere Reaktion verbraucht wird, würde sich direkt in einem niedrigen Ergebnis niederschlagen.

Was Sie unterwegs sehen sollten. Die unbehandelte Probe ist bläulich, die Farbe von hydratisiertem Cu²⁺; Blei(II) in Lösung ist farblos und trägt nichts bei. Das Ausfällen des Blei lässt das Filtrat daher weiterhin blau – die Farbe stammt nicht vom Blei. Erst nach dem Carbonatschritt, wenn das Kupfer als Feststoff entfernt worden ist, läuft das Wasser klar ab. Dieser Fortgang ist selbst der qualitative Beweis dafür, dass die zweite Behandlung tat, was die erste nicht konnte.

Warum die Reihenfolge wichtig ist, numerisch ausgedrückt. Bleicarbonat ist noch schwerer löslich als Bleisulfat, sodass zu der ursprünglichen Probe zugegebenes Carbonat beide Metalle gemeinsam ausfällen würde und die beiden Massen niemals getrennt werden könnten. Die Zugabe von Sulfat zuerst nutzt den einen Unterschied aus, der hier von Bedeutung ist: PbSO₄ ist schwer löslich während CuSO₄ ist sehr gut löslich, sodass der Sulfatschritt selektiv für Blei ist. Dies ist das Prinzip hinter jedem Schema zur selektiven Fällung in der analytischen Chemie – finde ein Reagenz, dessen Löslichkeitsprodukte sich zwischen den beiden Ionen stark genug unterscheiden, um sie zu trennen.

Zusammenfassung der Aufgaben nach Klassenstufen

9. bis 10. Klasse

• Fokus Fällung als Methode zur Entfernung eines gelösten Stoffes und Wägung durch Differenz.
• Aktivitäten: Wiegen Sie jedes Filterpapier vor der Verwendung; führen Sie beide Fällungen durch und beschreiben Sie die Farbe und das Aussehen jedes Feststoffs; filtrieren und wiegen Sie, und ermitteln Sie die Masse jedes Niederschlags durch Subtraktion; beschreiben Sie, wie sich die Farbe des Wassers in jeder Phase verändert, und geben Sie an, was dies anzeigt.

11. Klasse

• Fokus der quantitative Zusammenhang zwischen einem eingewogenen Feststoff und einem gelösten Ion.
• Aktivitäten: Schreiben und balancieren Sie beide Fällungsreaktionen in molekularer und Nettosonnenform; rechnen Sie jede Fällungsmasse in Mole und dann in die Masse und Konzentration des Metalls in der Originalprobe um; bestimmen Sie, welches Reagenz in jedem Schritt im Überschuss war; erklären Sie, warum Natriumsulfat vor Kaliumcarbonat zugegeben werden muss.

12. Klasse / College-Niveau

• Fokus selektive Fällung, Löslichkeitsgleichgewichte und Fehleranalyse.
• Aktivitäten: Drücken Sie jede Niederschlagsmenge in K aus_SP und berechnen Sie die Restmetallkonzentration, die nach Abschluss der Fällung in der Lösung verbleibt; erklären Sie quantitativ, warum Carbonat nicht verwendet werden kann, um Blei von Kupfer zu trennen; diskutieren Sie die Konsequenz davon, dass der Kupferschritt fast genau stöchiometrisch ist, und geben Sie an, wie viel Carbonat Sie hinzufügen würden, um eine vollständige Entfernung zu garantieren; vergleichen Sie die hier erhaltenen Konzentrationen mit den regulatorischen Grenzwerten für Blei und Kupfer in eingeleitetem Abwasser und kommentieren Sie den Größenunterschied.

Labor-Grundausstattung

Instrumente

• Digitale Waage
• Wägeschale
• Spatel
• Glasstab
• Trichter
• Filterpapiere ×2
• Erlenmeyerkolben 250 mL ×3
• Messzylinder (100 mL)
• Spritzflasche mit destilliertem Wasser
• Handschuhe und Augenschutz

Produkte

• Pb-haltiges Abwasser²⁺ und Cu²⁺ (100-mL-Probe)
• Natriumsulfat, Na₂SO₄ (Pulver, 79,8 g / 30 mL verwendet)
• Kaliumcarbonat, K₂Kohlenmonoxid₃ (Pulver, 60,75 g / 25 ml verwendet)
• Destilliertes Wasser