Carbonat: Kohlendioxid-Nachweis mit Barytwasser
Carbonat und Hydrogencarbonat weist man über das beim Ansäuern entweichende Kohlendioxid nach, das in Barytwasser weißes Bariumcarbonat fällt. Die Seite zeigt außerdem, wie man die Störung durch Sulfit ausschaltet.
Das Wichtigste in Kürze
- Der Carbonatnachweis beruht darauf, dass Carbonat und Hydrogencarbonat beim Ansäuern \(\ce{CO2}\) freisetzen, das man getrennt von der Probe nachweist.
- Mit verdünnter Essigsäure oder verdünnter Salzsäure zerfällt die instabile Kohlensäure zu \(\ce{CO2}\); schwach alkalisch entweicht kein Gas.
- In Barytwasser fällt \(\ce{CO2}\) als weißes \(\ce{BaCO3}\), das sich in Salzsäure wieder löst.
- Die räumliche Trennung von Probe und Vorlage erhöht die Selektivität, weil nur flüchtige Stoffe die Vorlage erreichen.
- Sulfit stört über \(\ce{SO2}\) und weißes, salzsäurelösliches \(\ce{BaSO3}\); Oxidation mit \(\ce{H2O2}\) in der Siedehitze beseitigt die Störung.
- Im Gärröhrchen entfärben \(\ce{CO2}\) und \(\ce{SO2}\) eine mit Phenolphthalein gerötete \(\ce{Na2CO3}\)-Lösung.
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Worum es geht
Carbonat und Hydrogencarbonat weist man nicht direkt in der Lösung nach. Man nutzt das Kohlendioxid, das beim Ansäuern entweicht. In der Pharmazie braucht man das etwa bei der Identitätsprüfung von Natriumhydrogencarbonat.
| Nachweis | Reagenz und Bedingungen | Beobachtung |
|---|---|---|
| Barytwasserprobe | verdünnte Essigsäure oder verdünnte \(\ce{HCl}\), Gas in \(\ce{Ba(OH)2}\)-Lösung einleiten | weißer Niederschlag von \(\ce{BaCO3}\), löslich in Salzsäure |
| Gärröhrchen-Variante | verdünnte \(\ce{H2SO4}\), Gas in mit Phenolphthalein gerötete \(\ce{Na2CO3}\)-Lösung | Entfärbung von Rot nach farblos |
| Konzentrierte Schwefelsäure | konz. \(\ce{H2SO4}\) auf das feste Salz | Aufschäumen, farbloses und geruchloses Gas |
Barytwasserprobe
Carbonat ist das Anion einer schwachen und instabilen Säure. Eine stärkere Säure protoniert es zu Kohlensäure. Diese zerfällt sofort in Wasser und \(\ce{CO2}\), das als Gas entweicht. Hydrogencarbonat verhält sich genauso.
\[\ce{CO3^2- + 2 H+ -> H2CO3 -> CO2 ^ + H2O}\]
\[\ce{HCO3- + H+ -> CO2 ^ + H2O}\]
Durchführung und Bedingungen
Man versetzt die Probe mit verdünnter Essigsäure und erwärmt gelinde. Statt Essigsäure eignet sich ebenso verdünnte Salzsäure. Ein Stopfen mit gebogenem Glasrohr leitet das Gas in ein zweites Reagenzglas mit Barytwasser, einer klaren Lösung von \(\ce{Ba(OH)2}\). Die Identitätsreaktion auf Carbonat und Hydrogencarbonat arbeitet in genau diesem essigsauren Milieu.
\[\ce{CO3^2- + 2 CH3COOH -> CO2 ^ + H2O + 2 CH3COO-}\]
Essigsäure reicht aus. Mit \(\mathrm{p}K_\mathrm{s}\) 4,76 ist sie deutlich stärker als Kohlensäure mit \(\mathrm{p}K_\mathrm{s1}\) 6,35. In schwach alkalischer Lösung entsteht dagegen keine Kohlensäure. Dort bleibt der Kohlenstoff als Carbonat oder Hydrogencarbonat gebunden, und es entweicht nichts.
Beobachtung
Die Probe schäumt auf. Im Barytwasser bildet sich ein weißer Niederschlag von schwerlöslichem Bariumcarbonat. Gibt man Salzsäure hinzu, löst er sich unter erneuter Gasentwicklung wieder auf.
\[\ce{CO2 + Ba^2+ + 2 OH- -> BaCO3 v + H2O}\]
\[\ce{BaCO3 + 2 H+ -> Ba^2+ + CO2 ^ + H2O}\]
Die Barytwasserprobe wird im Examen gerne gefragt: \(\ce{CO2}\) aus der mit Essigsäure oder verdünnter Salzsäure angesäuerten Probe fällt in \(\ce{Ba(OH)2}\) weißes \(\ce{BaCO3}\). Achte darauf, dass dieser Niederschlag salzsäurelöslich ist und die Freisetzung eine Säure braucht.
Räumliche Trennung
Nur flüchtige Stoffe gelangen durch das Glasrohr in die Vorlage. Nichtflüchtige Anionen wie Sulfat bleiben in der Probe und treffen nie auf \(\ce{Ba^2+}\). Die räumliche Trennung von Probe und Reagenz erhöht so die Selektivität erheblich. Man kann sich das Glasrohr wie einen Filter vorstellen, der nur Gase durchlässt.
Verhalten in stark saurer Lösung
Weil Carbonat beim Ansäuern entweicht, fällt es in mineralsaurer Lösung nicht mit \(\ce{CaCl2}\) oder \(\ce{BaCl2}\). Davon profitiert der Sulfatnachweis, der deshalb in salzsaurer Lösung läuft. Dampft man eine Probe mit konzentrierter Salzsäure ein, ist das Carbonat danach vollständig als \(\ce{CO2}\) entfernt. Kaliumcarbonat liefert mit konzentrierter Schwefelsäure nur farbloses, geruchloses \(\ce{CO2}\). Gefärbte oder stechend riechende Gase wie bei Bromid oder Chlorid treten nicht auf.
Störungen
Die Vorlage sieht nur das Gas, das aus der Probe aufsteigt. Stören kann also nur ein Anion, das beim Ansäuern ebenfalls ein saures Gas bildet und mit \(\ce{Ba^2+}\) schwerlöslich fällt. Das ist vor allem Sulfit.
Ein Anion stört die Barytwasserprobe nur dann, wenn es ein flüchtiges Gas liefert und dieses in der Vorlage einen weißen Bariumniederschlag bildet.
Sulfit stört
Sulfit setzt mit Essigsäure beim Erwärmen \(\ce{SO2}\) frei, wie bei seinem Verhalten beim Ansäuern beschrieben. In der Vorlage fällt dann weißes \(\ce{BaSO3}\).
\[\ce{SO3^2- + 2 H+ -> SO2 ^ + H2O}\]
\[\ce{SO2 + Ba^2+ + 2 OH- -> BaSO3 v + H2O}\]
Auch dieser Niederschlag löst sich in Salzsäure. Die Löslichkeit hilft deshalb bei der Unterscheidung nicht. Die bloße Gasentwicklung mit verdünnter Schwefelsäure trennt die beiden Anionen ebenfalls nicht, denn beide schäumen auf.
Gas \(\ce{CO2}\), geruchlos. Fällt weißes \(\ce{BaCO3}\), löslich in \(\ce{HCl}\).
Gas \(\ce{SO2}\), stechend riechend. Fällt weißes \(\ce{BaSO3}\), ebenfalls löslich in \(\ce{HCl}\).
Sulfit beseitigen
Die Lösung ist, Sulfit vorher in nichtflüchtiges Sulfat zu überführen. Wasserstoffperoxid oxidiert es dazu in der Siedehitze.
\[\ce{SO3^2- + H2O2 -> SO4^2- + H2O}\]
- Oxidieren: Probe mit \(\ce{H2O2}\) zum Sieden erhitzen, Sulfit wird zu Sulfat.
- Ansäuern: mit verdünnter Salzsäure versetzen, nur Carbonat setzt jetzt Gas frei.
- Einleiten: Gas in \(\ce{Ba(OH)2}\)-Lösung leiten, ein weißer Niederschlag zeigt Carbonat an.
Anionen, die nicht stören
Acetat, Azid, Nitrit, Sulfat und Oxalat stören die Probe mit Essigsäure und Bariumhydroxid nicht. Sulfat und Oxalat setzen mit verdünnter Essigsäure kein Gas frei. Aus Acetat, Azid und Nitrit können zwar flüchtige Stoffe entstehen, deren Bariumsalze sind aber löslich. Sulfid gibt aus demselben Grund keinen weißen Niederschlag.
Anders liegt der Fall, wenn Oxalat neben Oxidationsmitteln vorliegt. Permanganat etwa oxidiert es zu \(\ce{CO2}\), und das täuscht Carbonat vor. Mehr zu Oxalat steht bei den organischen Anionen.
\[\ce{5 C2O4^2- + 2 MnO4- + 16 H+ -> 10 CO2 ^ + 2 Mn^2+ + 8 H2O}\]
Gärröhrchen-Variante
Hier ersetzt ein Gärröhrchen die zweite Vorlage. Es enthält Natriumcarbonatlösung, die mit Phenolphthalein rot gefärbt ist. Die Probe wird mit verdünnter Schwefelsäure angesäuert. Ein saures Gas wandelt Carbonat in Hydrogencarbonat um. Der pH-Wert sinkt unter den Umschlagsbereich, und die Lösung wird farblos.
\[\ce{CO2 + CO3^2- + H2O -> 2 HCO3-}\]
Das gelingt mit \(\ce{CO2}\) aus Carbonat oder Hydrogencarbonat ebenso wie mit \(\ce{SO2}\) aus Sulfit. Die Variante ist also nicht spezifisch für Carbonat. Borax und Ammoniumnitrat entfärben die Vorlage dagegen nicht, denn sie geben bei Raumtemperatur kein flüchtiges saures Gas ab.
Quiz
Aussage 1
Kocht man die Probe vorher mit \(\ce{H2O2}\), wird Sulfit zu Sulfat oxidiert und stört die Barytwasserprobe danach nicht mehr.
Sulfat ist nichtflüchtig, bleibt in der Probe und erreicht die Vorlage nicht.
Aussage 2
Schon in schwach alkalischer Lösung setzt Carbonat genügend \(\ce{CO2}\) frei, um Barytwasser zu trüben.
In schwach alkalischer Lösung bleibt der Kohlenstoff als Carbonat oder Hydrogencarbonat gebunden. Man muss ansäuern, etwa mit Essigsäure oder verdünnter Salzsäure.
Aussage 3
Zum Austreiben von \(\ce{CO2}\) kann man die verdünnte Essigsäure durch verdünnte Salzsäure ersetzen.
Beide Säuren sind stärker als Kohlensäure und setzen \(\ce{CO2}\) aus Carbonat frei.
Aussage 4
Der weiße Niederschlag in der Barytwasservorlage löst sich in Salzsäure unter erneuter Gasentwicklung auf.
\(\ce{BaCO3}\) ist das Salz einer schwachen, flüchtigen Säure und löst sich in Salzsäure unter \(\ce{CO2}\)-Bildung.
Aussage 5
In der Gärröhrchen-Variante färbt eingeleitetes \(\ce{CO2}\) eine farblose Phenolphthalein-Natriumcarbonatlösung rot.
Umgekehrt: Die Vorlage ist zunächst rot und wird durch \(\ce{CO2}\) entfärbt, weil Carbonat zu Hydrogencarbonat umgesetzt wird und der pH-Wert sinkt.
Aussage 6
Sulfat stört die Barytwasserprobe, weil es in der Vorlage weißes Bariumsulfat bildet.
Sulfat setzt mit verdünnter Essigsäure kein Gas frei und gelangt durch die räumliche Trennung nicht in die Vorlage. Es stört nicht.
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