Qualitative anorganische Analyse

Qualitative anorganische Chemie

Analytische Fragestellungen ergeben sich in allen Teildisziplinen der Chemie von der Kernchemie über die organische Chemie bis hin zur Umweltchemie. Das Ziel der anorganischen qualitativen Analyse besteht in der Identifizierung anorganischer Substanzen, d. h. Elementen, Ionenverbindungen oder Molekülverbindungen.
Im einfacheren Fall liegen die Substanzen als reine Stoffe vor. Stoffgemische müssen für die qualitative Analyse oft getrennt werden. Bei der Trennung von Stoffgemischen nutzt man die unterschiedlichen physikalischen oder chemischen Eigenschaften der Komponenten, z. B. unterschiedliche Löslichkeiten in wässrigen Lösungen.
Aber auch die Identifizierung reiner Stoffe ist eine schwierige Aufgabe, wenn man bedenkt, dass heute mehr als 500000 verschiedene anorganische Verbindungen bekannt sind.
Bevor man die unendliche Palette spezieller Nachweisreaktionen durchführt, betrachtet man die Stoffprobe zunächst genauer und analysiert die ohne Hilfsmittel sichtbaren Stoffeigenschaften wie Aggregatzustand, Farbe oder andere auffällige Eigenschaften.

Beispiel: Ein Stoffprobe liegt als festes, rötliches Pulver vor. Bei näherem Hinsehen stellt man fest, dass die einzelnen Körner relativ groß sind und metallisch glänzen. Es handelt sich also wahrscheinlich um ein Metall oder um eine metallartige Verbindung.

Vorproben

Der nächste Schritt besteht darin, durch verschiedene Vorproben weitere Informationen über die Stoffprobe zu sammeln.

Durch Untersuchungen der Löslichkeit kann man die Stoffklasse, der die Analysensubstanz angehört, weiter eingrenzen. In Wasser lösliche Substanzen, die eine deutliche Farbreaktion mit Säure-Base-Indikatoren (z. B. Unitest) geben, sind Säuren bzw. Basen, können aber auch Oxide oder Salze sein. Beispielsweise werden ${\text{H}}_{\text{3}}{\text{O}}^{\text{+}}\text{–}\text{und}{\text{OH}}^{\text{–}}\text{–Ionen}$ mit Säure-Base-Indikatoren nachgewiesen.
Die Flammenfärbung ist eine Vorprobe, mit der man Hinweise auf bestimmte Metalle bzw. Metall-Ionen erhält. In gasförmigem Zustand senden alle Elemente und Ionen elektromagnetische Strahlung einer bestimmten Wellenlänge aus, wenn sie elektrisch oder thermisch angeregt werden. Bei Alkali- und Erdalkalimetall-Ionen reicht schon die Hitze der Bunsenbrennerflamme aus, um eine Emission von sichtbarem Licht zu erzeugen.

Beispiel:
Der Feststoff löst sich nicht in Wasser, aber dafür unter Bildung rotbrauner nitroser Gase ${\text{(NO}}_{\text{x}}\text{)}$ in verdünnter Salpetersäure. Taucht man ein Magnesia-Stäbchen in diese Lösung und hält es in die Bunsenbrennerflamme, beobachtet man eine grüne Flammenfärbung.

Besonders intensiv ist die Flammenfärbung durch Natrium. Da die Alkalimetalle nur schwer durch Fällungsreaktionen nachgewiesen werden können, nutzt man die Flammenfärbung auch als Nachweis für diese Metalle.

Nachweisreaktionen von Ionen

Nachweisreaktionen sind chemische Reaktionen, die durch Farbänderungen oder durch Ausfällung schwer löslicher Salze, die Gegenwart von Ionen in Stoffen anzeigen.
Wenn die Farbänderung oder Fällung nur mit einer ganz bestimmten Ionensorte zu beobachten ist, spricht man von spezifischen Nachweisreaktionen. Um den Nachweis eindeutig durchzuführen, müssen die speziellen Reaktionsbedingungen (pH-Wert, Temperatur) genau eingehalten werden.

Beispiel: Die salpetersaure Lösung unserer Metallprobe wird vorsichtig tropfenweise mit konzentrierter Ammoniaklösung versetzt. Dabei beobachtet man die charakteristische tiefblaue Färbung des ${\left[{\text{Cu(NH}}_{\text{3}}{\text{)}}_{\text{4}}\right]}^{\text{2+}}\text{–}\text{Komplexes}$ (Bild 5). Die Stoffprobe ist somit eindeutig als Kupfer identifiziert.
Man unterscheidet zwischen Anionennachweis und Kationennachweis. Die Anionen weist man meist in durch Fällungs- und seltener durch Farbreaktionen in wässriger Lösung nach.

Anionennachweis

Wichtige Nachweisreaktionen für Kationen

Viele Nachweisreaktionen werden durch andere Ionen gestört. Zur Trennung der nachzuweisenden Ionen von störenden Begleitstoffen entwickelte C. R. FRESENIUS (1818-1897) im 19. Jh. den Kationentrennungsgang. Liegt ein Stoffgemisch vor, kann man es in einfachen Fällen manchmal trennen und die Einzelsubstanzen identifizieren. In einem Gemisch aus Natriumchlorid und Calciumcarbonat beispielsweise kann man die Einzelsubstanzen aufgrund ihrer unterschiedlichen Wasserlöslichkeit nachweisen. In der wässrigen Lösung kann man Natrium- und Chlorid-Ionen nachweisen. Der abfiltrierte Rückstand löst sich dann unter Gasentwicklung in verdünnter Salzsäure und die Nachweise von Kohlenstoffdioxid als Gas und Calcium-Ionen in der salzsauren Lösung über die Flammenfärbung sind positiv. Bei Gemischen sehr ähnlicher Substanzen kann es aber schwierig werden, die Bestandteile zu identifizieren. Liegen beispielsweise die Salze Natriumchlorid und Kaliumbromid fein gepulvert im Gemisch vor, kann man die charakteristische Kristallform nicht mehr erkennen. Nach Auflösen in Wasser kann man Natrium-, Kalium-, Chlorid- und Bromid-Ionen anhand charakteristischer Reaktionen nachweisen, aber nicht sagen, ob es Natriumchlorid und Kaliumbromid oder Natriumbromid und Kaliumchlorid waren. Oft sind die zu analysierenden Gemische noch wesentlich komplexer. Dann ist es nur möglich, in der Analyse herauszufinden, welche Elemente bzw. Ionen enthalten sind.