Pflanzen nehmen Nährstoffe aus dem Boden über ihre Wurzeln auf. Ein ausreichender Eisengehalt fördert das Wachstum und die Gesundheit von Pflanzen, weil Eisen ein wichtiger Nährstoff für die Photosynthese und Bildung von Chlorophyll ist. Ein zu hoher Eisengehalt im Boden kann aber auch schädlich für Pflanzen sein, weil dann die Aufnahme von anderen Nährstoffen, wie Mangan, Zink oder Kupfer, beeinträchtigt sein kann.
Um den Eisengehalt im Boden analysieren zu können, kannst du Bodenproben nehmen. Erst kannst du testen, ob überhaupt Eisen im Boden vorhanden ist, bevor du weitere quantitative Methoden anwendest. Als qualitative Methode kannst du die Komplexbildungsreaktionen anwenden. Wir zeigen dir in diesem Artikel, in welchen Bereichen Komplexbildungsreaktionen eine Rolle spielen. Außerdem zeigen wir dir am Beispiel von Eisen, wie du Metall-Ionen mithilfe von Komplexbildungsreaktionen nachweisen kannst und was dabei passiert.
Komplexbildungsreaktionen im Alltag
Komplexbildungsreaktionen findest du in verschiedenen Bereichen aus dem Leben, nicht nur in der analytischen Chemie. In der Wasseraufbereitung werden Komplexbildungsreaktionen eingesetzt, um Schwermetalle, wie Blei, Cadmium und Quecksilber, aus dem Wasser zu entfernen. In Wasch- oder Reinigungsmitteln sind manchmal Komplexbildner enthalten, die die Wasserhärte reduzieren und Kalkablagerungen verhindern sollen. Die enthaltenen Komplexbildner reagieren mit den Calcium- und Magnesium-Ionen zu wasserlöslichen Komplexen, sodass keine Ablagerungen entstehen. In der Textilindustrie werden Farbstoffe mithilfe von Komplexbildungsreaktionen stabilisiert.
Übrigens: In unserem Blut kommen die Eisen-Ionen auch als Komplex vor, nämlich als Hämoglobin. Der Komplex Hämoglobin ist verantwortliche für den Transport von Sauerstoff in unserem Körper.
Komplexbildungsreaktionen in der Analytik
Komplexbildungsreaktionen werden in der analytischen Chemie zu unterschiedlichen Zwecken eingesetzt, die wir dir nun aufzeigen.
Nachweis von Metall-Ionen: Reagenzien reagieren mit Metall-Ionen zu farbigen oder unlöslichen Komplexen. Durch die Farbänderung oder Trübung der Lösung kannst du erkennen, ob bestimmte Metall-Ionen in deiner Lösung vorhanden sind.
Trennung von Metall-Ionen: Reagenzien und Metall-Ionen reagieren zu stabilen Komplexen, die du von anderen Ionen, die noch in der Lösung bleiben, trennen kannst.
Bestimmung von Metall-Ionen: Du kannst Komplexbildungsreaktionen auch als quantitative Methode bei Titrationen oder in der Photometrie anwenden. Im Bereich der quantitativen Methoden erfährst du mehr darüber.
Maskierung von Metall-Ionen: Wenn du eine Probe auf bestimmte Ionen untersuchen möchtest, du aber weißt, dass andere Metall-Ionen zu unerwünschten Reaktionen führen könnten, kannst du mit Komplexbildungsreaktionen die Metall-Ionen maskieren. Das bedeutet, dass sie einen Komplex bilden und für die andere chemische Reaktion nicht aktiv zur Verfügung stehen.
Durchführung eines Metall-Ionen-Nachweises durch Komplexbildungsreaktionen
Wenn du eine Komplexbildungsreaktion als Nachweis für ein bestimmtes Metall-Ion durchführen möchtest, solltest du zuerst wissen, welche Metall-Ionen du nachweisen möchtest. Je nachdem wählst du die Reagenz aus, die mit den Metall-Ionen Komplexe bildet. Wir zeigen dir, wie du, ähnlich wie bei einer Bodenprobe aus der Einleitung, analysieren kannst, ob in einer Lösung Eisen(III)-Ionen (\(\ce{Fe^{3+}}\)) enthalten sind. Als Reagenz verwenden wir Kaliumthiocyanat (\(\ce{KSCN}\)) bzw. eine Kaliumthiocyanat-Lösung. Der Komplex, der sich bei der Anwesenheit von Eisen(III)-Ionen bildet, heißt Eisen(III)-thiocyanat (\(\ce{Fe^{3+}(NCS^{-})3}\)) und färbt die Lösung rot.
- Gib etwa 2 Finger breit deiner Probe-Lösung in ein Reagenzglas (Abb. 3.1).
- Gib etwa 5 Tropfen der Reagenz zu der Probe-Lösung und schüttle leicht (Abb. 3.2).
- Beobachte, ob sich die Farbe der Lösung ändert oder eine Trübung einstellt (Abb. 3.3).
Wenn sich der Komplex gebildet hat, kannst du den schwerlöslichen Komplex filtrieren. Wenn der Komplex gelöst und farblich ist, kannst du die Lösung eindampfen, um so den Komplex zu trennen. Dann kannst du mit dem Komplex noch weitere Analysen durchführen. In unserem Fall hat sich die Probe-Lösung rot gefärbt (Abb. 3.4). Das reicht uns schon als Nachweis der Eisen(III)-Ionen.
Erklärung von Komplexbildungsreaktionen auf Teilchenebene
Eisen(II)-Ionen und Eisen(III)-Ionen kannst du auch mit einer anderen Komplexbildungsreaktion nachweisen. Wenn du eine Eisen-Lösung hast, gibst du einige Tropfen einer Kaliumcyanid-Lösung hinzu. Bei der Reaktion von Eisen(III)- und Cyanid-Ionen entsteht der Komplex Kaliumhexacyanidoferrat \(\ce{K3[Fe^{3+}(CN^{-})6]}\) (Abb. 4.1). Bei Eisen(II)-Ionen erscheint der Komplex in Gelb \(\ce{K4[Fe^{2+}(CN^{-})6]}\) (Abb. 4.2) und bei Eisen(III)-Ionen in Rot. In Abbildung 4.3 zeigen wir dir an dem Hexcyanidoferrat, wie die Komplexe auf Teilchenebene grundsätzlich aufgebaut sind. Sie bestehen aus einem zentralen Metall-Ion. In diesem Fall ist das Eisen(II)-Ion in der Mitte des Komplexes. Um das Metall-Ion herum befinden sich die Liganden. Liganden sind Moleküle oder Ionen mit freien Elektronenpaaren, um sich an das Metall-Ion binden zu können.
Zusammenfassung
Komplexbildungsreaktionen werden in der analytischen Chemie für den Nachweis, Trennung, Bestimmung und Maskierung von Metall-Ionen eingesetzt. Wenn du eine Komplexbildungsreaktion erzeugen möchtest, gibst du zu einer Lösung mit Metall-Ionen, die du nachweisen möchtest, eine Reagenz, die Komplexbildner gelöst hat. Die Metall-Ionen und Komplexbildner reagieren zu einem Komplex. Komplexe bestehen aus einem zentralen Metall-Ionen. Um das Metall-Ion herum befinden sich die Liganden.