Kalium: Fällungsnachweise und Grenzprüfung
Wie man Kalium-Ionen über schwerlösliche Salze mit Weinsäure, Hexanitritocobaltat, Perchlorat und Tetraphenylborat nachweist und wie die Grenzprüfung auf Kalium funktioniert.
Das Wichtigste in Kürze
- Der Kalium-Nachweis beruht auf wenigen schwerlöslichen Salzen, weil fast alle Kaliumsalze gut wasserlöslich sind.
- Identität nach Arzneibuch: Vorbehandlung mit Natriumcarbonat und Natriumsulfid entfernt störende Kationen, dann fällt in der Kälte mit Weinsäure langsam weißes, kristallines \(\ce{KC4H5O6}\).
- Natriumhexanitritocobaltat(III) fällt \(\ce{K+}\) in essigsaurer Lösung gelb bis orangegelb als \(\ce{K2Na[Co(NO2)6]}\).
- Natriumperchlorat ist leichter löslich als \(\ce{KClO4}\), daher fällt Kalium mit Perchlorat aus.
- Die Grenzprüfung auf Kalium nutzt die Trübung mit Natriumtetraphenylborat im Vergleich zu einer Referenzlösung.
- Iodid, Iodat, Oxalat, \(\ce{NaH2PO4}\) und Hexahydroxoantimonat fällen Kalium nicht, Letzteres ist das Natrium-Reagenz.
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Worum es geht
Kalium-Ionen sind farblos und bilden kaum schwerlösliche Salze. Deshalb braucht man für ihren Nachweis besondere Fällungsreagenzien. Diese Nachweise begegnen dir bei Kaliumsalzen wie Kaliumchlorid, bei Kaliumcitrat und überall dort, wo Kalium als Verunreinigung begrenzt werden muss.
| Nachweis | Reagenz und Bedingungen | Beobachtung |
|---|---|---|
| Identität nach Arzneibuch | Vorbehandlung mit \(\ce{Na2CO3}\) und \(\ce{Na2S}\), dann Weinsäure in der Kälte | langsam weißer, kristalliner Niederschlag von \(\ce{KC4H5O6}\) |
| Hexanitritocobaltat | \(\ce{Na3[Co(NO2)6]}\) in essigsaurer Lösung | gelber bis orangegelber Niederschlag |
| Grenzprüfung | Natriumtetraphenylborat, Vergleich mit Referenzlösung | Trübung durch \(\ce{K[B(C6H5)4]}\) |
| Perchlorat | Perchlorat-Ionen in wässriger Lösung | weißer Niederschlag von \(\ce{KClO4}\) |
Fällungsreagenzien und Grenzprüfung
Fast alle Kaliumsalze sind gut wasserlöslich. Ein Nachweis gelingt nur mit Anionen, die gezielt mit dem großen, schwach hydratisierten \(\ce{K+}\) ein Ionengitter bilden. Das kleinere, stärker hydratisierte \(\ce{Na+}\) bleibt dabei meist in Lösung. Genau das macht die Natriumsalze dieser Anionen zu brauchbaren Reagenzien. Die violette Flammenfärbung liefert nur eine Vorprobe.
Weinsäure: Kaliumhydrogentartrat
Prinzip: Weinsäure gibt in Gegenwart von \(\ce{K+}\) ein Proton ab. Es entsteht Kaliumhydrogentartrat, das saure Salz, das schwer löslich ist. Statt Weinsäure kann man auch Natriumhydrogentartrat einsetzen.
\[\ce{K+ + C4H6O6 -> KC4H5O6 v + H+}\]
Durchführung nach Arzneibuch: Zuerst kommt die Vorbehandlung. Man versetzt die Probelösung mit Natriumcarbonat und erhitzt. Es darf kein Niederschlag entstehen. Dann gibt man Natriumsulfid zu, auch hier bleibt die Lösung klar. Erst danach kühlt man in Eiswasser und setzt Weinsäure zu. Die Abbildung zeigt den Ablauf.
Die Vorbehandlung trennt störende Kationen ab. Erdalkali- und Schwermetallionen würden als Carbonate, Hydroxide oder Sulfide ausfallen und den Befund verfälschen. Kalium selbst fällt dabei nicht, denn Kaliumcarbonat und Kaliumsulfid sind gut löslich. Eine klare Lösung zeigt also, dass nur noch Alkaliionen vorliegen. Das Erhitzen mit Carbonat vertreibt zudem Ammonium als Ammoniak.
Beobachtung: Es bildet sich langsam ein weißer, kristalliner Niederschlag. Die Kälte senkt die Löslichkeit des Hydrogentartrats, denn es löst sich in warmem Wasser deutlich besser. Die Fällung braucht Zeit, weil die Lösung zunächst übersättigt bleibt. Man lässt deshalb stehen, Reiben mit dem Glasstab an der Gefäßwand beschleunigt die Kristallbildung.
Natriumhexanitritocobaltat(III)
Prinzip: Das Komplexanion \(\ce{[Co(NO2)6]^3-}\) bildet mit Kalium ein schwerlösliches Doppelsalz. Das Reagenz kennst du schon vom Ammonium-Nachweis. In der Literatur heißt es auch Natriumhexanitrocobaltat(III), gemeint ist dieselbe Verbindung.
Durchführung: Man säuert die Probelösung mit Essigsäure an und gibt die Reagenzlösung zu. Der schwach saure Bereich ist nötig. In stark saurer Lösung zersetzt sich das Nitrit, in alkalischer Lösung zerfällt der Komplex.
Beobachtung: ein gelber bis orangegelber Niederschlag.
\[\ce{2K+ + Na+ + [Co(NO2)6]^3- -> K2Na[Co(NO2)6] v}\]
Störung: Ammonium gibt mit demselben Reagenz einen ähnlich gefärbten Niederschlag. Es muss vorher entfernt werden.
Perchlorat
Prinzip: Kaliumperchlorat ist in kaltem Wasser schwer löslich. Mit Perchlorat-Ionen fällt \(\ce{K+}\) daher aus wässriger Lösung als weißes \(\ce{KClO4}\).
\[\ce{K+ + ClO4- -> KClO4 v}\]
Abgrenzung: Natriumperchlorat ist viel leichter löslich als Kaliumperchlorat. Das Natriumsalz taugt deshalb als Reagenz. Will man umgekehrt festellen, ob ein Perchlorat ein Kalium- oder ein Natriumsalz ist, hilft die Hydrogentartrat-Fällung: Nur die Lösung von Kaliumperchlorat liefert mit Weinsäure den weißen Niederschlag.
Tetraphenylborat und Grenzprüfung
\(\ce{[B(C6H5)4]-}\) ist ein großes, einfach negatives Anion aus einem tetraedrischen Boratom und vier Phenylringen. Als Natriumsalz \(\ce{Na[B(C6H5)4]}\) ist es ein selektives Fällungsreagenz für \(\ce{K+}\).
Prinzip: Die vier Phenylringe umhüllen die Ladung am Bor wie ein Schutzschild. Das Anion ist dadurch lipophil und wird kaum hydratisiert. Mit großen, schwach hydratisierten Kationen wie \(\ce{K+}\) bildet es ein festes Salz. Das kleine \(\ce{Na+}\) hält seine Hydrathülle fest, sein Salz bleibt gelöst.
\[\ce{K+ + [B(C6H5)4]- -> K[B(C6H5)4] v}\]
Die Fällung ist sehr empfindlich. Schon Spuren von Kalium erzeugen einen feinen, weißen Niederschlag. Daraus folgt die Grenzprüfung auf Kalium nach Arzneibuch. Man versetzt die Probelösung mit Natriumtetraphenylborat und beurteilt die entstehende Trübung. Eine Referenzlösung mit bekanntem Kaliumgehalt wird gleich behandelt. Die Trübung der Probe darf nicht stärker sein als die der Referenz. Das Prinzip des Vergleichs kennst du aus der Grenzprüfung mit Referenzlösung.
Identität auf Kalium über Weinsäure, Grenzprüfung auf Kalium über Tetraphenylborat: Die eine liefert Kristalle, die andere eine Trübung.
Auch Ammonium bildet ein schwerlösliches Tetraphenylborat. Selektiv ist das Reagenz also gegenüber Natrium und den übrigen häufigen Kationen, nicht gegenüber Ammonium.
Ungeeignete Reagenzien
Viele Anionen fällen andere Kationen gut, lassen Kalium aber in Lösung. Ihre Kaliumsalze sind leicht löslich. Die Tabelle ordnet sie dem Nachweis zu, für den sie tatsächlich gedacht sind.
| Reagenz | Kaliumsalz | eigentliche Verwendung |
|---|---|---|
| Iodid | \(\ce{KI}\) gut löslich | fällt etwa Blei und Silber |
| Iodat | \(\ce{KIO3}\) gut löslich | Oxidationsmittel, eigener Anionennachweis |
| Oxalat | Kaliumoxalat gut löslich | Fällung von Calcium |
| \(\ce{NaH2PO4}\) | Kaliumphosphate gut löslich | Phosphatfällungen anderer Kationen |
| Hexahydroxoantimonat \(\ce{[Sb(OH)6]-}\) | \(\ce{K[Sb(OH)6]}\) löslich | Nachweis von Natrium |
| Ammoniumhexacyanidoferrat(III) | fällt Kalium nicht | Eisennachweise |
Hexahydroxoantimonat ist das Fällungsreagenz für Natrium, Tetraphenylborat das für Kalium. Beide Alkaliionen werden also mit Reagenzien gefällt, die jeweils das andere Ion als Gegenion tragen: \(\ce{K[Sb(OH)6]}\) für Natrium, \(\ce{Na[B(C6H5)4]}\) für Kalium.
Die Kalium-Nachweise sind ein Examensklassiker. Sicher sitzen sollten: Weinsäure in der Kälte nach Vorbehandlung mit \(\ce{Na2CO3}\) und \(\ce{Na2S}\) ergibt einen weißen, kristallinen Niederschlag, Hexanitritocobaltat in essigsaurer Lösung einen gelben bis orangegelben, und die Grenzprüfung läuft über die Trübung mit Natriumtetraphenylborat.
Quiz
Aussage 1
Tetraphenylborat fällt Kalium, weil das große Anion seine Ladung abschirmt und kaum hydratisiert wird, während das stark hydratisierte Natrium-Ion gelöst bleibt.
Die vier Phenylringe machen das Anion lipophil. Sein Natriumsalz ist löslich und dient deshalb als Reagenz.
Aussage 2
Natriumperchlorat ist deutlich leichter löslich als Kaliumperchlorat.
Deshalb fällt \(\ce{K+}\) mit Perchlorat als \(\ce{KClO4}\) aus, während Natrium gelöst bleibt.
Aussage 3
Die Grenzprüfung auf Kalium nach Arzneibuch beruht auf der gelben Fällung mit Natriumhexanitritocobaltat(III).
Die Grenzprüfung nutzt die Trübung durch Fällung mit Natriumtetraphenylborat im Vergleich zu einer Referenzlösung.
Aussage 4
Bei der Identitätsprüfung auf Kalium wird die Lösung nach Vorbehandlung mit Natriumcarbonat und Natriumsulfid in Eiswasser gekühlt und mit Weinsäure versetzt, worauf ein weißer, kristalliner Niederschlag entsteht.
So läuft die Identität nach Arzneibuch. Die Kälte senkt die Löslichkeit des Kaliumhydrogentartrats.
Aussage 5
Natriumhexanitritocobaltat(III) fällt Kalium-Ionen bevorzugt aus ammoniakalischer Lösung.
Die Fällung erfolgt in essigsaurer Lösung. Im Alkalischen zerfällt der Komplex, außerdem stört Ammonium.
Aussage 6
Hexahydroxoantimonat \(\ce{[Sb(OH)6]-}\) eignet sich als Fällungsreagenz für Kalium-Ionen.
Hexahydroxoantimonat ist das Fällungsreagenz für Natrium. Es wird als Kaliumsalz eingesetzt, das löslich ist.
Aussage 7
Bei der Vorbehandlung mit Natriumcarbonat und Natriumsulfid bleibt eine reine Kaliumsalzlösung klar, weil Kaliumcarbonat und Kaliumsulfid gut löslich sind.
Kalium fällt mit beiden Reagenzien nicht. Sie entfernen nur störende Erdalkali- und Schwermetallionen.
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