nickel-cobalt_clcr - Universität Regensburg

Universität Regensburg Institut für Anorganische Chemie - Lehrstuhl Prof. Dr. A. Pfitzner Demonstrationsversuche im Wintersemester 2010/2011 Dozentin: Dr. M. Andratschke Referenten: Christoph Lorenz, Christiane Rückerl

12.11.2010

Cobalt und Nickel 1. Allgemeines:

Cobalt [1a] • • • •

Namensgeber der Cobaltgruppe 9. Gruppe bzw. 2. Spalte der VIII. Nebengruppe des Periodensystems der Elemente Ordnungszahl 27 am Aufbau der Erdhülle beteiligt

Nickel [1b] • • • •

Namensgeber der Nickelgruppe 10. Gruppe bzw. 3. Spalte der VIII. Nebengruppe des Periodensystems der Elemente Ordnungszahl 28 am Aufbau der Erdhülle beteiligt

1.1 Geschichtliches: [1a, 1b] „Das Metall Cobalt wurde zum ersten Mal 1735 von dem schwedischen Chemiker Georg Brandt dargestellt und als neues Element erkannt.“ [1a] 1751 hat der Schwede Alexander F. Cronstedt Nickel aus einheimischen Erzen als neues Metall isoliert. Der Schwede Torbern Bergman hat dieses 1775 näher charakterisiert. Cobalt und Nickel erhielten ihren Namen von den bösen Erdgeistern Kobold und Nickel. Diese wurden dafür verantwortlich gemacht, dass die Erze, wie CoAs und NiAs, welche ein schönes, viel versprechendes Aussehen besaßen, beim Rösten einen üblen, Knoblauchähnlichen Geruch entwickelten. Dieser Geruch entstand aufgrund des Arsengehalts. Leider konnte man aus den Rückständen kein wertvolles Metall, wie z. B. Kupfer, herstellen.

1.2 Physiologisches:

Cobalt [1a] • • •

essentielles Spurenelement für Menschen (Tagesbedarf circa 0,1 µg) Bestandteil des Vitamins B12 zur Erneuerung roter Blutkörperchen Große Dosen (25-30 mg pro Tag) Î Haut-/ Lungenerkrankungen, Leber-/ Herz-/ Nierenschäden, Krebsgeschwüre

Nickel [1b] • • •

Für Mensch und andere Lebewesen essentiell (Blut circa 0,003 mg/l; Haare circa 0,22 mg/kg) Beteiligung am KohlenhydratStoffwechsel Nickelstäube/ -verbindungen toxisch und krebserzeugend

1

1.3 Physikalische Eigenschaften: • • •

Cobalt [1c] Stahlgraues, glänzendes, ferromagnetisches, hartes Metall (härter als Eisen) Schmelzpunkt 1495 °C Siedepunkt 3100 °C

• • • •

Nickel [1d] Silberweißes, zähes, dehnbares, schwach ferromagnetisches Metall Schmelzpunkt 1453 °C Siedepunkt 2730 °C Leitet Wärme und Strom gut

1.4 Chemische Eigenschaften: • •

• •

Cobalt [1c] Oxidationsbeständiger als Eisen wird von feuchter Luft nicht, von nicht oxidierenden Säuren nur langsam und verdünnter Salpetersäure leicht angegriffen Bildung einer nichtmetallischen Schutzschicht (Passivierung) durch konzentrierte Salpetersäure In Verbindungen meist Oxidationsstufen +2 und +3

• • •

•

Nickel [1e, 1f] wird von nicht oxidierenden Säuren bei Raumtemperatur nur langsam und von verdünnter Salpetersäure leicht gelöst Bildung einer nichtmetallischen Schutzschicht (Passivierung) durch konzentrierte Salpetersäure beständig gegenüber Alkalihydroxiden bei 300 °C - 400 °C Î Nickeltiegel in Laboratorien zum Schmelzen von NaOH und KOH In Verbindungen kommt hauptsächlich die Oxidationsstufe +2 vor

1.5 Verwendung: •

Cobalt [1c] „in Form von „Smalte“ (gepulvertes Kalium-cobaltsilicat) zur Blaufärbung (Cobaltblau) farbloser Glasflüsse oder Entfärbung eisenhaltiger und deshalb gelber Glasflüsse in der Keramik- und Glasindustrie“ [1c]

•

Legierungsbestandteil: o Herstellung korrosionsbeständiger Legierungen o Legierungen für Permanentmagneten

•

60 Verwendung des Nuklids 27 Co als Quelle für γ-Strahlen in der Medizin

•

Nickel [1d, 1e, 1f] Wegen Polierbarkeit und Widerstandsfähigkeit gegenüber Wasser und Luft Î Vernickelung vieler Haushalts- und Küchengeräte

•

Legierungsbestandteil: o Nickelstahl (besonders hart, zäh, korrosionsbeständig) o Kupfernickellegierungen ƒ „Monelmetall“: Apparaturen zum Arbeiten mit Fluor ƒ „Neusilber“: Essbesteck ƒ „Cupronickel“ (bis 80 % Nickel): Münzen

•

Nickelbatterien

•

Metallhydrid-Nickel-Akkumulatoren

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2. Versuche 2.1 Komplexe des Ni(II)-Kations [1g] Chemikalien: Nickel(II)-sulfat-hexahydrat (NiSO4·6 H2O) Ammoniak (NH3) Dimethylglyoxim (C4H8N2O2) Geräte: vier große Reagenzgläser Durchführung: Man stellt eine wässrige Lösung aus dem Nickel(II)-sulfat-hexahydrat her. Dann werden zwei Reagenzgläser mit gleichem Volumen dieser Lösung befüllt. Anschließend werden wässrige Lösungen von Ammoniak und Dimethylglyoxim in je ein großes Reagenzglas gefüllt. Im nächsten Schritt werden zu den wässrigen Lösungen von Ammoniak und Dimethylglyoxim jeweils die wässrigen Lösungen aus dem Nickel(II)-sulfat-hexahydrat gegeben. Beobachtung: Nach Zugabe der Reagenzien konnte in beiden Reagenzgläsern eine Farbänderung beobachtet werden, die sich folgendermaßen darstellt: ¾ Nickel(II)-sulfat-hexahydrat + Ammoniak: blau ¾ Nickel(II)-sulfat-hexahydrat + Dimethylglyoxim: scharlachrot Erklärung: Diesen Farbreaktionen liegen Ligandenaustauschreaktionen zugrunde, d. h. um das Zentralteilchen (hier: Ni2+) lagern sich statt H2O-Molekülen Liganden in Form von NH3 und C4H8N2O2 an. Im Folgenden werden die Strukturformeln und Reaktionsgleichungen angeführt. Tab. 1 Übersicht über die neu entstandenen Komplexe [1g, 2] [Ni(NH3)6]2+

[Ni(C4H7N2O2)2] 2+ NH3

NH3

NH3

NH

H2

NH3

NH

O

Ni

H

Ni NH3

OH

O

NH

H CH 4 NH

OH

NH3

[Ni(H2O)6]2+ + 6 NH3 → [Ni(NH3)6]2+ + 6 H2O [Ni(H2O)6]2+ + 2 C4H8N2O2 → [Ni(C4H7N2O2)2] + 6 H2O + 2 H+

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2.2 „Zauberlaub“ [3] Chemikalien: Cobaltchlorid (CoCl2) Nickelchlorid (NiCl2) Geräte: saugfähiges Zeichenpapier (DIN A3) Filterpapier zwei Bechergläser Durchführung: Auf drei saugfähigen DIN A3 Blättern wird jeweils ein kahler Baum skizziert (s. Abb. 1). Man bereitet zwei stark verdünnte, wässrige Lösungen von NiCl2 und CoCl2 vor. Die wässrige Nickelchloridlösung ist schwach grünlich gefärbt, die wässrige Cobaltchloridlösung leicht rosa. Mit einem Filterpapier, das in je einer Lösung getränkt wurde, werden die Stellen des fehlenden Laubes aufgetragen, wobei auf zwei Blättern nur jeweils eine Lösung aufgetragen wird und auf das dritte Blatt beide Lösungen zu gleichen Teilen. Mit einem Heißluftföhn werden die lösungsgetränkten Stellen erwärmt. Beobachtung:

Abb. 1 Schematische Darstellung des Versuchs [3] Es treten nun Farbänderungen ein: ¾ NiCl2-Lösung wird gelb ¾ CoCl2-Lösung wird blau ¾ NiCl2 und CoCl2-Lösung zu gleichen Teilen werden grün Erklärung: Wasserhaltiges Nickel(II)-chlorid ist schwach grünlich gefärbt, wasserfreies Nickel(II)-chlorid gelb. Wasserhaltiges Cobalt(II)-chlorid ist schwach rosa gefärbt, bei entsprechender Verdünnung kaum sichtbar. Beim Erwärmen entsteht die kräftig blaue Farbe des wasserfreien Cobalt(II)-chlorids. Bei gleichen Teilen beider Lösung resultiert die grüne Farbe aus der Mischung nach dem Erwärmen:

4

[Co(H2O)6]2+ + 2 Cl[Ni(H2O)6]2+ + 2 Cl-

∆T ∆T

CoCl2 + 6 H2O NiCl2 + 6 H2O

2.3 Nachweis von Cobalt als Co[Hg(SCN)4] [4a] Chemikalien: Cobalt(II)-chlorid (CoCl2) Ammoinumthiocyanat (NH4SCN) Quecksilberchlorid (HgCl2) Geräte: drei große Reagenzgläser eine Pipette Durchführung: Man stellt jeweils eine wässrige Lösung des Cobalt(II)-chlorids und des Quecksilber(II)chlorids mit Ammoniumthiocyanat her. Nun werden ein paar Tropfen der letzteren Lösung mit einer Pipette zu der wässrigen Cobalt(II)-Lösung gegeben. Beobachtung: Es bildet sich ein tiefblauer Niederschlag. Erklärung: Der vorliegenden Reaktion liegt eine Komplex-Bildungsreaktion zugrunde. Die drei Salze dissoziieren beim Lösevorgang. Co[Hg(SCN)4] ist sehr schlecht wasserlöslich. Deshalb wird das Löslichkeitsprodukt im Wasser überschritten, wodurch sich ein Niederschlag bildet, der eine blaue Farbe aufweist. Co2+ + [Hg(SCN)4]2- → Co[Hg(SCN)4] Die folgende Kristallaufnahme zeigt den blauen Niederschlag bei 100 facher Vergrößerung im Mikroskop

Abb. 2 Kristallaufnahme von Co[Hg(SCN)4] [4b] 5

3. Lehrplanbezug [5] Im Lehrplan der Realschule wird die Chemie der d-Block-Elemente nicht aufgeführt, weshalb die Schüler die gezeigten Versuche fachlich nicht verstehen können. Die Versuche lassen sich dennoch in den Unterricht integrieren, unter anderem bei besonderen Anlässen, wie bei Tagen der offenen Tür, bei Einführungsstunden etc. Dies dient dazu, bei den Schülern Interesse und Begeisterung für das Fach Chemie zu wecken.

4. Quellen: •

• •

Text: o

[1] A. F. Holleman, E. und N. Wiberg: Lehrbuch der Anorganischen Chemie, 102. Auflage, Walter de Gruyter-Verlag, Berlin, New York, 2007, [1a] S. 1681 [1b] S. 1709 [1c] S. 1682 [1d] S. 1710 [1e] S. 1710 [1f] S. 1711 [1g] S.1715 Ergänzung zu [1g] Demonstrationsvortrag in Anorganischer Chemie: A. Altmann, J. Schmid; Cobalt und Nickel, 09.12.2005, Wintersemester 2005/2006, Regensburg o [3] K. Häusler, H. Rampf, R. Reichelt: Experimente für den Chemieunterricht, 2. Auflage, Oldenbourg Verlag, München, 2005, S. 342 o [4] G. Jander, E. Blasius: Lehrbuch der analytischen und präparativen anorganischen Chemie, 16. Auflage, S. Hirzel Verlag, Stuttgart, 2006 [4a] S. 402 o [5] Lehrplan der Realschule: www.isb.bayern.de/isb/download.aspx?DownloadFileID=09bcb6c85f f0ae42140f75a330808b43 www.isb.bayern.de/isb/download.aspx?DownloadFileID=84d94f2b6516a878b d73df0d84d027dd www.isb.bayern.de/isb/download.aspx?DownloadFileID=214c5cd82d748b497 d73d8fc20597f94 Kristallaufnahme: o [4b] S. 701 verwendetes Zeichenprogramm: o [2] ACD/ChemSketch, Microsoft Corporation, Version 8.0 für Microsoft Windows, 2004

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