Bei diesem Experiment werden die unterschiedlichen Färbungen von Vanadium- bzw. Vanadat-Ionen gezeigt. Dabei werden die Oxidationsstufen +V, +IV, +III und +II durchlaufen.
Verwendete Chemikalien
Chemikalie
Gefahr
1 g Ammoniummonovanadat, NH4VO3 – 116.97 g/mol
Ammoniumoxido(dioxo)vanadium (IUPAC), Ammoniummetavanadat CAS-Nr.: 7803-55-6 – EG-Nr.: 232-261-3 Acute Tox. 3 (oral), Acute Tox. 4 (inhalativ), Eye Irrit. 2, Repr. 2, STOT RE 1 (Atmungssystem), Aquatic Chronic 2, WGK 3 H301 Giftig bei Verschlucken. H319 Verursacht schwere Augenreizung. H332 Gesundheitsschädlich bei Einatmen. H361fd Kann vermutlich die Fruchtbarkeit beeinträchtigen. Kann vermutlich das Kind im Mutterleib schädigen. H372 Schädigt die Organe (Atemwege) bei längerer oder wiederholter Exposition durch Einatmen. H411 Giftig für Wasserorganismen, mit langfristiger Wirkung. P202 Vor Gebrauch alle Sicherheitshinweise lesen und verstehen. P260 Staub/Rauch/Nebel nicht einatmen. P273 Freisetzung in die Umwelt vermeiden. P301+P310 BEI VERSCHLUCKEN: Sofort GIFTINFORMATIONSZENTRUM/Arzt anrufen. P304+P340+P312 BEI EINATMEN: Die Person an die frische Luft bringen und für ungehinderte Atmung sorgen. Bei Unwohlsein GIFTINFORMATIONSZENTRUM/Arzt anrufen. P305+P351+P338 BEI KONTAKT MIT DEN AUGEN: Einige Minuten lang behutsam mit Wasser ausspülen. Eventuell vorhandene Kontaktlinsen nach Möglichkeit entfernen. Weiter ausspülen. Merck, 101226, SDB vom 14.03.2024
Gefahr
2 mL Schwefelsäure 95–97 %, H2SO4 – 98.08 g/mol
Schwefel(VI)-säure, Dihydrogensulfat, Monothionsäure, E 513, Vitriolöl (veraltet) CAS-Nr.: 7664-93-9 – EG-Nr.: 231-639-5 Met. Corr. 1, Skin Corr. 1A, Eye Dam. 1, WGK 1 H290 Kann gegenüber Metallen korrosiv sein. H314 Verursacht schwere Verätzungen der Haut und schwere Augenschäden. P234 Nur in Originalverpackung aufbewahren. P280 Schutzhandschuhe/Schutzkleidung/Augenschutz/Gesichtsschutz tragen. P303+P361+P353 BEI BERÜHRUNG MIT DER HAUT (oder dem Haar): Alle kontaminierten Kleidungsstücke sofort ausziehen. Haut mit Wasser abwaschen. P304+P340+P310 BEI EINATMEN: Die Person an die frische Luft bringen und für ungehinderte Atmung sorgen. Sofort GIFTINFORMATIONSZENTRUM/Arzt anrufen. P305+P351+P338 BEI KONTAKT MIT DEN AUGEN: Einige Minuten lang behutsam mit Wasser ausspülen. Eventuell vorhandene Kontaktlinsen nach Möglichkeit entfernen. Weiter ausspülen. P363 Kontaminierte Kleidung vor erneutem Tragen waschen. Sigma-Aldrich, 258105, SDB vom 05.03.2024
Gefahr
38 mL Salzsäure 37 %, HCl – 36.46 g/mol
Salzsäure rauchend, Chlorwasserstoff-Lösung CAS-Nr.: 7647-01-0 – EG-Nr.: 231-595-7 Met. Corr. 1, Skin Corr. 1B, Eye Dam. 1, STOT SE 3 (Atmungssystem), WGK 1 H290 Kann gegenüber Metallen korrosiv sein. H314 Verursacht schwere Verätzungen der Haut und schwere Augenschäden. H335 Kann die Atemwege reizen. P234 Nur in Originalverpackung aufbewahren. P261 Einatmen von Staub/Rauch/Gas/Nebel/Dampf/Aerosol vermeiden. P271 Nur im Freien oder in gut belüfteten Räumen verwenden. P280 Schutzhandschuhe/Schutzkleidung/Augenschutz/Gesichtsschutz tragen. P303+P361+P353 BEI BERÜHRUNG MIT DER HAUT (oder dem Haar): Alle kontaminierten Kleidungsstücke sofort ausziehen. Haut mit Wasser abwaschen. P305+P351+P338 BEI KONTAKT MIT DEN AUGEN: Einige Minuten lang behutsam mit Wasser ausspülen. Eventuell vorhandene Kontaktlinsen nach Möglichkeit entfernen. Weiter ausspülen. Sigma-Aldrich, 339253, SDB vom 29.02.2024
Halbkonzentrierte Salzsäure: 20 mL dest. Wasser werden in einem 100-ml-Messzylinder vorgelegt, 38 mL Salzsäure 37 % zugegeben und mit dest. Wasser auf 75 mL aufgefüllt.
In einem 250-ml-Messzylinder werden 1 g Ammoniummonovanadat in 200 mL Wasser suspendiert und 2 mL Schwefelsäure 96 % zugegeben. Die farblose Lösung sollte sich nun gelb färben. Es kann sich auch ein roter Bodensatz von Vanadium(V)-oxid (V2O5) bilden, was aber nicht weiter störend ist. Jetzt werden 6–8 Zinkstücke und 25 mL der halbkonzentrierten Salzsäure in die Suspension gegeben und kurz gerührt. Nun werden weitere 40–50 mL der Salzsäure zugegeben. Es beginnt eine lebhafte Gasentwicklung. Die Mischung färbt sich bald himmelblau, es folgt grün, welches einen türkisfarbenen Ton annimmt. Es ist auch zwischenzeitlich, eine blasse Fliederfärbung zu beobachten, die aber schnell wieder in Türkis übergeht.
Reaktionsgleichung
Bildung des Dioxovanadium(V)-Ions (Aquakomplex) aus Ammoniummonovanadat: VO3− + 2 H3O+ → VO2+ + 3 H2O
Die Reaktion kann auch Vanadium(V)-oxid hervorbringen: 2 VO3− + 2 H3O+ → V2O5↓ + 3 H2O
Abb. 1 – Durch naszierenden Wasserstoff bildet sich aus dem Dioxovanadium(V)-Ion das Oxovanadium(IV)-Ion.Abb. 2 – Weitere Reduktion bildet das Vanadium(III)-Ion.Abb. 3 – Auch das Vanadium(III)-Ion kann weiter zum Vanadium(II)-Ion reduziert werden.Abb. 4 – Zusammenfassung der einzelnen Redoxreaktionen.
Das Ammoniummonovanadat reagiert am Anfang mit der Schwefelsäure. Dabei bildet sich der gelbe Aquakomplex des Dioxovanadium(V)-Ions ([VO2(H2O)4]+). Bei der Reaktion kann auch rotes Vanadium(V)-oxid (V2O5) entstehen (Bodensatz). Die Reaktion zwischen Zink und Salzsäure bildet Zinkchlorid (ZnCl2) und naszierender Wasserstoff (H+ bzw. Hnasz.). Der Aquakomplex des Dioxovanadium(V)-Ions ([VO2(H2O)4]+) wird durch den naszierenden Wasserstoff in den himmelblauen Aquakomplex des Oxovanadium(IV)-Ions ([VO(H2O)5]2+) umgewandelt. Durch weitere Reduktion entstehen Aquakomplexe des grünen Vanadium(III)-Ions ([V(H2O)6]3+) und des violetten Vanadium(II)-Ions ([V(H2O)6]2+). Die kurze Fliederfärbung beruht auf der Bildung des aquatisierten Vanadium(II)-Ions, welches unter diesen Reaktionsbedingungen nicht beständig ist.
Quellenangaben
[1]
H. W. Roesky und K. Möckel. Farbenvielfalt des Vanadiums. In: Chemische Kabinettstücke, VCH Verlagsgesellschaft mbH: Weinheim, 1994, 62–64.
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