Nachweise für Kationen

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Kationennachweise nennt man chemische Reaktionen, mit deren Hilfe ein Kation in einer Probelösung nachgewiesen werden kann (oder auch mehrere Kationen nebeneinander). Einige Kationen wie z.B. Natrium, Ammonium, Hydronium, Kalium etc. weist man in Vorproben nach - Nachweisreaktionen direkt aus der Ursubstanz. Die Mehrheit der Kationen teilt man in einem Kationentrenngang in Trenngangsgruppen ein. Nach der Abtrennung störender Kationen können dann die Einzelnachweise auf Kationen durchgeführt werden. Der folgende Artikel beschreibt die Durchführung dieser Anionennachweise in der qualitativ-anorganischen Analytik, wie sie an Schulen und Universitäten im Anfangsstudium gelehrt wird, und gibt die hier ablaufenden, für die allgemeine und anorganische Chemie wichtigen Reaktionen in Form von Reaktionsschemen an (in Reihenfolge des Kationentrenngangs).

Inhaltsverzeichnis 1 Oxonium- und Ammonium-ionen 2 Alkalimetall-Kationen 3 Silber- und Quecksilber-Kationen 4 Blei-Kationen 5 Kupfer-Kationen 6 Bismut-Kationen 7 Cadmium-Kationen 8 Antimon-Kationen 9 Arsen-Kationen 9.1 Die Marshsche Probe 9.2 Arsenat-Nachweis mit Magnesiumsalz 9.3 Arsenatnachweis mit Molybdatlösung 10 Zinn-Kationen 11 Nickel-Kationen 12 Mangan-Kationen 12.1 Nachweis als violettes Permanganat 12.2 Nachweis über die Boraxperle 13 Eisen-Kationen 13.1 Eisennachweise mit Hexacyanoferraten 13.2 Eisennachweise mit Thiocyanat 14 Chrom-Kationen 15 Aluminium-Kationen 16 Kobalt-Kationen 17 Erdalkalimetall-Kationen 18 Alkalimetall-Kationen 19 Siehe auch 20 Literatur 21 Weblinks

[Bearbeiten] Oxonium- und Ammonium-ionen

Säuren enthalten Protonen bzw. Hydroniumionen (s. o.); Ammoniumsalze weist man mit der Kreuzprobe nach: In einem Uhrglas wird angefeuchtetes Universalindikator befestigt, in ein zweites Uhrglas gibt man die Probe, etwas Ätznatron und einige Tropfen Wasser und bedeckt nun das zweite Uhrglas mit dem ersten. Eine Blaufärbung des Indikatorpapiers zeigt Hydroxidionen an – die Lauge entsteht durch Ammoniak, das aus dem Ammoniumsalz freigesetzt wurde (Verdrängungsreaktion).

[Bearbeiten] Alkalimetall-Kationen

Alkalimetalle lassen sich gut durch Flammenfärbung nachweisen; auch Barium-, Strontium- und Kupfer(II)-salze färben die Flamme (s. u.). Zum Abschirmen der dominant hellgelben Farbe des Natriums wird, falls nötig, ein Kobaltglas benutzt.

[Bearbeiten] Silber- und Quecksilber-Kationen

Silbersalze weist man durch Zugabe von Salzsäure oder Natriumchloridlösung nach: Weißer Niederschlag von Silberchlorid (komplex löslich mit verdünntem Ammoniakwasser als Ligand, es entsteht der Silberdiamminkomplex [Ag(NH₃)₂]⁺).

Quecksilbersalze sind hochgiftig. Man weist sie durch die Amalgamprobe nach: Die salpetersaure Lösung wird auf ein Kupferblech gegeben – zurück bleibt ein nicht abwischbarer, silbriger Amalgamfleck:

(Redoxreaktion: Quecksilberkationen oxidieren Kupfer zu Kupferionen und Quecksilber; letzteres bildet mit dem Kupferblech eine Legierung, Kupfer-Amalgam. Silbersalze bilden ebenfalls Flecke, jedoch ist das hier entstehende Silber fest und somit abwischbar; Silber wird daher besser mit Salzsäure als Chlorid gefällt, welches in verdünntem Ammoniak löslich ist; s. o.).

[Bearbeiten] Blei-Kationen

Bleiionen in Lösung weist man mit Sulfidlösung nach – es fällt schwarzes Bleisulfid PbS aus – so z. B. aus Blei(II)-nitrat-Lösung:

Der Nachweis wird jedoch durch andere Schwermetall-Kationen gestört. Mit Iodid-Lösung fällt gelbes Blei(II)-iodid (PbI₂) aus (sogar bei Verwendung von nur in heißem Wasser löslichen Blei(II)-chlorid):

Mit Dichromatlösung (orange, sauer) fällt gelbes Bleichromat aus – das Pigment Chromgelb (PbCrO₄).

[Bearbeiten] Kupfer-Kationen

Kupfer(II)-salze ergeben mit Ammoniaklösung bei pH-Werten über 8 tiefblaue Komplexsalz-Lösungen (Kupfertetramminkomplex: [Cu(NH₃)₄]²⁺ – auch als Tetramminkupfer(II) bezeichnet):

Komplexbildungsreaktion

[Bearbeiten] Bismut-Kationen

Zum Nachweis von Bismut (Bi) ist die neutralisierte Bismutsalzlösung zu neutralisieren und mit alkalischer Stannat(II)-Lsg. zu versetzen (Redoxreaktion mit Zinn(II)-Ionen als Reduktionsmittel: Elementares Bi fällt schwarz aus) oder mit Natriumiodidlösung (zunächst fällt schwarzes Bismut(III)-iodiod aus, das sich dann im Iodidüberschuss als orange Tetraiodobismutat-Komplex löst):

Komplexbildungsreaktion

[Bearbeiten] Cadmium-Kationen

Cadmium weist man durch Zugabe von Natrium- oder Ammoniumsulfidlösung zur essigsauren Cadmiumsalzlösung nach: Es entsteht ein gelber Niederschlag von Cadmiumsulfid. Im Kationentrenngang ist Cadmium zuvor von störenden Begleitmetallen bzw. -schwermetallkationen zu trennen (vgl. unter Schwefelwasserstoffgruppe, dort ist CdS auch abgebildet). Insbesonders Kupferionen stören hier diesen Nachweis und müssen zuvor mit giftigem Kaliumcyanid „maskiert“ werden.

Kupfersalze müssen im Kationentrenngang vor dem Cadmiumnachweis aufwändig in einen farblosen Tetracyanocuprat(II)-Komplex überführt werden: Nach Zugabe von Zyankali (KCN) zur Hauptlösung der Kupfergruppe muss sich die Lösung entfärben (ein zusätzlicher Nachweis für Cu; Achtung: Ab hier die Lösung nicht mehr ansäuern, sonst entsteht hochgiftige Blausäure (HCN-Gas)! Bei der Entsorgung beachten – mit konz. Wasserstoffperoxid entgiften!). Wenn man bis zur vollständigen Entfärung KCN zugegeben hat, kann man dann mit H₂S Wasser das gelbe Cadmiumsulfid CdS ausfällen, ohne dass schwarzes Kupfer(II)-sulfid stört.

[Bearbeiten] Antimon-Kationen

Antimon weist man durch Ausfällung als orange Antimon(III)-Sulfid oder durch die Nagelprobe nach. Nagelprobe: Einen Eisennagel in die Antimonsalz-Lösung legen, an ihm bildet sich elementares Antimon (Sb). Diese kann im Sauren gelöst und mit H₂S-Wasser als orangefarbiges Sulfid gefällt werden.

Alternativ kann die Marshsche Probe durchgeführt werden – ein Nachweis für Antimon und Arsen:

[Bearbeiten] Arsen-Kationen

[Bearbeiten] Die Marshsche Probe

Siehe Marshsche Probe

[Bearbeiten] Arsenat-Nachweis mit Magnesiumsalz

Arsenat-Ionen ähneln dem Phosphat-Anion. Entsprechend gibt es weitere, den Phosphat-Nachweisen ähnliche Reaktionen zur Identifikation von Arsenat:

Gibt man zu einer ammoniakalischen, ammoniumchloridhaltigen Lösung von Arsenat Magnesium-Ionen, so erhält man einen kristallinen Niederschlag von Magnesiumammoniumarsenat-Hexahydrat:

Arsenat reagiert mit Magnesiumionen, Ammoniumionen und Wasser zu Magnesiumammoniumarsenat-Hexahydrat.

[Bearbeiten] Arsenatnachweis mit Molybdatlösung

Eine weitere, dem Phosphatnachweis Nachweisreaktion von Arsenat in wässriger Lösung ist die Fällung mit Ammoniummolybdat. Der gelbe Niederschlag ist schwerlöslich in Säuren, aber gut löslich in Basen:

Dihydrogenarsenat reagiert mit Wasserstoffionen, Ammoniumionen und Molybdationen zu Ammoniumarsenomolybdat und Wasser.

[Bearbeiten] Zinn-Kationen

Zinnsalze können sehr gut mit der Leuchtprobe nachgewiesen werden: Die Lösung ist mit 20 % HCl und Zinkpulver zu versetzten – es entsteht Wasserstoff (naszierend, atomar – gutes Reduktionsmittel). In diese Lösung ein Reagenzglas eintauchen, das mit kaltem Wasser oder mit etwas mit Kaliumpermanganat eingefärbtem Eis gefüllt ist. Im Dunkeln in die nichtleuchtende Bunsenbrennerflamme halten. Nach kurzer Zeit entsteht bei Anwesenheit von Sn-Ionen die typische blaue Fluoreszenz, hervorgefufen durch das Gas Stannan. (Bei Unsicherheiten: Vergleichs- und Blindprobe durchführen!).

[Bearbeiten] Nickel-Kationen

Die in Wasser meist mit grüner Farbe löslichen Nickel(II)-Salze werden im Kationentrenngang durch Ammoniumsulfid als grauschwarzes Nickel(II)-sulfid ausgefällt. Der spezifische Nachweis ist dann durch Tschugajews Reagens, einer alkoholischen Dimethylglyoxim-Lösung (DMG), möglich. In ammoniakalischer Lösung fällt das himbeerrote Nickel-dimethylglyoxim als Komplex aus:

Es ist in verdünnten Mineralsäuren unter Zerfall und in Natronlauge in Gegenwart von starken Oxidationsmitteln wie Peroxodisulfat zur ebenfalls intensiv roten Nickel(III)-Verbindung löslich.

[Bearbeiten] Mangan-Kationen

[Bearbeiten] Nachweis als violettes Permanganat

Mangan(II)-Kationen werden zum Nachweis im Kationentrenngang im so genannten „Alkalischen Bad“ – einer Mischung aus konz. Wasserstoffperoxid und Natriumhydroxid – zum Mangan(IV)-Kation oxidiert. Das Mangan(IV)-oxid-hydroxid „Braunstein“ wird dann durch Kochen in konz. Salpetersäure gelöst und mit Blei(IV)-oxid zum violetten Permanganat aufoxidiert:

1: Aufoxidation zum Mangan(IV)-Kation im Alkalischen Bad:

2: Nachweis als Permanganat mit Blei(IV)-oxid (oder ähnlich durch Oxidationsschmelze mit Soda und Salpeter):

3: Nachweis über die Oxidationsschmelze: Die Probe wird mit der 7fachen Menge eines Soda-Salpeter-Salzgemisches gemörsert und im Porzellantigel erhitzt; blaugrünes Manganat(VI) zeigt Mangansalze an, gelbes Chromat Chromsalze. Das Manganat disproportioniert bei Kontakt mit Essigsäure zum rosavioletten Permanganat (Manganat(VII)) und zu Mangan(IV)-oxid (Redoxreaktion).

[Bearbeiten] Nachweis über die Boraxperle

Die Boraxperle wird zum qualitativen Nachweis einiger Metalle beim Kationentrennungsgang in der Analytischen Chemie verwendet.

Dazu wird ein Magnesia-Stäbchen in das zu analysierende Material getaucht, anschließend in Borax (Na₂B₄O₇) getaucht und nun solange in der offenen Flamme erhitzt, bis der Borax zu einer Perle verschmilzt.

Setzt man nun Proben einiger Körner von Schwermetall-Verbindungen zu und verschmilzt sie mit der Perle, so können charakteristisch gefärbte Borat-Verbindungen entstehen. Bei Mangan-Ionen kann in der Oxidationszone der Flamme so das violette Permanganat entstehen.

Anhand der Färbung der Perle können Aussagen auch zu weiteren Kationen gemacht werden – hier im Überblick:

Kation	Oxidationsflamme	Reduktionsflamme
Fe2+	gelb-farblos	schwach grün
Mn2+	violett	farblos
Co2+	blau	blau
Ni2+	gelb-rot	braun
Cr3+	smaragdgrün	smaragdgrün

[Bearbeiten] Eisen-Kationen

Bei Eisen werden vor allem zwei Ionen unterschieden: Fe²⁺ und Fe³⁺.

[Bearbeiten] Eisennachweise mit Hexacyanoferraten

Die Fe²⁺-Ionen lassen sich mit rotem Blutlaugensalz nachweisen. Dabei entsteht ein interessantes Produkt – ein Eisen(II)-Eisen(III)-Komplex.

Das Pigment trägt den Namen Turnbulls Blau – es läuft in gewissem Sinne jedoch keine Komplexbildungsreaktion ab, sondern zunächst lediglich ein Ionenaustausch (Fällungsreaktion), in dessen Niederschlagsprodukt dann jedoch beide Eisenionen unterschiedlicher Wertigkeit wie in einem Komplex agieren können (Charge transfer):

Fe³⁺-Ionen lassen sich mit gelbem Blutlaugensalz nachweisen:

Bei dieser Nachweisreaktion entsteht Berliner Blau, ein wichtiger Farbstoff. Turnbulls Blau und Berliner Blau sind trotz der hier angegebenen, unterschiedlichen Formeln identisch – nur ihre Herstellungswege sind unterschiedlich: Die Gewinnung von Turnbulls Blau erfolgt durch das Umsetzen von Eisen(II)-salzen mit Kaliumhexacyanoferrat(III) (rotes Blutlaugensalz) in wässriger Lösung – die von Berliner Blau durch Umsetzen von Eisen(III)-salzen mit Kaliumhexacyanoferrat(II) (gelbes Blutlaugensalz).

Mittels EPR- und Mößbauerspektroskopie konnte jedoch festgestellt werden, dass die Reaktionsprodukte beider Nachweisreaktionen jedoch weitgehend identisch sind, da folgendes Gleichgewicht besteht:

[Bearbeiten] Eisennachweise mit Thiocyanat

Alternativ kann man Eisen(III)-salze durch Zugabe von Kaliumthiocyanat oder Ammoniumthiocyanatlösung („Rhodanid“) nachweisen (KSCN). Diese reagiert mit Eisen(III)-Kationen zu blutrotem Eisen(III)-thiocyanat:

[Bearbeiten] Chrom-Kationen

Chrom(III)-salze ergeben bei der Reaktion mit dem „Alkalischen Bad“ (Ätznatron in konz. Wasserstoffperoxidlösung) gelbe Chromatlösungen, die im Sauren zu orange Dichromat reagieren:

Achtung: Chromate und Dichromate sind krebserregend, giftig! Entgiftung durch Zugabe von Säure und Metall, wobei durch Einwirkung des Reduktionsmittels naszierender Wasserstoff wieder grüne Chrom(III)-ionen entstehen.

Auch bei den Vorproben tritt beim Schmelzen der Salzperle mit Phosphorsalz (NaNH₄HPO₄) oder Borax (Dinatriumtetraborat: Na₂B₄O₇) tritt eine charakteristische Färbung mit Schwermetallsalzen auf (mit Cr³⁺ grün). Bei der Oxidationsschmelze mit Soda und Salpeter hingegen wird Chrom(III) zu Chromat oxidiert (Gelbfärbung).

[Bearbeiten] Aluminium-Kationen

Aluminiumsalze weist man durch Glühen mit verdünnter Kobaltnitratlöasung auf der Magnesiarinne nach. Dabei entsteht das Pigment Thénards Blau (Kobaltblau oder Cobaltblau, Dumonts Blau, Coelestinblau, Leithners Blau, Cobaltaluminat). Es ist ein Cobaltaluminiumspinell mit der Formel CoAl₂O₄ und wurde 1795 von Leithner durch Glühen von Aluminiumsulfat und Cobaltnitrat (Co(NO₃)₂) entdeckt. Die industrielle Erzeugung wurde durch den Pariser Universitätsprofessor Louis Jacques Thénard veranlasst.

[Bearbeiten] Kobalt-Kationen

Unter Zugabe von Natriumhyroxydlösung bildet sich zuerst ein blauer Niederschlag, unter Hitze entsteht dann das rosenrote Co(OH)². Eine andere Möglichkeit ist die Identifikation als pinkes Kobaltthiocyanat:

Durch Lösen in einem organischen Lösungsmittel (z. B. Amylalkohol) ändert sich die Farbe nach blau. (Der Nachweis mit Thiocyanat interferiert mit Fe³⁺)

[Bearbeiten] Erdalkalimetall-Kationen

Neben der Flammenfärbung (Barium, Strontium, s. o.) weist man Kalzium-, Strontium- und Barium-Kationen mit Schwefelsäure oder Ammoniumsulfatlösung nach. Es entstehen weiße, säureunlösliche Niederschläge:

Auch mit Hydroxyd-, Carbonat-, Oxalat- und Dichromat-Anionen können Niederschläge unterschiedlich geringer Löslichkeit erzeugt werden. Deren genauere Untersuchung lässt dann eine Unterscheidung der Erdalkalimetall-Kationen zu (vgl. unter Kationentrenngang und Ammoniumcarbonatgruppe).

Magnesiumsalze bilden mit Phosphatsalz-Lösungen, welche auf pH-Werte von 8–9 gepuffert wurden, weiße, säurelösliche Trübungen von Magnesiumammoniumphosphat (Ammoniak/Ammoniumchlorid-Puffer). Die schwermetallfreie, mit Ammoniak und Ammoniumchlorid auf pH 8–9 gepufferte Probelösung wird dazu mit Dinatriumhydrogenphosphatlösung versetzt. Eine weiße Trübung von Magnesiumammoniumphosphat (MgNH₄PO₄) zeigt Magnesiumionen an (säurelöslich):

[Bearbeiten] Alkalimetall-Kationen

Alkalimetallsalze - wie auch Erdalkalisalze - weist man über ihre Flammenfärbung mit der Flammprobe nach:

Lithium, karminrot	Natrium, natriumgelb	Natrium	Kalium, violett
Calcium, ziegelrot	Strontium, rot	Kupfer, grün, auch blau	Kupfersulfat

[Bearbeiten] Siehe auch

Weitere Nachweisreaktionen finden sich in den Hauptartikeln:

• Nachweis (Chemie)
• Nachweise für Anionen
• Nachweise organischer Stoffe

[Bearbeiten] Literatur

• Gerhart Jander, E. Blasius: Einführung in das anorganisch-chemische Praktikum. S. Hirzel Verlag, Stuttgart 2005 (in 15. Aufl.), ISBN 3-7776-1364-9
• Michael Wächter: Stoffe, Teilchen, Reaktionen. Verlag Handwerk und Technik,Hamburg 2000, S.154-169 ISBN 3-582-01235-2
• Bertram Schmidkonz: Praktikum anorganisch-qualitative Analyse. Ferd. Dümmler Verlag, Bonn 1998, ISBN 3-427-43351-X

[Bearbeiten] Weblinks

• PDF-Datei über qualitative anorganische Analysen
• Hier kann man online virtuelle Nachweisreaktionen / Analysen durchführen