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Q1 Leistungskurs · Chemie
Ionenbindung, Nachweisreaktionen und Bewertungsaufgaben in der Chemie (Q1) · Qualitative Nachweise von Ionen

Nachweis von Halogenid-, Ammonium- und Carbonat-Ionen

Im Chemieraum stehen drei unbeschriftete Flaschen mit farblosen Lösungen: Leitungswasser aus Münster, ein Mineralwasser aus dem Harz und die Lösung eines Düngesalzes. Woran erkennst du, welche Ionen darin stecken? Mit dem Auge allein geht das nicht. Du brauchst Reagenzien, die mit dem gesuchten Ion eine gut sichtbare Veränderung hervorrufen: einen Niederschlag, ein Gas oder eine Farbe.

Nachweisreaktionen im Überblick

Eine Nachweisreaktion ist eine Reaktion, die für ein bestimmtes Ion (oder einen Stoff) charakteristisch ist und eine eindeutige Beobachtung liefert. Es gibt drei Typen:

Typ Beobachtung Beispiel
Fällungsreaktion Niederschlag bestimmter Farbe Halogenid-Ionen mit $\mathrm{Ag^+}$
Gasentwicklung Gas, das selbst nachgewiesen wird Carbonat mit Säure, Ammonium mit Lauge
Farbreaktion Farbumschlag Indikatorpapier über Ammoniak

Ein guter Nachweis ist spezifisch: Andere Ionen in der Probe sollen ihn nicht stören. Deshalb wird oft zuerst angesäuert oder ein Störion vorher entfernt.

Halogenid-Ionen: Fällung mit Silbernitrat

Silber-Ionen bilden mit Chlorid-, Bromid- und Iodid-Ionen schwer lösliche Silberhalogenide. Zur Probe gibt man zuerst verdünnte Salpetersäure und dann Silbernitrat-Lösung.

$$\mathrm{Ag^+(aq) + Cl^-(aq) \rightarrow AgCl(s)}$$
Ion Niederschlag Farbe Verhalten gegenüber Ammoniak-Lösung
$\mathrm{Cl^-}$ $\mathrm{AgCl}$ weiß löst sich in verdünnter Ammoniak-Lösung
$\mathrm{Br^-}$ $\mathrm{AgBr}$ gelblich löst sich nur in konzentrierter Ammoniak-Lösung (schwer)
$\mathrm{I^-}$ $\mathrm{AgI}$ gelb löst sich auch in konzentrierter Ammoniak-Lösung nicht

Die Löslichkeit nimmt von AgCl über AgBr zu AgI ab. Deshalb braucht man für die Auflösung immer stärkere Komplexbildung mit Ammoniak.

Warum Salpetersäure? Carbonat-Ionen würden mit $\mathrm{Ag^+}$ ebenfalls einen weißen Niederschlag ($\mathrm{Ag_2CO_3}$) bilden und den Chlorid-Nachweis vortäuschen. Die Säure zerstört Carbonat (es entweicht als $\mathrm{CO_2}$) und beseitigt so die Störung. Salpetersäure eignet sich, weil Nitrat mit $\mathrm{Ag^+}$ keinen Niederschlag bildet. Mit Salzsäure würde man selbst Chlorid zugeben.

Üben★☆☆
Zum Nachweis von Chlorid-Ionen wird eine Probelösung mit verdünnter Salpetersäure angesäuert und anschließend Silbernitrat-Lösung zugegeben. Es entsteht ein weißer…

Zum Nachweis von Chlorid-Ionen wird eine Probelösung mit verdünnter Salpetersäure angesäuert und anschließend Silbernitrat-Lösung zugegeben. Es entsteht ein weißer Niederschlag.

  1. a) Formulieren Sie die Ionengleichung der Fällungsreaktion.
  2. b) Erklären Sie, warum vor der Zugabe von Silbernitrat mit Salpetersäure angesäuert wird.
Lösen
Üben★★☆
Drei farblose Lösungen sind unbeschriftet: Natriumchlorid, Natriumbromid und Natriumiodid. Alle werden mit angesäuerter Silbernitrat-Lösung versetzt. a) Geben Sie die zu…

Drei farblose Lösungen sind unbeschriftet: Natriumchlorid, Natriumbromid und Natriumiodid. Alle werden mit angesäuerter Silbernitrat-Lösung versetzt.

  1. a) Geben Sie die zu erwartenden Farben der Niederschläge an.
  2. b) Beschreiben Sie, wie sich die Niederschläge in verdünnter Ammoniak-Lösung unterscheiden.
  3. c) Formulieren Sie die Ionengleichung für die Bildung des Niederschlags aus Bromid-Ionen.
Lösen

Carbonat-Ionen: Gasentwicklung und Kalkwasserprobe

Carbonate reagieren mit Säuren unter Bildung von Kohlenstoffdioxid. Die Kohlensäure ($\mathrm{H_2CO_3}$) ist instabil und zerfällt in Wasser und $\mathrm{CO_2}$:

$$\mathrm{CO_3^{2-}(aq) + 2\,H_3O^+(aq) \rightarrow CO_2(g) + 3\,H_2O(l)}$$

Für den Feststoff Calciumcarbonat (Kalk, Marmor) mit Salzsäure:

$$\mathrm{CaCO_3(s) + 2\,HCl(aq) \rightarrow CaCl_2(aq) + H_2O(l) + CO_2(g)}$$

Das Gas wird in Kalkwasser (gesättigte $\mathrm{Ca(OH)_2}$-Lösung) eingeleitet. Es bildet sich schwer lösliches Calciumcarbonat, die Lösung trübt sich weiß:

$$\mathrm{Ca^{2+}(aq) + 2\,OH^-(aq) + CO_2(g) \rightarrow CaCO_3(s) + H_2O(l)}$$ Versuchsaufbau: Salzsäure auf Carbonat, das entstehende Gas wird in Kalkwasser geleitet, das sich trübt. Probe + HCl Kalkwasser (trüb) CO₂
Üben★☆☆
Zum Nachweis von Carbonat-Ionen gibt man auf eine feste Probe verdünnte Salzsäure. Es entsteht ein farbloses Gas, das beim Einleiten in Kalkwasser eine Trübung erzeugt.…

Zum Nachweis von Carbonat-Ionen gibt man auf eine feste Probe verdünnte Salzsäure. Es entsteht ein farbloses Gas, das beim Einleiten in Kalkwasser eine Trübung erzeugt.

  1. a) Formulieren Sie die Reaktionsgleichung für die Gasentwicklung.
  2. b) Formulieren Sie die Reaktionsgleichung für den Nachweis des Gases mit Kalkwasser ($\mathrm{Ca(OH)_2}$-Lösung).
Lösen

Ammonium-Ionen: Austreiben von Ammoniak

Ammonium-Ionen sind Protonendonatoren. Mit einer starken Base wie Natronlauge werden sie deprotoniert, und gasförmiges Ammoniak entweicht, besonders beim Erwärmen:

$$\mathrm{NH_4^+(aq) + OH^-(aq) \rightarrow NH_3(g) + H_2O(l)}$$

Ammoniak ist ein stechend riechendes Gas. Es reagiert in Wasser basisch:

$$\mathrm{NH_3(g) + H_2O(l) \rightleftharpoons NH_4^+(aq) + OH^-(aq)}$$

Feuchtes Indikatorpapier (z. B. Universalindikator), das man über das Reagenzglas hält, färbt sich daher blau. Das Papier muss feucht sein, damit sich das Gas lösen und basisch reagieren kann. Es darf die Natronlauge nicht berühren.

Üben★☆☆
Zum Nachweis von Ammonium-Ionen erwärmt man die Probe mit Natronlauge und hält ein angefeuchtetes Indikatorpapier über das Reagenzglas. a) Formulieren Sie die…

Zum Nachweis von Ammonium-Ionen erwärmt man die Probe mit Natronlauge und hält ein angefeuchtetes Indikatorpapier über das Reagenzglas.

  1. a) Formulieren Sie die Reaktionsgleichung der Freisetzung des Gases.
  2. b) Beschreiben Sie die Beobachtung am Indikatorpapier und begründen Sie sie.
Lösen
Üben★★☆
Ein weißes Düngesalz enthält entweder $\mathrm{(NH_4)2SO_4}$, $\mathrm{NH_4Cl}$ oder $\mathrm{NaCl}$. Mit Natronlauge entsteht beim Erwärmen ein stechend riechendes Gas,…

Ein weißes Düngesalz enthält entweder $\mathrm{(NH_4)_2SO_4}$, $\mathrm{NH_4Cl}$ oder $\mathrm{NaCl}$. Mit Natronlauge entsteht beim Erwärmen ein stechend riechendes Gas, mit angesäuerter Silbernitrat-Lösung bleibt die Lösung klar.

  1. a) Bestimmen Sie begründet, welches Salz vorliegt.
  2. b) Formulieren Sie die Ionengleichung des Ammonium-Nachweises.
  3. c) Schlagen Sie einen Nachweis für das Anion vor.
Lösen

Analysengang planen

Oft liegen mehrere Ionen nebeneinander vor. Dann gilt: Störende Ionen zuerst erkennen oder entfernen, dann weitere Nachweise.

Beispiel Mineralwasser mit Hydrogencarbonat und Chlorid:

  1. Carbonat/Hydrogencarbonat: Probe mit verdünnter Salzsäure versetzen, Gas in Kalkwasser leiten (Trübung).

  2. Chlorid: Eine neue Probe mit Salpetersäure ansäuern und kurz erwärmen. Das Carbonat entweicht als $\mathrm{CO_2}$. Dann Silbernitrat zugeben (weißer Niederschlag).

Würde man ohne Ansäuern fällen, fiele ein Gemisch aus AgCl und $\mathrm{Ag_2CO_3}$ aus. Löst sich ein Teil des Niederschlags in Salpetersäure unter Gasentwicklung, war Carbonat vorhanden:

$$\mathrm{Ag_2CO_3(s) + 2\,HNO_3(aq) \rightarrow 2\,AgNO_3(aq) + H_2O(l) + CO_2(g)}$$

AgCl bleibt ungelöst zurück.

Üben★★☆
Ein Mineralwasser aus dem Harz soll auf Hydrogencarbonat und Chlorid untersucht werden. a) Planen Sie je einen Nachweis für beide Ionen mit Reagenzien, Beobachtung und…

Ein Mineralwasser aus dem Harz soll auf Hydrogencarbonat und Chlorid untersucht werden.

  1. a) Planen Sie je einen Nachweis für beide Ionen mit Reagenzien, Beobachtung und Gleichung.
  2. b) Erläutern Sie, warum bei der Chlorid-Probe kein Sulfat oder Carbonat stören soll.
Lösen
Üben★★★
Ein unbekanntes weißes Salz $\mathrm{X}$ löst sich gut in Wasser. Beobachtungen: (1) Mit Natronlauge und Erwärmen entsteht ein Gas, das feuchtes Indikatorpapier blau…

Ein unbekanntes weißes Salz $\mathrm{X}$ löst sich gut in Wasser. Beobachtungen:

(1) Mit Natronlauge und Erwärmen entsteht ein Gas, das feuchtes Indikatorpapier blau färbt.

(2) Mit Salzsäure entsteht kein Gas.

(3) Nach Ansäuern mit Salpetersäure erzeugt Silbernitrat-Lösung einen gelblichen Niederschlag, der sich in konzentrierter Ammoniak-Lösung nur schwer löst.

  1. a) Ermitteln Sie begründet die Formel des Salzes.
  2. b) Formulieren Sie die Gleichungen zu (1) und (3).
  3. c) Beurteilen Sie, ob Beobachtung (2) allein ein Carbonat sicher ausschließt, und begründen Sie.
Lösen
Üben★★★
Ein Schüler will in einer Lösung Chlorid-Ionen nachweisen und gibt Silbernitrat-Lösung zu, ohne anzusäuern. Es fällt ein weißer Niederschlag aus, der sich in…

Ein Schüler will in einer Lösung Chlorid-Ionen nachweisen und gibt Silbernitrat-Lösung zu, ohne anzusäuern. Es fällt ein weißer Niederschlag aus, der sich in Salpetersäure unter Gasentwicklung teilweise löst.

  1. a) Deuten Sie die Beobachtung und nennen Sie die beiden Niederschläge.
  2. b) Formulieren Sie die Reaktionsgleichung für das Lösen unter Gasentwicklung.
  3. c) Entwerfen Sie einen Analysengang, der Chlorid und Carbonat nebeneinander sicher nachweist.
Lösen

Quantitative Chloridbestimmung durch Fällung

Fällt man Chlorid vollständig als AgCl aus, kann man den Niederschlag trocknen und wägen (Gravimetrie). Aus der Masse folgt die Stoffmenge, und weil $n(\mathrm{Cl^-}) = n(\mathrm{AgCl})$ (Verhältnis 1 : 1), auch die Konzentration in der Probe.

$$n(\mathrm{AgCl}) = \frac{m(\mathrm{AgCl})}{M(\mathrm{AgCl})} \qquad c(\mathrm{Cl^-}) = \frac{n(\mathrm{Cl^-})}{V_\mathrm{Probe}}$$
Üben★★★
Zur quantitativen Chloridbestimmung in einer Salzlösung werden $25{,}0\,\text{mL}$ Probe mit überschüssigem Silbernitrat gefällt. Der getrocknete Niederschlag hat die…

Zur quantitativen Chloridbestimmung in einer Salzlösung werden $25{,}0\,\text{mL}$ Probe mit überschüssigem Silbernitrat gefällt. Der getrocknete Niederschlag hat die Masse $0{,}574\,\text{g}$ ($M(\mathrm{AgCl}) = 143{,}4\,\text{g}\cdot\text{mol}^{-1}$).

  1. a) Berechnen Sie die Stoffmengenkonzentration der Chlorid-Ionen in der Probe.
  2. b) Berechnen Sie die Masse an $\mathrm{NaCl}$ ($M = 58{,}4\,\text{g}\cdot\text{mol}^{-1}$) pro Liter, wenn Chlorid nur aus $\mathrm{NaCl}$ stammt.
  3. c) Diskutieren Sie, wie sich unvollständiges Auswaschen des Niederschlags auf das Ergebnis auswirkt.
Lösen

Zurück zum Anfang: Mit angesäuerter Silbernitrat-Lösung, Säure plus Kalkwasser und Natronlauge plus Indikatorpapier kannst du die Ionen in den unbeschrifteten Flaschen eindeutig bestimmen.

Auf einen Blick

  • Halogenide: Ansäuern mit $\mathrm{HNO_3}$, dann $\mathrm{AgNO_3}$. AgCl weiß, AgBr gelblich, AgI gelb. Unterscheidung über die Löslichkeit in Ammoniak-Lösung.

  • Carbonat: Säure setzt $\mathrm{CO_2}$ frei, Kalkwasser trübt sich durch $\mathrm{CaCO_3}$.

  • Ammonium: Natronlauge und Wärme setzen $\mathrm{NH_3}$ frei, feuchtes Indikatorpapier wird blau.

  • Störungen vermeiden: Zuerst ansäuern oder Störionen entfernen, mehrere Beobachtungen kombinieren.

  • Quantitativ: Aus $m(\mathrm{AgCl})$ folgt $n(\mathrm{Cl^-})$ und $c(\mathrm{Cl^-})$.

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