Fällungsreaktion: Niederschlag und Ionengleichung

In einer homogenen Lösung sind die gelösten Teilchen gleichmäßig verteilt und nicht einzeln sichtbar. Treffen passende Ionen aufeinander, können sie ein Salz bilden, das sich nur sehr wenig in Wasser löst.

Der frisch gebildete Feststoff ist zunächst oft fein verteilt. Dadurch entsteht eine Suspension, die trüb erscheint. Mit der Zeit können die Teilchen absinken und einen Bodenkörper bilden.

Eine Trübung allein beweist jedoch noch keine Fällungsreaktion. Entscheidend ist, dass durch die Reaktion ein neuer schwerlöslicher Stoff entstanden ist. Ungelöstes Ausgangsmaterial wäre kein Reaktionsprodukt.

In Reaktionsgleichungen wird ein Niederschlag mit (s) für fest oder mit einem Abwärtspfeil gekennzeichnet. (aq) bedeutet, dass ein Stoff in Wasser gelöst vorliegt.

Salzlösungen enthalten frei bewegliche Ionen. In Natriumchloridlösung liegen Natrium-Ionen Na⁺ und Chlorid-Ionen Cl⁻ vor. Silbernitratlösung enthält Silber-Ionen Ag⁺ und Nitrat-Ionen NO₃⁻.

Die vollständige Ionengleichung lautet:

Na⁺(aq) + Cl⁻(aq) + Ag⁺(aq) + NO₃⁻(aq) → Na⁺(aq) + NO₃⁻(aq) + AgCl(s)

Na⁺ und NO₃⁻ sind vor und nach der Reaktion unverändert gelöst. Solche Ionen heißen Zuschauerionen. Du kannst sie auf beiden Seiten kürzen:

Ag⁺(aq) + Cl⁻(aq) → AgCl(s)

Das ist die gekürzte Ionengleichung. Sie zeigt nur die Teilchen, die den Niederschlag bilden.

Die Verhältnisformel des Salzes muss insgesamt elektrisch neutral sein:

• Ag⁺ und Cl⁻ verbinden sich im Verhältnis 1 : 1 zu AgCl.
• Ba²⁺ und SO₄²⁻ verbinden sich im Verhältnis 1 : 1 zu BaSO₄.
• Ein Mg²⁺-Ion benötigt zwei OH⁻-Ionen; es entsteht Mg(OH)₂.

Ein Fällungsmittel liefert Ionen, die mit den gesuchten Ionen einen schwerlöslichen Stoff bilden. Entsteht der erwartete Niederschlag, ist die Reaktion ein Hinweis auf die gesuchte Ionensorte.

Beim Chloridnachweis liefert Silbernitratlösung die Silber-Ionen:

Ag⁺(aq) + Cl⁻(aq) → AgCl(s)

Eine weiße Trübung mit Silbernitrat ist ein Hinweis auf Chlorid-Ionen, aber allein noch kein eindeutiger Nachweis: Auch andere Ionen können mit Silber-Ionen Niederschläge bilden. Entscheidend sind das Fällungsmittel, die erwartete Reaktion und mögliche Störionen.

Auch Barium- und Sulfat-Ionen bilden ein schwerlösliches Salz:

Ba²⁺(aq) + SO₄²⁻(aq) → BaSO₄(s)

Fällungen können nicht nur qualitative Nachweise liefern. Wird ein Stoff möglichst vollständig als Niederschlag bekannter Zusammensetzung gefällt, abgetrennt, getrocknet und gewogen, lässt sich aus dessen Masse die Stoffmenge bestimmen. In technischen Verfahren können Fällungen außerdem gelöste Stoffe aus Abwasser entfernen.

Auch ein schwerlösliches Salz löst sich in sehr geringem Maß. In einer gesättigten Lösung mit Bodenkörper laufen zwei Vorgänge gleichzeitig ab: Ionen verlassen den Feststoff, und gelöste Ionen lagern sich wieder an. Das ist ein dynamisches Gleichgewicht.

Die Stoffmengenkonzentration $c$ gibt an, wie viel Stoffmenge pro Volumen gelöst ist; hier verwenden wir die Einheit $mol/L$. Das folgende Konzentrationsmodell ist eine Näherung für verdünnte Lösungen.

Für Silberchlorid gilt im Gleichgewicht:

$$K_L = c(Ag^+) \cdot c(Cl^-)$$

Für Magnesiumhydroxid gilt wegen der zwei Hydroxid-Ionen:

$$K_L = c(Mg^{2+}) \cdot c(OH^-)^2$$

Das entsprechend gebildete Produkt der aktuell vorliegenden Ionenkonzentrationen heißt Ionenprodukt.

• Ionenprodukt kleiner als $K_L$: Die Lösung ist untersättigt; keine Fällung setzt ein.
• Ionenprodukt gleich $K_L$: Die Lösung ist gesättigt; mit Bodenkörper besteht ein Gleichgewicht.
• Ionenprodukt größer als $K_L$: Die Lösung ist übersättigt. Eine Fällung ist zu erwarten; dabei sinkt das Ionenprodukt bis zum Gleichgewichtswert.

Das ist eine Gleichgewichtsvorhersage, keine Aussage über die Geschwindigkeit: Die Bildung erster Kristallkeime kann eine Fällung verzögern.

Das Löslichkeitsprodukt gilt für festgelegte Bedingungen und ist temperaturabhängig. Ohne passende Daten darfst du daher nicht allgemein behaupten, Erwärmen oder Abkühlen fördere immer die Fällung.

Auch der pH-Wert kann entscheidend sein. Für Magnesiumhydroxid geht die Konzentration der Hydroxid-Ionen sogar quadratisch in das Ionenprodukt ein:

$$c(Mg^{2+}) \cdot c(OH^-)^2$$

Sinkt die Hydroxid-Ionen-Konzentration, kann sich Magnesiumhydroxid wieder lösen. Umgekehrt kann eine genügend hohe Hydroxid-Ionen-Konzentration seine Fällung begünstigen.

Ein Niederschlag kann außerdem verschwinden, wenn eines seiner Ionen einen gut löslichen Komplex bildet. Dabei binden sich andere Teilchen an das Metallion, sodass weniger freie Metallionen vorliegen. Silberchlorid lässt sich beispielsweise durch verdünnte Ammoniaklösung lösen, weil ein löslicher Silberkomplex entsteht.

Für eine zuverlässige Vorhersage gehst du so vor:

1. Bestimme die Ionen des möglichen Niederschlags.
2. Stelle die neutrale Salzformel und den Ausdruck für $K_L$ auf.
3. Berechne die Ionenkonzentrationen nach der Verdünnung, zunächst ohne Fällung.
4. Bilde das Ionenprodukt mit den richtigen Exponenten.
5. Vergleiche es mit $K_L$ und formuliere die Aussage im Sachzusammenhang.

Vom Niederschlag zur Erklärung: Bestimme das schwerlösliche Salz, kürze die Zuschauerionen und vergleiche für eine rechnerische Vorhersage das Ionenprodukt mit $K_L$.