Silicat: Nachweis über Siliciumtetrafluorid
Wie man Silicat und Siliciumdioxid über flüchtiges Siliciumtetrafluorid an einem Wassertropfen nachweist und welche Geräte und Bedingungen das Ergebnis verfälschen.
Das Wichtigste in Kürze
- Die Wassertropfenprobe weist Silicat und Siliciumdioxid nach, indem man das Silicium mit Fluorid als flüchtiges \(\ce{SiF4}\) austreibt und an einem Wassertropfen sichtbar macht.
- Aus \(\ce{NaF}\) und konzentrierter \(\ce{H2SO4}\) entsteht zuerst Fluorwasserstoff, auch ohne Silicat. Erst HF bildet mit Silicat das flüchtige \(\ce{SiF4}\).
- Der weiße Ring ist gallertartiges Kieselsäuregel aus der Hydrolyse von \(\ce{SiF4}\). Statt des Tropfens geht auch angefeuchtetes schwarzes Papier.
- Großer Fluoridüberschuss stört: Es bildet sich nicht flüchtige \(\ce{H2[SiF6]}\) mit Silicium in Koordinationszahl 6.
- Man arbeitet im Bleitiegel und erwärmt nur vorsichtig. Glas- und Porzellantiegel liefern falsch-positive Ergebnisse, der Kupferdraht dient nur zum Rühren, und Borsäure stört.
Dieses Kapitel ist für Supporter
Relaxed ins Stex ist ein kleines, unabhängiges Projekt. Mit einem Zugang unterstützt du uns und schaltest das ganze 1. Staatsexamen frei. ❤️
Bitte bestätige zuerst deine E-Mail-Adresse
Wir haben dir einen Link geschickt. Erst mit bestätigter E-Mail-Adresse kannst du einen Zugang freischalten und nutzen.
Einordnung
Silicate und Siliciumdioxid stecken in vielen Hilfsstoffen wie Talkum oder hochdispersem Siliciumdioxid. Das Arzneibuch weist sie über ein flüchtiges Fluorid nach, das an einem Wassertropfen zu Kieselsäuregel zerfällt.
| Nachweis | Reagenz und Bedingungen | Beobachtung |
|---|---|---|
| Wassertropfenprobe | \(\ce{NaF}\) und konz. \(\ce{H2SO4}\) im Bleitiegel, Kunststoffdeckel mit hängendem Wassertropfen, vorsichtig erwärmen | weißer Ring aus Kieselsäuregel um den Tropfen |
| Variante mit Papier | wie oben, statt des Tropfens angefeuchtetes schwarzes Papier über dem Tiegel | weißer Belag auf dem schwarzen Papier |
Wassertropfenprobe
Silicium bindet Fluor außergewöhnlich fest. Diese Affinität nutzt der Nachweis. Fluorwasserstoff zerlegt das stabile Si-O-Gerüst und überführt das Silicium in ein Gas. Dieses Gas, Siliciumtetrafluorid \(\ce{SiF4}\), verlässt die Probe und wird an anderer Stelle sichtbar gemacht.
Durchführung
Man verrührt die Probe in einem Bleitiegel mit Natriumfluorid und einigen Tropfen konzentrierter Schwefelsäure zu einer Suspension. Zum Rühren dient ein Kupferdraht. Den Tiegel deckt ein durchsichtiger Kunststoffdeckel ab. An seiner Unterseite hängt ein Wassertropfen. Dann erwärmt man vorsichtig.
Zuerst setzt die Schwefelsäure aus dem Fluorid Fluorwasserstoff frei. Das geschieht immer, auch ganz ohne Silicat. HF ist also nur das Zwischenprodukt, das eigentliche Reagenz für das Silicium. Erst HF greift Silicat oder Siliciumdioxid an. Dabei entsteht flüchtiges \(\ce{SiF4}\), das als Gas aus dem Ansatz entweicht.
\[\ce{NaF + H2SO4 -> NaHSO4 + HF}\]
\[\ce{SiO2 + 4 HF -> SiF4 ^ + 2 H2O}\]
Beobachtung
Das aufsteigende \(\ce{SiF4}\) trifft auf den Wassertropfen und hydrolysiert dort. Am Rand des Tropfens bildet sich rasch ein weißer Ring. Er besteht aus gallertartigem Kieselsäuregel, das den Tropfen trübt. Ein Teil des Fluorids bleibt als gelöste Hexafluorokieselsäure im Tropfen zurück.
\[\ce{3 SiF4 + 4 H2O -> H4SiO4 + 2 H2[SiF6]}\]
Die Orthokieselsäure kondensiert unter Wasserabspaltung zu wasserhaltigem Siliciumdioxid, \(\ce{SiO2 * n H2O}\). Man kann sich das wie Gelatine vorstellen, die erstarrt: Aus gelösten Einzelbausteinen wird ein vernetztes Gel. Wie die Abbildung zeigt, laufen HF- und \(\ce{SiF4}\)-Bildung im Tiegel ab, Hydrolyse und Kondensation dagegen im Tropfen.
Statt des Tropfens kann man auch ein angefeuchtetes schwarzes Papier über den Tiegel halten. Auf dem dunklen Grund ist der weiße Belag gut zu erkennen.
Die Wassertropfenprobe ist ein Examensklassiker. Flüchtig ist allein \(\ce{SiF4}\), und der weiße Ring ist Kieselsäuregel aus seiner Hydrolyse. HF ist nur die Zwischenstufe im Tiegel, \(\ce{H2[SiF6]}\) bleibt gelöst im Tropfen, und beide bilden den Ring nicht.
Abgrenzungen
Der Ring hat mit Silikonen nichts zu tun. Silikone sind organische Polysiloxane mit Si-C-Bindungen, und im Ansatz fehlt jede Kohlenstoffquelle dafür. Aus dem Tiegel entweicht auch kein elementares Silicium, sondern nur sein Fluorid. \(\ce{SiF4}\) reagiert mit Wasser durch Hydrolyse. Es disproportioniert nicht zu Silan und Sauerstoff, das Silicium bleibt in der Oxidationsstufe +IV.
Ohne Fluorid gelangt Silicium nicht in die Gasphase. \(\ce{SiO2}\) sublimiert beim schwachen Erwärmen nicht. Auch Essigsäure setzt aus Silicat kein Gas frei. Anders verhält sich Carbonat, das dabei \(\ce{CO2}\) abgibt.
Störungen und Geräte
Der Nachweis gelingt nur, wenn genug \(\ce{SiF4}\) den Tropfen erreicht und kein fremdes Silicium hinzukommt. Daraus ergeben sich die typischen Störungen.
Fluoridüberschuss
Fluorid ist nötig, aber zu viel schadet. Bei großem Überschuss nimmt \(\ce{SiF4}\) zwei weitere Fluoridionen auf. Es entsteht das Hexafluorosilicat-Ion. Wie Fluorid allgemein Komplexe bildet, erklärt die Einheit zu Fluorokomplexen.
\[\ce{SiF4 + 2 F- -> [SiF6]^2-}\]
Im Komplex hat Silicium die Koordinationszahl 6. Aus dem Tetraeder wird ein Oktaeder. Die zugehörige Hexafluorokieselsäure \(\ce{H2[SiF6]}\) ist nicht flüchtig. Sie bleibt im Tiegel, das Silicium erreicht den Tropfen nicht, und der Ring bleibt aus. Der Überschuss macht das Silicium also weniger flüchtig, nicht flüchtiger.
Tiegelmaterial
Im Examen wird gerne gefragt, warum ein Bleitiegel günstiger ist: Glas und Porzellan bestehen selbst aus Silicaten. HF greift ihre Wand an und setzt daraus \(\ce{SiF4}\) frei. Der Tropfen zeigt dann einen Ring, obwohl die Probe kein Silicat enthält.
- enthält kein Silicium
- Ring zeigt nur Silicat aus der Probe an
- Blei ist weich und schmilzt schon bei 327 °C, daher nur vorsichtig erhitzen, etwa im Wasserbad, sonst verformt er sich
- enthalten selbst Silicat
- HF setzt \(\ce{SiF4}\) aus der Gefäßwand frei
- Ergebnis falsch-positiv, daher ungeeignet
Kupferdraht
Der Kupferdraht dient nur zum Verrühren der Suspension. Er wirkt nicht als Katalysator und bildet keine flüchtige Siliciumverbindung. Auch die Bleiverbindungen, die mit der Schwefelsäure an der Tiegelwand entstehen, katalysieren die \(\ce{SiF4}\)-Bildung nicht. Die Reaktion läuft allein zwischen HF und Silicat ab.
Borsäure
Auch Borsäure stört den Nachweis. Bor bildet mit Fluorwasserstoff ebenfalls ein flüchtiges Fluorid, das Bortrifluorid. Es verbraucht Fluorid und kann das Ergebnis verfälschen. Borat selbst weist man auf anderem Weg nach, siehe Borat.
Silicium nur aus der Probe, Fluorid nur in Maßen, Wärme nur sanft: Bleitiegel, wenig \(\ce{NaF}\), Wasserbad.
Quiz
Aussage 1
Anstelle des hängenden Wassertropfens lässt sich ein angefeuchtetes schwarzes Papier verwenden.
Auch auf dem feuchten Papier hydrolysiert \(\ce{SiF4}\), und der weiße Belag ist auf dem dunklen Grund gut sichtbar.
Aussage 2
Der Kupferdraht katalysiert beim Silicatnachweis die Bildung von \(\ce{SiF4}\).
Der Kupferdraht dient nur zum Verrühren der Suspension. Die Reaktion läuft allein zwischen HF und Silicat ab.
Aussage 3
In einem Porzellantiegel kann auch eine silicatfreie Probe einen weißen Ring am Tropfen ergeben.
Porzellan enthält selbst Silicat. HF setzt daraus \(\ce{SiF4}\) frei, das Ergebnis ist falsch-positiv.
Aussage 4
Der weiße Ring am Wassertropfen ist ein Silikon, das aus \(\ce{SiF4}\) und Wasser entsteht.
Der Ring ist Kieselsäuregel aus der Hydrolyse von \(\ce{SiF4}\). Silikone enthalten Si-C-Bindungen, für die im Ansatz kein Kohlenstoff vorhanden ist.
Aussage 5
Bei der Wassertropfenprobe gelangt das Silicium als Siliciumtetrafluorid vom Tiegel zum Wassertropfen.
\(\ce{SiF4}\) ist die flüchtige Siliciumverbindung, die aus dem Ansatz entweicht und am Tropfen hydrolysiert.
Aussage 6
Natriumfluorid und konzentrierte Schwefelsäure setzen nur dann Fluorwasserstoff frei, wenn die Probe Silicat enthält.
HF entsteht aus Fluorid und Schwefelsäure immer. Erst danach reagiert HF mit vorhandenem Silicat zu \(\ce{SiF4}\).
Aussage 7
Ein großer Fluoridüberschuss verstärkt den Nachweis, weil sich die besonders flüchtige Säure \(\ce{H2[SiF6]}\) bildet.
\(\ce{H2[SiF6]}\) ist nicht flüchtig. Sie hält das Silicium im Tiegel zurück, sodass der Ring ausbleibt.
Fehler entdeckt oder eine Idee? Wir verbessern die Inhalte laufend. Melde es uns gerne über dieses Formular ❤️
Teile der Inhalte wurden mithilfe von KI-Systemen erstellt und werden fortlaufend redaktionell geprüft. Trotz Sorgfalt können Fehler enthalten sein. Wichtige Informationen bitte anhand offizieller Quellen prüfen. Relaxed ins Stex ist ein unabhängiges Angebot und steht in keiner Kooperation mit dem IMPP. Das Angebot ist weder vom IMPP autorisiert noch mit diesem verbunden.