040 – Niederschlag

Ausfällung ist der einfachste Weg, ein gelöstes Ion aus der Lösung zu entfernen: Zwei klare Flüssigkeiten werden zusammengegeben, und eine Verbindung, die sich nicht löst, erscheint als fester Stoff, der in der Mischung suspendiert ist. Wasseraufbereitungsanlagen nutzen sie, um Phosphat und Schwermetalle aus Abwässern zu entfernen, analytische Labors verwenden genau die hier untersuchte Reaktion, um Calcium gravimetrisch zu bestimmen, und es ist dieselbe Chemie, die Nierensteine bildet, die größtenteils aus Calciumoxalat bestehen. Ein Niederschlag bildet sich, da jede Ionenverbindung eine Löslichkeitsgrenze hat. Wenn das Mischen zweier Lösungen das Produkt der Ionenzonzentrationen über diese Grenze hinaus treibt, verlässt der Überschuss die Lösung als Feststoff, während die Ionen, die sich zu einer löslichen Verbindung zusammenfügen, gelöst und unsichtbar bleiben.

Was eine Fällungsreaktion für den Unterricht so nützlich macht, ist die Tatsache, dass bei ihrem Ablauf nichts erschaffen oder zerstört wird. Der Feststoff ist neu, aber seine Atome befanden sich bereits im Becherglas; nur ihre Partner haben gewechselt. In diesem Praktikum wiegen Sie ein leeres 50-mL-Becherglas und einen leeren 10-mL-Messzylinder ab, messen 5 mL einer 0,2 M Calciumchloridlösung und 5 mL einer 0,2 M Ammoniumoxalatlösung ab, wiegen jede Lösung in ihrem eigenen Gefäß, gießen sie zusammen, rühren fünf Sekunden lang um und beobachten, wie ein weißer Feststoff entsteht, und wiegen schließlich das Becherglas ein letztes Mal. Der Vergleich der Gesamtmasse der Gefäße vor dem Mischen mit der Gesamtmasse danach ist ein direkter Test des Gesetzes von der Erhaltung der Masse, und die in jeder 5-mL-Portion enthaltene Stoffmenge ermöglicht es Ihnen, vorherzusagen, wie viel Feststoff hätte entstehen müssen.

Bildungsziele

• Einarbeitung in die Laborumgebung — lokalisieren Sie vor Beginn die Waage, die beiden Reagenzdispenser, das Spülbecken und die Spritzflasche und arbeiten Sie das nummerierte Protokoll auf dem Tablet ab, wobei Sie jeden Schritt bei seiner Fertigstellung bestätigen.
• Verwendung der Analysenwaage Wiegen Sie einen leeren Behälter und notieren Sie dessen Masse, bevor etwas hineingegeben wird, lesen Sie die Anzeige auf ein Hundertstelgramm genau ab und erkennen Sie, dass jede in diesem Labor angegebene Masse die Differenz zwischen zwei Messwerten und keine direkte Messung ist.
• Messung von Flüssigkeitsvolumina — 5 ml mit einem 10-ml-Messzylinder abmessen, dabei den unteren Meniskus in Augenhöhe ablesen, und den Messzylinder vor der Wiederverwendung für das zweite Reagenz mit destilliertem Wasser ausspülen, damit kein Calciumchlorid in das Oxalat verschleppt wird.
• Herstellung und Zusammenführung von Reagenzlösungen — Übertragen Sie eine abgemessene Lösung verlustfrei in ein Becherglas, geben Sie die zweite Lösung vorsichtig hinzu und mischen Sie mit einem Glasstab, anstatt das Becherglas zu schwenken.
• Beobachtung einer Fällungsreaktion — beschreiben Sie die Veränderung des Aussehens in dem Moment, in dem sie eintritt, und identifizieren Sie den weißen Feststoff als neue Substanz und nicht als ungelöstes Reagenz.
• Quantitative Interpretation der Ergebnisse — erstellen Sie aus den aufgezeichneten Messwerten eine Massenbilanz, berechnen Sie die Stoffmenge in jeder 5-mL-Portion sowie die daraus erwartete Masse des Niederschlags, vergleichen Sie dann die Vorhersage mit dem Wert der Waage und erklären Sie eventuelle Abweichungen.
• Laborsicherheit und gute Praxis — handhaben Sie ein lösliches Oxalatsalz, das bei Verschlucken giftig ist, mit Handschuhen und Augenschutz und spülen Sie Glaswaren im Waschbecken aus, anstatt Rückstände auf der Laborbank zu hinterlassen.

Protokoll

1. Anfangs-Einwaage des Bechers: Wiegen Sie einen leeren 50 ml Becher und notieren Sie seine Masse.
2. Anfangs-Wägung des Messzylinders: Wiegen Sie einen leeren 10-ml-Messzylinder und notieren Sie seine Masse.
3. Calciumchloridmessung (CaCl₂₂Verwenden Sie den Messzylinder, um präzise 5 ml einer 0,2 M Calciumchlorid-Lösung abzumessen.
4. Überführung von Kalziumchlorid: Gießen Sie die abgemessene Kalziumchloridlösung in den 50-ml-Becher.
5. Spülen des Messzylinders: Spülen Sie den Messzylinder mit einer Spritzflasche mit destilliertem Wasser aus.
6. Messung von Ammoniumoxalat ((NH₄)₂C₂0₄) : Messen Sie exakt 5 ml der 0,2 M Ammoniumoxalat-Lösung mit demselben Messzylinder ab.
7. Die Calciumchloridlösung abwiegen: Wiegen Sie den Becher mit der Calciumchloridlösung ab und notieren Sie die Masse.
8. Wiegen der Ammoniumoxalat-Lösung: Wiegen Sie den Messzylinder mit der Ammoniumoxalat-Lösung und notieren Sie die Masse.
9. Verwenden Sie die in den vorherigen Schritten gesammelten Daten, um die Masse der beiden Flüssigkeiten zu berechnen.
10. Kombination von Lösungen: Gießen Sie die Ammoniumoxalat-Lösung vorsichtig in den Becher mit der Calciumchlorid-Lösung.
11. Mischen: Die Lösungen 5 Sekunden lang vorsichtig mit dem Glasstab mischen. Alle Veränderungen im Aussehen beachten.
12. Endgültige Wägung: Wiegen Sie den Becher mit dem Gemisch der beiden Reaktionslösungen.
13. Verwenden Sie die in den Schritten 10 bis 12 gesammelten Daten, um die kombinierte Masse der 2 gemischten Flüssigkeiten zu berechnen.
14. Vergleichen Sie die Masse der Flüssigkeiten vor und nach dem Mischen und notieren Sie Ihre Beobachtungen.

Erwartete Ergebnisse

Während der Sitzung werden fünf Massen aufgezeichnet. Die folgende Tabelle enthält die Messwerte der Simulationswaage, exakt so, wie sie am Ende des Durchlaufs im Ergebnisfeld angezeigt werden, zusammen mit der Größe, für deren Berechnung die jeweilige Masse verwendet wird.

Der Vergleich, auf dem das Praktikum aufbaut, ergibt sich aus den letzten drei Zeilen. Vor dem Mischen wiegen die beiden Flüssigkeiten (80,04 − 75,00) + (55,31 − 50,00) = 5,04 + 5,31 = 10,35 g. Nach dem Mischen und der Reaktion enthält das Becherglas 85,35 − 75,00 = 10,35 g. Die Differenz beträgt 0,00 g. Berücksichtigt man die Behälter, so ergibt sich für das Gesamtsystem dieselbe Schlussfolgerung: 80,04 + 55,31 = 135,35 g vorher und 85,35 + 50,00 = 135,35 g nachher, da der geleerte Zylinder immer noch sein Taragewicht hat. Die Masse bleibt erhalten, und das Ergebnisfenster verzeichnet die sichtbare Veränderung daneben als 50-ml-Becherglas #A / Kalziumoxalat / weißer Niederschlag.

Die Reaktion und die beteiligten Mengen

Calciumchlorid und Ammoniumoxalat gehen eine Doppelverdrängungsreaktion (Metathese) ein: Die Kationen und Anionen tauschen ihre Partner aus, und eines der beiden möglichen Produkte ist unlöslich.

CaCl₂(aq) + (NH₄)₂C₂O₄(aq) → CaC₂O₄(s) + 2 NH₄Cl(aq)

Nur das Calcium und das Oxalat sind beteiligt. Wenn man die Ionen weglässt, die zu Beginn und am Ende der Reaktion gelöst vorliegen, erhält man die Nettoreaktionsgleichung mit Cl⁻ und NH₄⁺ als Zuschauerionen:

Kalk²⁺(aq) + C₂O₄²⁻(aq) → CaC₂O₄(s)

Die Stoffmenge in jeder Portion ergibt sich aus n = C × V. Für das Calciumchlorid gilt n = 0,200 mol/L × 0,00500 L = 1,00 × 10⁻³ Mol, und die identische Konzentration und das identische Volumen ergeben denselben Wert von 1,00 × 10⁻³ Mol Ammoniumoxalat. Die Gleichung verbraucht die beiden Reagenzien in einem Verhältnis von 1:1, sodass die Anteile genau stöchiometrisch sind und keines der Reagenzien im Überschuss vorliegt – eine bewusste Entscheidung, da dies bedeutet, dass bei der Berechnung kein überschüssiges Reagenz berücksichtigt werden muss.

Das erwartete Präzipitat ist folglich m = n × M = 1,00 × 10⁻³ mol × 128,10 g/mol = 0,128 g wasserfreies Calciumoxalat. Calciumoxalat kristallisiert tatsächlich aus kalter wässriger Lösung als Monohydrat CaC₂O₄·H₂O (M = 146,11 g/mol), das nach der Filtration, aber nicht nach dem Trocknen bei 200 °C 0,146 g wiegen würde. Die 2,00 × 10⁻³ die dabei gebildete Menge an Ammoniumchlorid beläuft sich auf 0,107 g und verbleibt unsichtbar in der Lösung.

Warum ein fester Körper erscheint und warum er vollständig erscheint

Ob sich ein Niederschlag bildet, lässt sich durch den Vergleich des Ionenprodukts Q = [Ca²⁺][C₂O₄²⁻] mit dem Löslichkeitsprodukt von Kalziumoxalat, K_SP = 2,3 × 10⁻⁹ bei 25 °C für das Monohydrat. In dem Moment, in dem die beiden 5-ml-Portionen zusammentreffen, ist jeder Gelöste auf 10 ml verdünnt worden, sodass beide Ionen bei 0,100 mol/L liegen und Q = 0,100 × 0,100 = 1,0 × 10⁻². Das ist größer als K._SP um den Faktor etwa 4 × 10⁶, weshalb die Trübung sofort statt allmählich eintritt.

Diese Konstante bestimmt, wie viel Kalzium zurückbleibt. Bei einem Salz im Verhältnis 1:1 ist die Sättigungskonzentration s gleich der Quadratwurzel von K._SP, also s = (2,3 × 10⁻⁹)^1/2 = 4,8 × 10⁻⁵ mol/l, sodass die 10 ml Überstand 4,8 × 10⁻⁷ Mol Kalzium oder 0,06 mg. Das entspricht 0,05 % der 1,00 × 10⁻³ mol fügte hinzu: Die Ausfällung erfolgt quantitativ mit einer Genauigkeit von besser als einem Tausendstel, was genau der Grund dafür ist, dass diese Reaktion für gravimetrische Kalziumbestimmungen verwendet wird und warum Oxalat eine zuverlässige Methode zur Entfernung von Kalzium aus einer Probe darstellt.

Das andere Produkt bewirkt das Gegenteil. Ammoniumchlorid löst sich bei 20 °C bis zu etwa 372 g/l auf, sodass 10 ml Wasser 3,7 g davon aufnehmen könnten; die hier gebildeten 0,107 g erreichen nur 3 % der Sättigung und scheiden nie aus der Lösung aus. Die beiden Löslichkeitsregeln, die ein Schüler kennen muss, lassen sich nebeneinander in einem einzigen Becherglas beobachten: Oxalate der Erdalkalimetalle sind unlöslich, und alle gängigen Ammoniumsalze sind löslich.

Warum sich die Gesamtmasse nicht ändern kann

Bei einer chemischen Reaktion wird lediglich die Anordnung der Atome zueinander neu geordnet; sonst geschieht nichts. Das Zählen der Atome auf beiden Seiten der ausgeglichenen Gleichung verdeutlicht dies, ohne dass man sich dabei auf eine Autorität berufen muss: Die Reaktanten CaCl₂ und (NH₄)₂C₂O₄ enthalten zusammen 1 Ca, 2 Cl, 2 N, 8 H, 2 C und 4 O, und die Produkte CaC₂O₄ und 2 NH₄Cl enthält 1 Ca, 2 C, 4 O, 2 N, 8 H und 2 Cl. Dieselben Atome in einer anderen Zusammensetzung. Da jedes Atom eine feste Masse besitzt, ist auch die Gesamtmasse des Inhalts fest, unabhängig davon, was mit ihrem Aussehen oder ihrem Zustand geschieht.

Der Grund, warum gerade diese Reaktion das Gesetz so deutlich veranschaulicht, ist, dass keines ihrer Produkte ein Gas ist. Nichts kann aus einem offenen Becherglas entweichen, sodass weder ein Ballon, ein Stopfen noch ein verschlossener Kolben erforderlich sind und die beiden Gesamtmengen direkt verglichen werden können. Eine Reaktion, bei der Kohlendioxid freigesetzt wird, wie diejenige, die im Labor zum Gesetz der Erhaltung der Masse verwendet wird, scheint auf einer offenen Laborbank an Masse zu verlieren und muss in einem geschlossenen System durchgeführt werden, bevor dieselbe Schlussfolgerung gezogen werden kann – ein nützlicher Kontrast, den man Schülern aufzeigen kann, die davon ausgehen, dass die Waage ihnen einfach die Wahrheit sagt.

Zusammenfassung der Aufgaben nach Klassenstufen

9. bis 10. Klasse

• Fokus das Ablesen einer Waage, das Führen einer übersichtlichen Massentabelle und das Beschreiben einer chemischen Veränderung in Worten.
• Aktivitäten: Wiege den leeren Becher und den leeren Zylinder ab; messe die beiden Portionen von je 5 ml ab und fülle sie um; notiere alle fünf Messwerte; beschreibe das Aussehen jeder Flüssigkeit vor dem Mischen und das Aussehen der Mischung danach; ziehe die Taragewichte ab, um die Masse jeder Flüssigkeit zu ermitteln, und zeige, dass die beiden Flüssigkeiten zusammen vor und nach der Reaktion das gleiche Gewicht haben; die Schlussfolgerung in einem Satz formulieren, unter Verwendung der Wörter ausfällen und Erhaltung der Masse Richtig.

11. Klasse

• Fokus die ausgeglichene Gleichung, Molberechnungen und eine vollständige Massenbilanz.
• Aktivitäten: Schreiben Sie die Molekulargleichung und die Nettoreaktionsgleichung auf und benennen Sie die Zuschauerionen; berechnen Sie $n = C \times V$ für jedes Reagenz und zeigen Sie, dass sie im für die Gleichung erforderlichen 1:1-Verhältnis vorliegen; prognostizieren Sie die Masse des gebildeten Calciumoxalats (0,128 g) und die Masse des in Lösung verbleibenden Ammoniumchlorids (0,107 g); erstellen Sie die Massenbilanz des gesamten Systems und bestätigen Sie 135,35 g vor und nach der Reaktion; erklären Sie durch das Zählen der Atome auf jeder Seite der Gleichung, warum die Gesamtmasse unverändert bleiben musste.

12. Klasse / College-Niveau

• Fokus Löslichkeitsgleichgewicht und die Ionenprodukt-Berechnung.
• Aktivitäten: Berechnen Sie das Ionenprodukt im Moment des Mischens und vergleichen Sie es mit K_SP zu argumentieren, dass die Fällung quantitativ ist; zu bestimmen, welcher Bruchteil des Calciums gelöst bleibt, und diesen in mg/L auszudrücken; die erwartete Masse jeder 5-ml-Portion aus ihrer Konzentration neu zu berechnen; zu diskutieren, wie sich die Ausbeute in saurer Lösung verändern würde und wie eine gravimetrische Bestimmung von Calcium durchgeführt werden müsste, um vertrauenswürdig zu sein.

Labor-Grundausstattung

Instrumente

• Waage (digital, ablesbar auf 0,01 g)
• Becherglas (50 mL)
• Messzylinder (10 ml)
• Glasstab
• Waschflasche

Produkte

• Calciumchlorid CaCl₂₂ 0,2 M (Lösung, 5 ml)
• Ammoniumoxalat (NH₄)₂C₂O₄ 0,2 M (Lösung, 5 ml)
• Destilliertes Wasser (zum Spülen)