Mikrochemischer Nachweis von geringen Mengen Phosphat neben viel Arsenat

[Seaborg]

Mikrochemischer Nachweis von geringen Mengen Phosphat neben viel Arsenat


Geräte:

Tüpfelpapier, vorzugsweise vom Typ 589, (Blauband) am besten schon zu kleinen Scheibchen von 1 - 2 cm Durchmesser gestanzt, Objektträger, Durchlicht-Mikroskop


Chemikalien:

Benzidin
Ammoniumheptamolybdat
Ammoniakwasser (25%)
Salpetersäure (konz.)
Essigsäure


Hinweis:

Benzidin und dessen Lösung sind als sicher krebserregend einzustufen und dürfen nur mit durchbruchsicheren Handschuhen gehandhabt werden! Das Gleiche gilt für Salpetersäure und Ammoniakwasser, die auch einen Abzug erforderlich machen!


Durchführung:

Herstellung der Reagenzlösungen:
-Benzidin-Lösung: 5 mg Benzidin wurden in 1 ml Essigsäure gelöst und mit Wasser auf 10 ml aufgefüllt.
-Ammoniummolybdat-Lösung: 500 mg Ammoniumheptamolybdat wurden in 10 ml Wasser gelöst und 3,5 ml konz. Salpetersäure zugfügt.

Die Darstellung der Kristalle geschieht auf einem Objektträger. Hier werden 1 - 3 µl der Probelösung mit 2 - 3 µl der Ammoniummolybdatlösung versetzt. Unter dem Mikroskop werden bei Raumtemperatur, je nach Konzentration der Probelösung sofort oder nach kurzer Verzögerung, die typischen Kristalle sichtbar.

Für den Tüpfelnachweis ist es am bequemsten, die Tüpfelpapierchen mit 5 µl der Ammonium-Molybdat-Lösung zu tränken und in einem Trockenschrank bei möglichst niedriger Temperatur zu trocknen. Gebraucht werden sollten sie aber innerhalb von 1 - 2 Wochen.
Auf das getrocknete Papierchen wird dann die Probelösung so aufgetragen, dass ein möglichst kleiner Fleck entsteht - also mit etwa 1 - 2 µl. Darauf kommen dann 3 µl der Benzidin-Lösung. Das nasse Papierchen wird mit einer Pinzette gefasst und einige Sekunden in einem kleinen Gefäß mit wenigen Tropfen konz. Ammoniak "gewedelt". Ist Phosphat in der Probe enthalten, so entsteht, je nach Konzentration, ein mehr oder weniger intensiv blauer Fleck.


Entsorgung:

Aufgrund der minimalen Mengen an Benzidin auf dem Tüpfelpapier und der Tatsache, dass das Benzidin im Rahmen der ablaufenden Reaktion umgesetzt wird, können diese mit dem normalen Müll entsorgt werden.


Erklärung:

Phosphate bilden in (hier) salpetersaurer Lösung und vorhandenem Ammoniak schwerlösliche gelbe, kristalline Salze der Phosphormolybdänsäure H₃[P(Mo₃O₁₀)₄], die zu ihrem Nachweis genutzt werden können.
Grundsätzlich bilden sich auch die analogen und isomorphen Salze der Arsenate, Germanate und Silikate, die aber entweder erst bei höheren Temperaturen entstehen (Arsenate) oder eine hohe Löslichkeit unter den gegebenen Bedingungen (Kieselsäure) besitzen.

H₃PO₄ + 12 H₂MoO₄ + 3 NH₄⁺ → (NH₄)₃[P(Mo₃O₁₀)₄] + 3H⁺ + 12 H₂O

a) Nachweis als Kristalle unter dem Mikroskop:
Die Phosphate und Arsenate bilden feine, kleine, gelbe typische Kristalle, die zur Identifizierung auf einem Objektträger genügen.

"ausgewachsene" Kristalle des Nachweismoleküls Ammoniummolybdatophosphat unter dem Mikroskop (etwa 400x)

Es muss ein ausreichender Überschuss (mindestens 12:1) an Molybdat-Ionen vorhanden sein, siehe Formel. Andererseits liegt damit ein günstiges Verhältnis für eine evtl. Mikro-Gravimetrie vor.
Eine Arsenat-Probelösung zeigt bei Zimmertemperatur keine Kristallentstehung; diese tritt erst auf, wenn der OT auf der Sparflamme eines Bunsenbrenners erhitzt wird. Die sich dann bildenden Kristalle sind vom Phosphor-haltigen Analogon nicht unterscheidbar!

b) Wenn eine Tüpfelanalytik (Spot-Test) zur Anwendung kommen soll, nutzt man die Tatsache, dass die entstandene Phosphormolybdänsäure nun genügend Oxidationspotenzial besitzt, um Benzidin in ein blaues Oxidationsprodukt (Benzidinblau) umzuwandelen. Gleichzeitig bildet sich noch Molybdänblau, die Empfindlichkeit des Nachweises wird so gegenüber dem Kristallnachweis deutlich erhöht!
Die Erfassungsgrenze wird mit 1,25 µg P₂O₅ (Feigl) angegeben.

Spot-Test3.jpg (52.36 KiB) 974 mal betrachtet

Darstellung der Tüpfelreaktionen mit Konzentrationen von Na₂HPO₄ von 0,001 M und 0,01 M, Mischungen der beiden Konzentrationen mit einer wahrscheinlich halbkonzentrierten "Adamin"-Lösung (Zink-arsenat) und dieser Zink-arsenat-Lösung alleine.
Die 0,001 M-Lösung ist noch gut nachweisbar. Das würde bedeuten 1 µl einer 0,001 M Phosphatlösung (etwa 100 ng PO₄^3-) wären nachweisbar - das wäre etwa in dem von Feigl angegebenen Bereich.
Die Zink-Arsenat-Lösung (aus dem Mineral "Adamin" gewonnen) zeigte keinerlei Reaktion im Tüpfeltest, der kleine Phosphatanteil in der Mischung bleibt aber nachweisbar. Nach Feigl sind noch 1,5 µg Phosphat neben 1,5 mg Arsenat (1:1000) nachweisbar!

Eine weitere deutliche Steigerung der Empfindlichkeit soll erzielt werden können, wenn das Tüpfelpapier nicht in Ammoniak-Gas geschwenkt wird, sondern statt dessen nach dem Auftrag der o.g. Reagenzien ein Tropfen einer gesättigten Natriumacetat-Lösung zugegeben wird. Die Erfassungsgrenze wird dann mit 0,05 µg Phosphat (Feigl) angegeben.

Störungen können hervorgerufen werden durch Reduktionsmittel (z.B. Schwefelwasserstoff), konzentrierte Säuren, wie insbesondere HCl, sowie durch komplexbildende organische Stoffe, wie Wein- und Oxalsäure in größeren Mengen.

Der Phosphatnachweis neben viel Arsenat kommt idealerweise dann zum Einsatz, wenn Minerale in kleinen und kleinsten Mengen mikrochemisch untersucht werden sollen, bei denen sowohl Phosphat, wie auch Arsenat nebeneinander im Kristallgitter vorliegen können, also zum Beispiel bei den radioaktiven Mineralen Zeunerit (Kupferuranyl-Arsenat) und Torbernit (Kupferuranyl-Phosphat). Die vorgestellten Spottests zeigen, daß dieser Test zum Beispiel nützlich ist, Anteile von Kupferuranyl-Phosphat im ebenso grüngefärbten Zeunerit nachzuweisen.


Literatur:

F.Feigl, Z.anal. Chemie 61, 454. 1922 / 74, 386. 1928 / 77, 299. 1929
Fresenius, Handbuch der analytischen Chemie, Band IVb, 1956
https://de.booksc.org/book/45506496/612a2e

[mgritsch]

Sehr schön! Ich mag empfindliche und spezifische Nachweise

Um die Formatierung auf unseren Standard etwas anzupassen bin ich gerne behilflich - wenn du gestattest dass ich direkt rein editiere.

Fragen gibt's natürlich auch
- Blauband-Filterpapier: welche Anforderungen gibt es generell an taugliches Tüpfelpapier? Kann man jedes beliebige Filterpapier nehmen? Wie kann man die Tauglichkeit ggfs verifizieren? Einfach mit einem Blindtest?
- wieso ist das Molybdat-behandelte Papier nur 1-2 Wochen haltbar? Molybdat sollte doch stabil sein?
- du beschreibst die Durchführung als Tüpfeltest, zum Bild unter dem Mikroskop gibt es auch eine Vorschrift?
- Am Mikroskop-Bild sind gelbe Kriställchen zu sehen, wie passt das zu einem Blauen NS?
- Arsenate, Germanate und Silikate sind schon genannt und ausgeschlossen - gibt es andere bekannte Störungen die falsch negativ oder pos. vortäuschen können?

[aliquis]

Interessant!

Zur Chemikalienliste:
Molybdat ist zur Molbdänsäure verlinkt, Ammoniak-Lösung zum Ammoniakgas. Es fehlen noch einige GHS-Smbole. Und Essig- sowie Salpetersäure zum Ansäuern sollten separat aufgelistet sein.

[Seaborg]

Hallo Martin,

du hast natürlich freie Hand bezüglich Editierung!
Die weiteren Vorschläge versuche ich im Text zu beantworten.

Reinhard

[Seaborg]

Feigl, der die Tüpfelanalyse in den 20er und 30er Jahren des vorigen Jahrhunderts groß gemacht hat, nennt in seinen Büchern oft verschiedene Papiere zum Tüpfeln; warum gerade das eine oder andere, hat sich mir noch nicht erschlossen.
Im Falle des Phosphatnachweises empfiehlt er Schleicher und Schüll No. 589-Blauband.
Darüberhinaus schreibt er:
Als Tüpfelpapier sind vor allem solche Papiersorten geeignet, die einen löschpapierartigen Charakter haben; härtere Papiersorten können entweder durch Verwendung recht harten Rohmaterials oder durch langfaserige Mahlung erzielt werden (z.B. die S&S-Papiere No 602 hart und 602 extra hart....)
Eine Charge vorbehandelter Tüpfelpapiere, die ich vor etwa 2 Monaten hergestellt hatte, schienen mir in ihrer "performance" zu schwächeln.
Eine Empfehlung, die Imprägnierung mit NH4-Molybdat frisch anzusetzen, kann eher nicht schaden.

Die gelben Kristalle entstehen nur auf dem OT und dienen hier sui generis der Identifizierung. Auf dem Tüpfelpapier wiederum können sich die Kristalle nicht bilden. Hier wird dann die Bildung des Farbstoffes erst zielführend.

[mgritsch]

warum gerade das eine oder andere, hat sich mir noch nicht erschlossen.

Konntest du denn schon praktisch Unterschiede entdecken in der Eignung?
Woran würde ich ein wenig geeignetes überhaupt erkennen? Geringere Empfindlichkeit? (Wegen…?) Störungen durch Verunreinigungen?

Die gelben Kristalle entstehen nur auf dem OT und dienen hier sui generis der Identifizierung. Auf dem Tüpfelpapier wiederum können sich die Kristalle nicht bilden. Hier wird dann die Bildung des Farbstoffes erst zielführend.

Das finde ich sehr bemerkenswert, nur am Papier kommt es zu einer Reduktion… wie ist das erklärbar?

[lemmi]

Ich finde den Nachweis auch spannend. Solche Reaktionen die etwas neben etwas anderem detektieren snd oft nützlich. Damit das ganze aber ein inhaltlich überzeugender Artikel wird sind noch ein paar ketzerische Fragen zu klären:

1. du hast in deinen Versuchen die Grenzkonzentration an Phosphat bestimmt, die noch eine positive Reaktion im Tüpfeltest gibt. Aber du hast nicht gezeigt, dass der Nachweis neben viel Arsenat geht, wie in der Überschrift angekündigt. Mich überzeugt die Argumentation ("Arsenomolybdat entsteht erst in der Wärme") nicht solange ich es nicht geshen habe! Wenn man nur reichlich Arsenat zugibt wird auch bei RT sich mehr davon umsetzen als das kleine bisschen Phosphat - oder nicht?
Wie sehen die Tüpfelversuche aus, wenn man Lösungen einsetzt die nur Arsenat (0,1 molar 0,01 molar, 0,001 molar) oder gar 0,1 m Arsenat und 0,001 m Phosphat nebeneinander enthalten?

2. Mir kommt der Unterschied zwischen 0,0001 und 0,001 molarer Phopshatlösung (a propos: was hast du eigentlich als Analyt verwendet?) sehr sprunghaft vor. Ist die Reaktion mit einer 0,0005 m Lösung vielleicht noch positiv?
Und wieso hast du zweimal 0,01 m eingesetzt statt 0,1 m und 0,01 m?

3. Ich gehe mal davon aus, dass man den Kristallisationsversuch nicht zur Detektion von wenig Phosphat neben viel Arsenat benutzen könnte - andernfalls müsstest du das auch noch zeigen bzw. den Unterscheid in der Kristallform demonstrieren.

[Calciumcitrat]

Kleine Korinthenkackerei: Könnten wir M statt m schreiben? Ich war am Anfang sehr verwirrt, ob es hier um die Größe (Länge) von Kristallen geht....

[mgritsch]

Ich reite auch noch ein bisschen i-Tüpfel
Wie passen die beiden Formeln für Phosphormolybdänsäure zusammen?

...schwerlösliche gelbe Salze der Phosphormolybdänsäure H₇[P₂( Mo₂O₇)₆], ... [...] ...

H₃PO₄ + 12 H₂MoO₄ + 3 NH₄⁺ → (NH₄)₃[P(Mo₃O₁₀)₄] + 3H⁺ + 12 H₂O

[Seaborg]

Das liegt wohl daran, daß ich die Formel für die "Phosphormolybdänsäure" aus dem Feigl-Buch von 1931 übernommen habe, die Reaktionsformel aber aus dem Fresenius. Ich habe also nun eingesetzt: H₃[P(Mo₃O₁₀)₄]
und "m" durch "M" ersetzt.
Ansonsten habe ich den Text auf Eure Anregungen hin überarbeitet und hoffe, die Fragen wurden soweit beantwortet.
Die Konzentration meiner Arsenat-Lösung muss offen bleiben. Mit Sicherheit ist sie aber um Größenordnungen höher, als die hochverdünnten Phosphatlösungen.
Der Nachweis von Phosphat über die Bildung charakteristischer Kristalle wäre insofern hilfreich, daß wenn bei RT nur geringe oder keine Kristallbildung aufträte, nach Erhitzen dann aber eine voluminösere Kristallbildung, keine oder geringe Mengen an Phosphat neben größeren Mengen Arsenat angenommen werden können.
Da sich mir das Problem "Phosphat / Arsenat" in der Mikrochemie der Minerale häufig stellt, weil diese beiden Anionen mit zu den häufigsten Mineralbildnern gehören, hängt es immer von der Menge des zur Verfügung stehenden Materials und vom zu erwartenden Mengenverhältnis der ionen ab, für welche Methode man sich entscheidet. Bei größeren Probenmengen ist es manchmal sinnvoller, den Phosphatanteil mit Zirkonylchlorid zu fällen und auch nachzuweisen, oder aber im stark sauren, das Arsenat mit TAA abzutrennen.

[lemmi]

Ah! Jetzt wird die Selektivität der Reaktion deutlich, vielen Dank!

Mal eine Frage in die Runde, die mich schon immer beschäftigt hat: wieso wird nicht schon das Ammoniummolybdat zu Molybdänblau reduziert, sondern nur das Molybdatophosphat (das noch dazu schwer löslich ist)?

[aliquis]

Das wäre mir neu...
Der Phosphatnachweis mit salpetersaurem Heptamolybdat ist das eine und der Nachweis von Reduktionsmitteln etwas anderes. Klappt mindestens mit Schwefeldioxid/Disulfid, zweiwertigem Zinn, Ascorbinsäure und nascierendem Wasserstoff. Phosphat muss da nicht zugegen sein, stört ggf. sogar...

[lemmi]

Aber genau das ist es doch, worum es hier geht!

Benzidin reduziert Phosphormolybdänsäure zu Molybdänblau, das Molybdat alleine wird nicht reduziert. Es gibt sogar quantitative photometrische Verfahren die auf der Reduktion von Molybdatophosphat in Gegewart eines Überschusses von Molybdat beruhen (mit metallischem Zinn).

Also, wieso funktioniert das?

[Seaborg]

Feigl gibt in seinem Buch "Qualitative Analyse mit Hilfe von Tüpfelreaktionen" von 1931 auf den Seiten 52-54 eine ausführliche Beschreibung und Erklärung des Phänomens, daß ein Molekül durch Komplexbildung eine "erhöhte Reaktionsfähigkeit" erlangen kann.
Im letzten Buch: "Spot Tests In Inorg. Analysis" von 1972 (6. Esition) ist diese Abhandlung anscheinend nicht mehr vorhanden.

[aliquis]

Aber genau das ist es doch, worum es hier geht!

Benzidin reduziert Phosphormolybdänsäure zu Molybdänblau, das Molybdat alleine wird nicht reduziert. Es gibt sogar quantitative photometrische Verfahren die auf der Reduktion von Molybdatophosphat in Gegewart eines Überschusses von Molybdat beruhen (mit metallischem Zinn).

Also, wieso funktioniert das?

Also, wenn ich Seaborg richtig verstanden habe, passiert beides nebeneinander: Bildung von gelber Molybdänphosphorsäure und Molybdänblau durch Reduktion mit Benzidin - vermutlich bedingt durch einen Überschuss an Molybdat.
Ob und wie das geht, könnte man ja auch mit einer Mischung aus einem anderen Reduktionsmittel (z. B. Vitamin C) und einer Phosphatlösung testen, wenn man kein Benzidin zur Hand hat: einfach salpetersaures Molybdat im Überschuss hinzugeben. Dann sollte sich ein gelber Niederschlag in einer ansonsten blauen Lösung absetzen. Dieser Niederschlag ist jedoch nicht Voraussetzung zur Bildung von Molybdänblau. Beides sind verschiedene Reaktionen und stehen tendenziell sogar in Konkurrenz zueinander. Deshalb Molybdat im Überschuss. Tendenziell sollte zunächst solange Molybdanblau entstehen, bis das Reduktionsmittel verbraucht ist, und erst dann der gelbe Niederschlag mit Phosphat. Nur meine Vermutung - ich habe noch nie beides nebeneinander im Reagenzglas gehabt... Ich muss ja auch mit nur 3 % iger Salpetersäure vorlieb nehmen, in der ich die feste Probe oder das Molybdat direkt löse, um nicht noch mehr verdünnen zu müssen. Damit klappt der Phosphatnachweis aber meist trotzdem, wenn die Probe selbst nicht allzu basisch war.