Hochselektiver Cu-Nachweis

[Seaborg]

Hochselektiver und einfacher Nachweis von Cu in Nanogramm-Mengen

Kupfer und seine anorganischen Verbindungen sind, nicht zuletzt in zahllosen Mineralen und Legierungen, weit verbreitet und deswegen gibt es auch zahlreiche, gut etablierte Nachweisverfahren, sei es mithilfe von physikalischen Methoden (z.B. Elektrodeposition, Flammenfärbung u.a.), sei es mit anorganischen und organischen Nachweisreagenzien. Eine extrem vielfältige Übersicht zu letzteren findet sich in [1].
Sehr viele Nachweismethoden haben aber Nachteile, sei es ein schwer zu beschaffendes organisches Reagenz (oft dazu noch sehr giftig), sei es eine geringe Empfindlichkeit oder eine hohe Störanfälligkeit.
Liest man die einzelnen Nachweisverfahren (z.B. im Freseniusband) [2] durch, so wird man immer wieder darauf stoßen, daß die Überzahl der Verfahren unter "Störungen" nun gerade die Elemente aufführen, mit denen Kupfer sehr oft "vergesellschaftet" ist, also z.B.: Zn, Ni, Co, und in Mineralen oft auch Uran.
Oft kommt man dann nicht umhin, das Kupfer doch erst nach dem üblichen "Trennungsgang" (nach Fresenius) freizulegen, um z.B. erst dann eine charakteristische Farbreaktion anschliessen zu können.
Bei intensiver Suche finden sich aber dennoch immer einmal wieder Verfahren, die in vielfacher Hinsicht interessant sein können, sei es durch einfachste Durchführung und "Toleranz", leicht "bekömmliche" Reagenzien, hohe Selektivität oder Empfindlichkeit.
Im Folgenden möchte ich einen solchen Test für Kupfer vorstellen. Er wurde wohl ursprünglich von Oudemans [4] entdeckt und ist sowohl im Freseniusband "Kupfer/Silber/Gold", als auch im "Feigl" [3] beschrieben.

Geräte:
kleine Reagenzgläser mit Ständer, Tüpfelplatte (weiß), Mikropipetten mit Spitzen,

Chemikalien:
Ammoniumeisenalaun-Lösung Merck "J1" ( 10 g Amm.-eisen(III)-sulfat + 10 ml 6 N-HNO₃ auf 100 ml)
oder Eisen(III)-chlorid-(Lösung)
Ammoniumthiocyanat
Natriumthiosulfat


Hinweis:
Wenn die gesuchte Kupfermenge im höheren µg- oder niedrigen mg-Bereich ist, ist die Testdurchführung sehr "tolerant", soll heißen, die Konzentration der eingesetzten Reagenzien darf großzügig ausgelegt werden. Bei zu erwartenden kleineren Mengen bis in den Nanogramm-Bereich hinunter, ist es ratsam, durch einige Vorversuche die Konzentration der eingesetzten Reagenzien abzugleichen.
Für den unten gezeigten Versuch, bei dem etwa 30 - 40 ng (!) Cu nachgewiesen wurden, habe ich eine relativ konzentrierte "Eisenthiocyanat-Lösung" eingesetzt, die über die empfohlene Konzentration bei Feigl hinausgeht und dann von dieser Lösung wechselnde Mengen mit 0,1 M Na-thiosulfat versetzt, bis ich mit den für den Versuch eingesetzten Nanogramm-Mengen an Cu eine Reaktion bekam, die gerade so langsam war, daß ich sie fotografieren konnte.

Durchführung:
Nach Feigl wird eine Eisen-thiocyanat-Lösung aus 1,5 g Eisen(III)-chlorid und 2 g KSCN in 100 ml Wasser hergestellt.
Die von mir verwendete Fe-thiocyanat-Lösung wurde wie folgt hergestellt:
3 ml der Merck "J1"-Ammoniumeisen(III)-sulfat-Lösung auf 5 ml verdünnt (enthält dann 63 mg Fe), dann etwa 260 mg Ammoniumthiosulfat zugegeben. (das müßte ganz grob dem Mischungsverhältnis von Feigl entsprechen)
Die Na-thiosulfat-Lösung sollte etwa 0,1 M sein.
In eine passende Vorrichtung werden zwei oder mehr Reagenzgläser so aufgestellt, daß man sie, nach Zugabe der Na-thiosulfat-Lösung kurz schütteln kann.
Im ersten Gefäß ist die Leerprobe mit z.B. 50 µl der tiefroten Eisenthiocyanat-Lösung in 200 µl Wasser.
Im zweiten Glas sind neben dieser Mischung noch 1 µl bzw. (im dritten Glas) 5 µl einer 0,5 mM Cu-acetat-Lösung.
Nach kurzem Mischen werden möglichst kurz hintereinander je 200 µl der Na-thiosulfat-Lösung gegeben und wieder kurz geschüttelt.
Bei den von mir gewählten Konzentrationen läuft dann innerhalb von 20 sek. folgendes ab:

In den Fotografien sieht man im linken Glas die Leerprobe "ohne" Kupfer, im mittleren eine Menge von 30 ng - 40 ng Cu in etwa 450 µl Flüssigkeit (!) und im rechten etwa 150 ng bis 200 ng Cu in 450 µl Flüssigkeit.
Vom ersten bis zum letzten Bild vergehen (hier) etwa 20 sek.


Bei höheren Konzentrationen an Kupfer läuft die Entfärbung in Sekundenbruchteilen ab!
Bei Inkaufnahme längerer Wartezeiten lassen sich dagegen noch deutlich geringere Kupfermengen nachweisen.
Um den Faktor 10 lassen sich darüberhinaus die Nachweisgrenzen herabsetzen, wenn statt der kleinen Reagenzgläser (von Mikrochemikern auch gerne "Bottiche" genannt ) weiße Tüpfelplatten zum Einsatz kommen.


Entsorgung:
Die zuletzt wasserklaren Lösungen mit Milligrammengen an Substanzen können über den Abfluss entsorgt werden.


Erklärung:
Schon lange ist bekannt, daß Fe(III) mit Alkali- und Ammonium-Thiosulfaten sofort eine tiefviolette Verbindung eingeht, die nach einiger Zeit verblasst, und die in summa nach folgender Redoxreaktion verläuft:

2 Fe⁺³ + 2 S₂O₃^-2 = 2 Fe⁺² + S₄O₆^-2


Einzelreaktionen:

Deshalb verblasst natürlich mit der Zeit auch die Leerprobe, auch wenn absolut kein Cu anwesend ist!


Mit geringsten Mengen Cu läßt sich die relativ langsame Reaktion zwischen Fe(III) und dem Thiosulfat-Ion katalytisch beschleunigen, bis hin zu einer nahezu sofortigen Umsetzung.
Noch sehr viel deutlicher und empfindlicher wird die Reaktion, wenn vorab das Eisen mit dem Thiocyanat-Ion zum tiefroten Eisenthiocyanat umgesetzt wird. Dies führt nicht nur zu einer ausgeprägten besseren Erkennbarkeit der Farbreaktion, sondern auch zu einer starken Verzögerung der Entfärbung der Ursprungsfärbung der Verbindung zwischen Eisen und Thiosulfat.

Störungen:
Der Nachweis ist hochspezifisch; eine ähnliche katalytische Beschleunigung der Entfärbung ist nur durch Platin beschrieben (s.a. unten)
Störungen durch Zink oder Nickel treten erst bei über tausendfachem Überschuss dieser Ionen auf.
Störungen durch Cobalt bis zur 100-fachen Menge nicht relevant! (siehe unten)
lemmi hat durch seine Versuche nachgewiesen, daß Störungen durch Arsenat, Platin, Blei, Cobalt, Quecksilber, Silber und Zink im Bereich normaler Konzentrationen keine Rolle spielen. Auch hat er den geringen Effekt von Veränderungen des pH-Wertes nachgewiesen. (siehe sein Bericht unten in den Antwortbeiträgen!)
Die von mgritsch und Glaskocher ins Spiel gebrachte Störung durch Iodide und andere Reduktionsmittel sind natürlich vorhanden. Sie sind aber allesamt nicht katalytisch wirksam, sondern stöchiometrisch durch Reduktion von Anteilen des Fe³⁺ in der Fe-thiocyanatlösung oder bei großem Überschuss auch durch (zusätzl.) Reduktion des Cu²⁺.
In kleineren Mengen vorhanden, fallen sie bei genügendem Überschuss der Fe-thiocyanat-Lsg. gar nicht auf. Mit zunehmender Konzentration würde man eine Teilentfärbung der Fe-thiocyanat-Lösung feststellen können. Bei völliger Entfärbung wäre es evtl. möglich, durch weitere Zugabe der Lösung die rote Farbe wieder herzustellen.
Aber: die (steuerbare) langsame und vollständige Entfärbung der Fe-thiosulfatlösung durch Cu und Na-thiosulfat bleibt charakteristisch.




Literatur:
[1] F.J.Welcher, E.Boschmann, "Organic Reagents For Copper", 1979
[2] W.Fresenius,G.Jander, "Handbuch Der Anal. Chemie, Elemente Der Ersten Nebengruppe", 1955
[3]F. Feigl, Spot Test In Inorganic Analysis (letzte Auflage 2003)
[4]A.C. Oudemans, Z.anal.Chem, 6, (1867) 129
[5]F.L.Hahn, G.Leimbach, Ber., 55 (1922) 3070

[aliquis]

Interessanter Nachweis, war mir so noch nicht bekannt.

Wie lange braucht die Leerprobe, um sich infolge Reduktion zu zweiwertigem Eisen durch Thiosulfat zu entfärben?

[Seaborg]

Nach 20 Minuten war noch eine orangene Färbung zu sehen. Habe erst jetzt, nach Stunden, wieder draufgeschaut, da ist der Überstand wasserklar, es hat sich aber ein feiner weißer Niederschlag abgesetzt.

[lemmi]

Sehr interessant, was du da immer wieder alles ausgräbst! Ich würde allerdings systematisch ausprobieren, ob auch wirklich mit anderen Schwermetallen keine Störung auftritt. Das mit Platin und Arsenat kann ich mal für dich ausprobieren.

[aliquis]

Hm, was ist das für ein Niederschlag? Eisentetrathionat?

Übrigens: Ferrichlorid gibt allein mit Thiosulfat auch eine Rotfärbung durch einen Eisen-Thiosulfat-Komplex, die allerdings fast augenblicklich wieder verschwindet.

[Seaborg]

Hallo lemmi,
Platin traust du mir wohl nicht zu....
Aber gerne! Cobalt hat noch keiner überprüft (siehe Fachlit. im Anhang) ; wäre für mich nicht ohne Interesse.
Seaborg

[Seaborg]

Im Nachtrag der oben vorgestellte Test jetzt noch mit der (im Vgl. zu Cu) 100-fachen Menge Kobalt.
Es läßt sich eine allenfalls minimale Verzögerung der durch die Katalyse des Cu bewirkten Entfärbung der Lösung durch die relativ hohe Cobaltmenge feststellen. Cobalt kann deshalb als Störung unter realistischen Bedingungen ebenfalls ausgeschlossen werden.

Die Zeitdauer bis zur Entfärbung wiederum etwa 2 Minuten.

Seaborg

[Glaskocher]

Dieser Nachweis sieht interessant aus. Nachweis durch Katalysewirkung, das ist eine seltene Sache.

Beim Cobalt hätte ich eine eigene katalytische Wirkung vermutet. Da aber die Lösung gleichschnell oder minnimal verzögert aufhellt ist diese Katalyse nicht gegeben.

Im Prinziep müßte man aus einer Liste an redoxpotentialen alle die heraus suchen, die Eisen(III) reduzieren und Thiosulfat zumindest um ein Elektron oxidieren können. Ob das dann auch noch andere Kandidaten machen weiß ich nicht.

Wie "stabil" ist dieser Nachweis gegen pH-Schwankungen? Im Sauren zerlegt sich das Thiosulfat zu Sulfit und Schwefel. Kann Ammoniak stören, weil es Kupfer komplexiert? Welche Puffersysteme kann man nutzen, wenn die Probe stark sauer aufgeschlossen wurde? Ich denke dabei an die Analytik im Feld oder an unbekannten Erzproben.

[lemmi]

Hallo lemmi,
Platin traust du mir wohl nicht zu....
...
Seaborg

Ich dachte, das wäre vielleicht zu röntgendicht ...

[Seaborg]

Wie "stabil" ist dieser Nachweis gegen pH-Schwankungen? Im Sauren zerlegt sich das Thiosulfat zu Sulfit und Schwefel. Kann Ammoniak stören, weil es Kupfer komplexiert? Welche Puffersysteme kann man nutzen, wenn die Probe stark sauer aufgeschlossen wurde? Ich denke dabei an die Analytik im Feld oder an unbekannten Erzproben.

In der zitierten Arbeit von 1922 wurden Einflüsse von Temperatur und Medium untersucht und als wenig relevant beschrieben.
Das Entscheidende aber: bei 5 µl (oder noch sehr viel weniger, unterhalb 1 µl) einer unter 0,005 M Lösung, die dazu noch auf etwa 450 µl verdünnt werden, spielt die Acidität der Probe keine Rolle mehr.
Die Untersuchung des umgekehrten, verzögernden Einflusses des Arsens, das möglicherweise gerade von einer anderen Arbeitsgruppe (s.o. ) untersucht wird, steht bzgl. Ausprägung noch aus. Mein Gedanke dazu: Schon in leicht saurer Lösung müßte Arsen (sowohl III, als auch IV) mit dem Na-thiosulfat reagieren, um Sulfide zu bilden, wenn auch quantitativ erst mit Erhitzen. Vielleicht reicht ein Überschuss an Na-thiosulfat aus, um den Einfluss kleinerer Mengen Arsenat zu reduzieren.

[aliquis]

Im Sauren zerlegt sich das Thiosulfat zu Sulfit und Schwefel.

Tut es in der Regel erst nach vollständigem Verbrauch des Oxidationsmittels (solange es kein Chlor oder Brom ist), vgl. das Verhalten in iodometrischer Verwendung.

[mgritsch]

Ein super Nachweis, gefällt mir gut!

Ein paar Anmerkungen:

Chemikalien:
Ammoniumeisenalaun oder Eisen(III)-chlorid
Ammoniumthiocyanat

Da bist du nicht ganz konsistent mit dem was du tatsächlich eingesetzt bzw angegeben hast….

Für den unten gezeigten Versuch, bei dem etwa 30 - 40 ng (!) Cu nachgewiesen wurden, habe ich eine relativ konzentrierte "Eisenthiocyanat-Lösung" eingesetzt, die über die empfohlene Konzentration bei Feigl hinausgeht. Zu guter Letzt habe ich eine relativ konzentrierte, tiefrote Lösung aus Ammoniumeisenalaun-Lösung und Ammoniumthiocyanatlösung hergestellt und dann von dieser Lösung wechselnde Mengen mit 0,1 N Na-thiosulfat versetzt, bis ich mit den für den Versuch eingesetzten Nanogramm-Mengen an Cu eine Reaktion bekam, die gerade so langsam war, daß ich sie fotografieren konnte.

Während Feigls Angaben da sehr konkret sind bleibst du das leider schuldig - was ist genau „relativ konzentriert“, was sind die „wechselnden Mengen“? Artikel sollten genug Angaben haben um sie reproduzieren zu können…

Nach Feigl wird eine Eisen-thiocyanat-Lösung aus 1,5 g Eisen(III)-chlorid und 2 g KSCN in 100 ml Wasser hergestellt.
Die Na-thiosulfat-Lösung sollte demnach 0,1 N sein.
In eine passende Vorrichtung werden zwei oder mehr Reagenzgläser so aufgestellt, daß man sie, nach Zugabe der Na-thiosulfat-Lösung kurz schütteln kann.

Siehe oben - ist vermutlich nicht was du gemacht hast bzw was wäre das Ergebnis wenn man sich an Feigl hält? Weniger empfindlich? Oder schneller?
Worin genau besteht deine Abwandlung zu Feigl und welche Vorteile oder Nachteile hat sie?
Bei Nutzung von FeCl3 dürfte das Hexahydrat gemeint sein oder das wasserfreie?

Molare Angaben sind auch hilfreich, dann kann man sich ein Bild über die Verhältnisse im Ansatz machen bzw ggfs auch leicht auf andere Stoffe wie NH4-Fe-Alaun oder NH4SCN umrechnen…

In dem Sinne:
5,5 mmol FeCl3.6H2O in 100 ml = 55 mM
20,6 mmol KSCN in 100 ml = 206 mM
(ein Verhältnis von 1:4, also leicht überstöchiometrisch. Müsste überhaupt so viel SCN? Ist ja nur Indikator, kommt in keiner Reaktion vor…)

Der Ordnung halber - die Angabe „0,1 N“ ist AFAIK lt IUPAC veraltet da nicht immer eindeutig auf was sich das „N“ bezieht.
Gemeint ist in dem Fall wohl 0,1 M, also 2,5 g vom Pentahydrat in 100 ml.

Im ersten Gefäß ist die Leerprobe mit z.B. 50 µl der tiefroten Eisenthiocyanat-Lösung in 200 µl Wasser.
Im zweiten Glas sind neben dieser Mischung noch 1 µl bzw. (im dritten Glas) 5 µl einer 0,0005 M Cu-acetat-Lösung.
Nach kurzem Mischen werden möglichst kurz hintereinander je 200 µl der Na-thiosulfat-Lösung gegeben und wieder kurz geschüttelt.

Also 1 Tropfen Fe-Thiocyanat + 4 Tropfen Wasser + < 1 Tropfen Probe mischen, dann 4 Tropfen Thiosulfat-Lösung, für praktische Zwecke, da nicht jeder entsprechende μl-Pipetten hat
Leichter lesbar als viele Nullen wären entsprechende SI-Teilungen, also zB 0,5 mM Cu-Acetat.

Verhältnisse im Ansatz Fe:Thiosulfat = ca 1:8

Wie reagiert der Test auf große Mengen Cu, also wenn man eine größere Konzentration in der Probe hat oder die Probe statt des Wassers zum Verdünnen einsetzt - jedenfalls ein Überschuss Cu in Verhältnis zu SCN? Kann es wegen Bildung von unlöslichem CuSCN zu einer Störung kommen? (Ok, das wäre dann auch einfach eine Entfärbung, schon vor Thiosulfat-Zugabe…) in dem Sinne dürfte dann wohl auch zB Ag stören…

Was sonst stören könnte - alles was mit Fe sehr stabile Komplexe bildet (Fluorid, EDTA, TEA, Citrat) oder stark reduzierend (Ascorbat) oder oxidierend (Peroxid) wirkt, vermute ich mal. Letzteres wohl nur wenn so viel dass schon alles Thiosulfat verbraucht würde.

Mit geringsten Mengen Cu läßt sich die relativ langsame Reaktion zwischen Fe(III) und dem Thiosulfat-Ion katalytisch beschleunigen, bis hin zu einer nahezu sofortigen Umsetzung.

Durchaus erstaunliche Erklärungen…. Also vor allem die erste Gleichung nach der Fe(III) Thiosulfat das Cu²⁺ zu Cu¹⁺ reduziert
Thiosulfat alleine schafft das AFAIK nicht… was da wohl im Detail dahinter steckt?

[aliquis]

Stören dürften wohl auch Phosphat und Oxalat.

[Seaborg]

das Problem (oder auch der Vorteil) bei diesem Nachweis ist, das man hier, um einen mathematischen Vergleich zu bemühen, drei Gleichungen mit 4 Unbekannten hat.
Die Unbekannten sind: die Konzentration des Fe, des Rhodanid, des Thiosulfat und des Cu und die Zeitdauer der Reaktion.
(siehe Hahn, Leimbach).
Ich habe deshalb zwei der Unbekannten zu Bekannten gemacht, einerseits die Reaktionsdauer auf "photogene" 2 Minuten und andererseits die nachzuweisende Kupfermenge auf 0,5 mM festgelegt und dann die Unbekannten: Fe (als Fe-Alaun-Lösung) und Rhodanid ausgepröbelt (hier schon mit auf 0,1 M festgelelegter 0,1 M Thiosulfat-Lösung)
Ich habe also das Pferd von hinten aufgezäumt!
Wen 20 Minuten Wartezeit und mehr nicht stören, oder wem das zu alchemistisch ist, der kann sich ja an folgende Vorschrift halten, die in der Veröff. von Hahn (siehe oben) angegeben ist:

5 g Eisenalaun + 25 ml einer etwa 2 M HCl in einem Liter (Wasser)
5 M Ammoniumrhodanid- Lösung
0,067 M Natriumthiosulfat (1/15 M)

"....Um eine günstige Reaktionsdauer zu erhalten, versetzt man zur Erkennung kleinster Kupferspuren (0,2 - 2 µg) 2 L Eisenlösung mit 10 bis 20 ml Rhodanid; zur Bestimmung größerer Mengen (bis zu 3 mg Cu) verwendet man mehr Rhodanid, bis zu 200 ml..."[/i]
"...Die Reaktionsgeschwindigkeit ist stark abhängig von kleinen Schwankungen im Konzentrationsverhältnis Eisen: Rhodanid: Thiosulfat, vom Aciditätsgrad der Lösungen und schließlich von der Temperatur. ....ist es vorläufig noch nicht möglich, etwa für bestimmte Kupfermengen bestimmte Reaktionszeiten anzugeben...."
F. Hahn und G. Leimbach, 1922

Was sonst stören könnte - alles was mit Fe sehr stabile Komplexe bildet (Fluorid, EDTA, TEA, Citrat) oder stark reduzierend (Ascorbat) oder oxidierend (Peroxid) wirkt, vermute ich mal. Letzteres wohl nur wenn so viel dass schon alles Thiosulfat verbraucht würde.

Alle diese möglichen "Störer" spielen m.E. bei dem tausendfachen Überschuss an Fe-Rhodanid-Lösung im Ansatz keine Rolle.
Das wäre vielleicht anders, wenn es um eine semiquantitative Bestimmung ginge.

[mgritsch]

Ich habe deshalb zwei der Unbekannten zu Bekannten gemacht, einerseits die Reaktionsdauer auf "photogene" 2 Minuten und andererseits die nachzuweisende Kupfermenge auf 0,5 mM festgelegt und dann die Unbekannten: Fe (als Fe-Alaun-Lösung) und Rhodanid ausgepröbelt (hier schon mit auf 0,1 M festgelelegter 0,1 M Thiosulfat-Lösung)

ist ja alles gut und schön und richtig, aber auf welche Konzentrationen bist du dann konkret gekommen, was hat funktioniert?
Oder ist das nach allem gepröbele nicht mehr feststellbar? Das wäre schade, denn so ist der Nachweis leider für niemanden nachvollziehbar...
Und ich nehme an es ist zwar fürs Foto nett wenn es sich auf ~2 Minuten aufteilt, aber wenn es nach 1 Sekunde schon farblos ist wäre das für die Zwecke des Nachweises auch okay, oder? (zu viel Cu schadet nicht bzw erfordert keine Anpassung?) Am Ende entscheidet immer der Vergleich zur Blindprobe, oder?

"...Die Reaktionsgeschwindigkeit ist stark abhängig von kleinen Schwankungen im Konzentrationsverhältnis Eisen: Rhodanid: Thiosulfat, vom Aciditätsgrad der Lösungen und schließlich von der Temperatur. ....ist es vorläufig noch nicht möglich, etwa für bestimmte Kupfermengen bestimmte Reaktionszeiten anzugeben...."

öha, dann sind die oben angegebenen Reaktionsgleichungen aber zumindest nicht vollständig, denn da spielt das SCN keine Rolle, genausowenig der pH. Kam mir auch kurios vor, ich hätte doch erwartet dass das Redox-System 2 Cu²⁺ + 4 SCN^- -> 2 CuSCN + (SCN)₂ dabei eine Rolle spielen sollte... naja, führt wohl zu weit den Mechnismus da genauer zu hinterfragen.