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Nachweisreaktion
Die Nachweisreaktion ist eine chemische Reaktion des jeweils eingesetzten Nachweisreagenz, die das Vorhandensein eines Analyten anzeigt. ... Weitere als typische …
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Begriff und Zweck
Ein Nachweis ist eine Methode der Analytischen Chemie zur qualitativen Untersuchung einer Stoffprobe. Die zu untersuchende Substanz heißt Analyt. Ein Nachweis zeigt, ob ein bestimmter Stoff, ein Ion, eine funktionelle Gruppe oder eine bestimmte chemische Spezies vorhanden ist. Beispielsweise kann unterschieden werden, ob Chlor als Chlorid, Hypochlorit oder elementar vorliegt.
Davon abzugrenzen sind quantitative Bestimmungsmethoden, die eine genaue Stoffmenge oder Konzentration ermitteln, und Methoden der Strukturanalytik. Nachweisreaktionen liefern meist zunächst einen schnellen Hinweis auf die Beschaffenheit einer Probe. Sie können aber auch halbquantitativ sein, also eine ungefähre Menge oder Konzentration erkennen lassen.
Prinzip und Methoden
Eine Nachweisreaktion ist die chemische Reaktion zwischen einem Nachweisreagenz und dem Analyt, deren beobachtbares Ergebnis dessen Anwesenheit anzeigt. Mögliche Beobachtungen sind zum Beispiel Niederschläge, Farbänderungen, ein Gas, ein Geruch oder eine Flammenfärbung.
Wichtige Reaktionstypen sind Fällungsreaktionen, Redoxreaktionen, Verdrängungsreaktionen, Komplexbildungsreaktionen, Säure-Base-Reaktionen und Flammproben. Vor dem Nachweis muss die Probe gegebenenfalls aufbereitet oder von störenden Begleitstoffen gereinigt werden. In der anorganisch-analytischen Chemie kann das qualitative Nachweisen im Kationentrenngang erfolgen.
Einordnung und Bedeutung
Ähnliche Reaktionen können auch für quantitative Bestimmungen verwendet werden. Dann geht es nach dem qualitativen Nachweis darum, den Gehalt eines Stoffes zu bestimmen. Stoffe liegen oft nur in Spuren vor, also bei weniger als 1 % oder knapp oberhalb der Grenzkonzentration (GK) beziehungsweise Erfassungsgrenze (EG) einer Nachweisreaktion. Dafür sind physikalische Methoden wie Gaschromatografie oder Atomabsorptionsspektroskopie nötig. Heute lassen sich Spurenstoffe bis in den ppb-Bereich erfassen: 1 ppb = 1:10^9.
Durch instrumentelle Analytik, besonders spektroskopische Verfahren, haben einfache Nachweisreaktionen in der Analytik an Bedeutung verloren. Im Chemieunterricht bleiben sie wichtig, weil sie fachliche Inhalte und Methoden anschaulich vermitteln. Historisch war etwa die Marshsche Probe bedeutsam: Der englische Chemiker James Marsh entwickelte sie 1832 als Nachweis für Arsen in Chemie und Gerichtsmedizin.
Nachweise von Ionen
Ionen können durch Redox-, Säure-Base-, Komplexbildungs- oder Fällungsreaktionen nachgewiesen werden. In der anorganischen Chemie unterscheidet man Nachweise für Anionen und für Kationen.
Bei einer Fällungsreaktion nutzt man, dass einige Salze schlecht wasserlöslich sind. Eine wässrige Probelösung und eine Referenzlösung werden jeweils mit dem Nachweismittel versetzt. Reagiert die Probe wie die Vergleichslösung, ist der Nachweis positiv. Eisen(II)-Kationen bilden bei Zugabe einer wässrigen Lösung von rotem Blutlaugensalz ein schwer wasserlösliches, intensiv blaues Salz.
Weitere Beispiele sind Chlorid-Anionen: Mit Silbersalzlösung entsteht ein weißer Niederschlag aus AgCl, der sich in Ammoniakwasser löst. Kupfersalze können als tiefblauer Kupfertetramminkomplex Cu(NH3)4 oder als brauner Niederschlag von Kupferhexacyanidoferrat-II nachgewiesen werden.
Nachweise von Gasen
Wasserstoff wird mit der Knallgasprobe geprüft: Das unbekannte Gas wird entzündet. Ein Knall oder lautes Pfeifen zeigt Wasserstoff an.
2 H2 + O2 → 2 H2O
Sauerstoff weist man mit der Glimmspanprobe nach. Ein glimmender Holzspan glüht in einem Gasgemisch mit hohem Sauerstoffanteil deutlich auf.
Kohlenstoffdioxid wird in gesättigtes Kalkwasser oder Barytwasser geleitet. Enthält das Gas Kohlenstoffdioxid, fällt ein farbloser Feststoff aus, bei Kalkwasser Calciumcarbonat.
CO2 + H2O → H2CO3
H2CO3 + Ca(OH)2 → CaCO3 + 2 H2O
CO2 + Ba(OH)2 → BaCO3 + H2O
Ammoniak reagiert mit gasförmigem Chlorwasserstoff oder konzentrierter Salzsäure zu sichtbarem, weißem Ammoniumchlorid-Nebel:
NH3 + HCl → NH4Cl
Säuren, Basen und Wasser
Säuren und Basen enthalten in wässriger Lösung Oxonium- beziehungsweise Hydroxidionen. Ein Säure-Base-Indikator zeigt Änderungen des pH-Werts durch eine Farbänderung an. Universalindikator verändert seine Farbe abhängig vom pH-Wert der Probe; weitere Indikatoren sind Phenolphthalein und Bromthymolblau. Häufig werden sie bei Titrationen eingesetzt.
Wasser kann als Kondensat von Wasserdampf oder als Reaktionsprodukt bei der Neutralisation von Säuren und Laugen entstehen. Wasserfreies, weißes Kupfer(II)-sulfat wird bei Zugabe von Wasser hellblau. Dabei entsteht ein Kupferpentahydrat-Komplex; vier Wassermoleküle sind Liganden des Zentralions:
CuSO4 + 5 H2O → [Cu(H2O)4]SO4 · H2O
Dies ist eine Komplexbildungsreaktion. Ein weiterer sehr empfindlicher Wassernachweis beruht auf blauem, wasserfreiem Cobaltchlorid: Es färbt sich bei Wasserzutritt rosa und wird für Wasserteststreifen aus Cobaltchloridpapier verwendet.
