Die “Perlenproben“ mit Hilfe des Lötrohrs sind eine historische Analysenmethode, bei der sich bestimmte Metalle anhand der charakteristischen Färbungen erkennen lassen, die sie mit geschmolzenem Borax oder Phosphorsalz ausbilden. Durch Farbänderungen je nach den Reaktionsbedingungen (oxidierend bzw. reduzierend) lässt sich die diagnostische Genauigkeit erhöhen. Heute kaum noch angewandt, waren diese Methoden seit der Mitte des 18. Jhrhunderts über gut 150 Jahre ein wesentlicher Bestandteil der anorganischen Analytik, vor allem von Mineralien. Ihr großer Vorteil besteht darin, dass es sich um Trockenmethoden handelt, die mit relativ kleinen Substanzproben und Reagenzmengen auskommen, so dass eine erste analytische Einordnung schon “vor Ort“ z.B. an der Fundstelle eines Minerals, getroffen werden kann. Die Ausstattung passt in ein kleines Kästchen und lässt sich bequem transportieren, ohne dass man auf empfindliche Glasgeräte usw. Rücksicht nehmen müsste. Von (Hobby-)Mineralogen wird sie noch gelegentlich angewandt, und zur Identifizierung einzelner Metalle (z.B. von Kobalt oder Uran) sind die Perlenreaktionen immer noch eine zuverlässige Methode.
Neben den bekannten Borax- und Phosphorsalzperlen kann noch eine andere Art von “Perlenproben“ einfach und schnell durchgeführt werden, nämlich die Oxidationsschmelze in einer Soda-Salpeter-Mischung. Sie dient vor allem zur Identifizierung von Chrom und Mangan.
Die Perlenproben sind in etlichen Fällen durchaus variabel in ihrem Ergebnis und hängen von mehreren Umständen ab. Auch die Aussage, dass "die Färbungen der Boraxperle denen der Phosphorsalzperle entsprechen", ist in vielen Fällen nicht korrekt. Im Folgenden stelle ich deswegen die Ergebnisse einer Versuchsreihe vor, die ich zunächst an bekannten Metallverbindungen, und dann zur Identifikation von Mineralien durchgeführt habe.
Material/Geräte:
Spiritusbrenner, Lötrohr, Magnesiastäbchen, kleine Reibschale, Mineralmörser, UV-Lampe 365 nm
Chemikalien:
Natriumtetraborat
Natriumammoniumhydrogenphosphat (Phosphorsalz → Darstellung)
Natriumcarbonat wasserfrei
Kalumnitrat
Kaliumcyanid
Kaliumhydrogensulfat oder verdünnte Schwefelsäure (25 %)
Wasserstoffperoxid 3 %
Analysengut:
Molybdän(VI)-oxid
Mangan(IV)-oxid
Eisen(III)-oxid
Kupfer(II)-oxid
Chrom(III)-oxid
Kobalt(II)-carbonat
Natriumwolframat
Vanadium(V)-oxid
Nickel(II)-sulfat
Blei(II)-oxid
Chrom
Mangan
Diverse Mineralien
Sicherheitshinweis:
Da man mit dem Gesicht relativ nahe an die Brennerflamme kommt ist das Tragen einer Schutzbrille obligatorisch, und lange Haare müssen zurückgebunden werden! Es wird mit heißen Substanzschmelzen gearbeitet wird, die leicht vom Magnesiastäbchen abfallen bzw. -tropfen, eine hitzeresistente Unterlage (Glasplatte, Keramikplatte o.ä.) ist zu empfehlen.
Versuchsdurchführung:
1. Borax- und Phosphorsalzperlen:
Die Perlenproben werden klassisch vor dem Lötrohr einmal in der Oxidationsflamme und dann in der Reduktionsflamme ausgeführt (zur Erzeugung der Flammen siehe hier!). Alternativ soll es auch möglich sein, die Perlenreaktionen in verschiedenen Zonen der Bunsenbrennerflamme auszuführen, wobei der innere Flammenkegel als Reduktionszone und der saum als Oxidationszone angesehen wird.[2] Zusatz von Reagenzien unterstützt die chemischen Umsetzungen. Als Oxidationsmittel ist Kaliumnitrat üblich und bewährt. Als Reduktionsmittel habe ich verschiedene Stoffe ausprobiert (Kaliumoxalat, Kaliumhexacyanoferrat(II), metallisches Zinn, Zinn(II)-chlorid, Kaliumcyanid) und mit dem Kaliumcyanid durchgehend die besten Erfahrungen gemacht. Ohne Reduktionsmittel fand ich das Hervorbringen der klassischen Reduktionsfarben der Perlen äußerst schwierig. Leider ist dieses Reagenz stark giftig.
Zunächst wird die Perlenmasse am Magnesiastäbchen angeschmolzen. Dazu wird die Spitze des Stäbchens in der Oxidationsflamme vor dem Lötrohr zum Glühen erhitzt, in Borax oder Phosphorsalz getaucht - wobei eine gewisse Menge am Stäbchen hängen bleibt - und erneut erhitzt bis die Substanz am Stäbchen eine klare Schmelze gebildet hat. Der Vorgang wird 3-4 Mal wiederholt bis sich eine ausreichend große “Perle“ gebildet hat.
Der Borax bläht sich beim Schmelzen stark auf (sieht einem Popcorn ähnlich), da das Kristallwasser sowie das molekular gebundene Wasser abgegeben wird. Dabei fällt häufig Substanz ab oder springt weg (Unterlage!). Das Phosphorsalz schmilzt sehr schnell und gibt unter starkem Aufbrausen Wasser und Ammoniak ab. Auch hierbei tropft die Schmelze leicht ab, vor allem, wenn zu viel Substanz auf ein Mal angeschmolzen wird.
Zur Analyse wird mit der noch flüssigen, heißen Perle etwas von dem gepulverten Analysengut aufgenommen und anschließend erneut vor dem Lötrohr, zunächst oxidierend durchgeschmolzen indem man sie mit der Oxidationsflamme behandelt, bis sich die Probe in der Schmelze gelöst hat. Anschließend wird die Färbung beobachtet und zwar sowohl in der noch heißen Perle als auch nach dem Abkühlen derselben. Werden sulfidische Mineralproben untersucht so muss das Sulfid zunächst entweder auf Kohle abgeröstet werden, um es in das Oxid überzuführen, oder die Perle wird in etwas Kaliumnitrat getaucht und erneut durchgeschmolzen. Unter kräftigem Schäumen tritt die Oxidation des Sulfids ein und die Farbe bildet sich deutlich aus. Dieses Vorgehen ist generell zu empfehlen, wenn es sich um ein unbekanntes Mineral handelt, das beim Schmelzen in der Oxidationsflamme ohne Zusätze sich nicht löst oder keine farbige Perle ergibt.
Im nächsten Schritt wird die Perle reduzierend durchgeschmolzen. Dazu nimmt man mit der heißen Perle einige Körnchen Kaliumcyanid auf und erhitzt in der Reduktionsflamme bis die Reaktion – ebenfalls am Aufblähen und Schäumen kenntlich – beendet ist. Danach wird die Färbung der Perle erneut in heißem und kaltem Zustand beurteilt. Wenn die Perle zuvor unter Zusatz von Kaliumnitrat hergestellt wurde, ist die Reduktionswirkung des Kaliumcyanids unsicher. Man stellt dann besser eine neue Perle her, die zunächst ohne Nitratzusatz oxidierend, und dann mit Kaliumcyanid reduzierend durchgeschmolzen wird.
Die Effektivität einer Oxidationsflamme kann man am besten mit Molybdän(VI)-oxid prüfen. In der Oxidationsflamme muss sich eine völlig klare, farblose Perle bilden. Unter reduzierenden Bedingungen bekommt diese schnell graue bis schwarze Schlieren. Dabei ist es unerheblich ob Borax oder Phosphorsalz verwendet wird.
Umgekehrt prüft man die Wirkung der Reduktionsflamme mit Mangan(IV)-oxid. Dieses löst sich in der Oxidationsflamme zu einer tief violetten Perle. Unter Reduktionsbedingungen hellt sich die Farbe auf und verblasst zu einem (je nach Menge) hellen Rosa oder entfärbt sich ganz. Mir ist das einige Male - aber nicht immer – in der bloßen Reduktionsflamme nach einiger Zeit gelungen. Mit KCN gelang jedesmal die rasche Entfärbung der Manganperle.
1.1 Ergebnisse mit Reinsubstanzen:
Der Einfachheit halber wird die oxidierend geschmolzene Perle im Folgenden mit OF (Oxidationsfeuer) und die bei reduzierendem Schmelzen erhaltene mit RF (Reduktionsfeuer) bezeichnet. Dabei gilt das oben gesagte. Alle im folgenden dargestellten RF-Perlen wurden durch Zusatz von Kaliumcyanid erhalten. Die Bilder zeigen die Perlen in abgekühltem Zustand. Oft sind vor allem die im OF erhaltenen Farben in der Hitze anders, dies wird im Text beschrieben.
Eisen:
Die Färbung der Eisenperlen ist stark von der Sättigung abhängig.
Mit Borax erhält man im OF eine heiß braungelbe Perle, die bei Abkühlung hellgelb wird. Im RF wird die Perle braungrün. Die Phosphorsalzperle im OF ist heiß gelb und kalt farblos, im RF wird sie trübe und grünlichgrau.
Kupfer:
Kupferoxid gibt mit Borax und Phosphorsalz dieselben Farbreaktionen. Din im OF erhaltenen Perlen sind heiß grün und hellen beim Abkühlen zu himmelblau auf. Im RF werden sie trübe und nehmen eine charakteristische braunrote Färbung an.
Kobalt:
Auch die Kobaltperlen haben mit Borax oder Phosphorsalz dieselbe Farbe, ein sehr charakteristisches, tiefes Blau, das sich in der RF nicht verändert und mit keinem anderen Metall erhalten wird.
Nickel:
Die Boraxperle wird durch Nickelsulfat im OF dunkelbraun gefärbt und verändert sich beim Abkühlen nicht. Im RF färbt sie sich undurchsichtig tiefschwarz. Phosphorsalz gibt im OF eine bräune Perle die sich beim Abkühlen zu goldgelb aufhellt. Im RF wird sie trübe und grünlich-schwarz.
Chrom:
Chrom(III)-oxid löst sich in Borax im OF zu einer Perle die heiß dunkelgrün und kalt etwas heller grün gefärbt ist. Die Behandlung im RF führt zu keiner charakteristischen Veränderung - bei meinem Versuch wurde die Perle etwas dunkler grün, was aber an einer etwas größeren Menge Substanz gelegen haben könnte.
Mit Phosphorsalz bildet sich im OF eine violettbraune Farbe aus, die beim Abkühlen zu smaragdgrün wechselt auch hier wird im RF keine typische Veränderung erzielt – ich habe eine gräulichgrüne, etwas trübe Perle erhalten.
Mangan:
Braunstein (MnO2) gibt mit Borax im OF eine dunkel-violettbraune Perle, die im RF fast völlig entfärbt wird. Mit Phosphorsalz erhält man im OF eine volette, im RF eine blassrosa gefärbte Perle.
Molybdän:
Beim Schmelzen im OF bildet Molybdänsäureanhydrid (MoO3) im RF sowohl mit Borax, als auch mit Phosphorsalz eine klare, farblose Perle in der leicht schwarze Flecke entstehen, die beim längeren oxidierenden Schmelzen verschwinden. Im RF färben sich die Perlen undurchsichtig schwarz
Vanadium:
Mit Borax gibt Vanadinsäureanhydrid (V2O5) im OF eine blass-blaugrüne Perle die im RF klar grün wird. Doe Phosphorsalzperle ist gelb und wird im RF grün.
Wolfram:
Natriumwolframat gibt mit Borax und Phosphorsalz im OF eine farblose, klare Perle. Im RF ohne Zusätze wird die Boraxperle blass graublau, die Phosphorsalzperle blaß blaugrün und nach Reaktion mit Kaliumcyanid undurchsichtig schwarz.
Uran:
Als Uranmineral wurde etwas fein gepulverter Heinrichit (ein Barium-Uranyl-Arsenat) eingesetzt. Im OF gibt Borax eine gelbe, Phosphorsalz dagegen eine grüne Perle. Das charakteristische Unterscheidungsmerkmal ist die kräftige gelbgrüne bzw. blaugrüne Fluoreszenz der Perlen unter langwelligem UV (365 nm). Im RF behandelt, werden die Perlen undurchsichtig schwarz.
Speziell zur Identifikation von Uran(mineralien) gibt es noch eine andere Perlenreaktion: An einem Magnesiastäbchen wird etwas Natriumfluorid angeschmolzen (was sehr mühsam ist, weil jedes Mal nur wenig Substanz am Stäbchen hängen bleibt und das Salz nicht leicht schmilzt) und nach Aufnahme einer kleinen Menge Mineralpulver nochmals in der OF gut durchgeschmolzen. Man erhält eine völlig weiße Perle, die - selbst wenn sich die Analysensubstanz augenscheinlich gar nicht gelöst hat - unter der UV-Lampe intensiv hellgelb fluoresziert.
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Blei:
Blei(II)-oxid ergibt sowohl mit Borax als auch mit Phosphorsalz in der OF eine klare, farblose Perle, die sich im RF nicht verändert
Edelmetalle:
Aus Interesse habe ich noch Edelmetallverbindungen in der Phosphorsalzperle im OF untersucht. Die Ergebnisse waren wenig charakteristisch: Silber (als AgNO3) gab eine trübe, bräunlichgraue Perle. Tetrachlorogoldsäure (H[AuCl4 + 4 H2O) zersetze sich an der Auftragsstelle und ließ ein winziges Goldkörnchen zurück und Ammoniumhexachloroplatinat ((NH4)2[PtCl6]) gab eine relativ klare, schwarz gefärbte Perle. Mit Diammindichlorpalladium(II) ([Pd(NH3)2Cl2]) habe ich eine trüb-graue Perle erhalten (kein Bild)
2. Oxidierende Schmelze:
Für die Oxidationsschmelze stellt man eine Mischung aus grob (Augenmaß) gleichen Teilen Natriumcarbonat und Kaliumnitrat her, die in der Reibschale gut zusammengerieben werden. Die Mischung wird am Magnesiastäbchen angeschmolzen, wobei nicht zu lange durchgeschmolzen werden darf, damit sich das Kaliumnitrat nicht vorzeitig versetzt. Dann wird ein wenig der gepulverten Substanz aufgenommen und vor der Oxidationsflamme gut durchgeschmolzen. Auch hier kommt es zu einem Schäumen und Aufblähen der Reaktionsmischung.
Wenn die Reaktion abgeklungen ist, wird die Perle erkalten gelassen und die Farbe beurteilt. Anschließend wird sie in einem Porzellanschälchen in einem Milliliter Wasser gelöst (evtl. mit dem Pistill zerdrücken) und die Lösung mit etwas Kaliumhydogensulfat oder Schwefelsäure angesäuert Dann werden ein bis zwei Tropfen Wasserstoffperoxidlösung zugegeben. Die auftretenden Farbänderungen werden beobachtet.
Mangan:
Wird die Reaktionsmischung mit etwas Braunstein durchgeschmolzen, so ist die erhaltene Perle - je nach Sättigung – in der Hitze fast schwarz und wird beim Abkühlen mehr oder weniger dunkel grün. Löst man sie in Wasser, so erhält man eine blassgrüne Lösung, die nach kurzem Warten - nach Säurezusatz sofort - in Hellviolett umschlägt. Durch Wasserstoffperoxid entfärbt sich die Flüssigkeit vollständig.
Chrom:
Beim oxidierenden Schmelzen von Chrom(III)-oxid erält man eine kräftig gelb gefärbte Perle, die eine hellgelbe Lösung gibt. Beim Ansäuern vertieft sich die gelbe Farbe, durch Wasserstoffperoxid schlägt sie nach Dunkelblau um und verblasst nach kurzen Zeit zu einen schwachen Grün.
3. Analyse von Mineralien und Substanzproben:
Malachit:
Ein wenig gepulverter Malachit gab mit Phosphorsalz die typische Kupferreaktion: im OF eine heiß grüne, erkaltet blaue Perle und im RF eine trüb-braunrote Perle
Limonit:
Limonit (Brauneisenstein), in der Boraxperle im OF geschmolzen gab eine in heißem Zustand gelbbraune, abgekühlt blassgelbe Perle, die im RF grünbraun und trübe wurde = Eisennnachweis
Buntkupferkies:
Mit Buntkupferkies (Cu5FeS4) wurde beim Schmelzen im OF eine undurchsichtige, schwarze Phosphorsalzperle erhalten, die nach erneuten Durchschmelzen mit Kaliumnitrat heiß braungrün (Überlagerung der Farben von Eisen und Kupfer) und kalt hellblau (Kupfer) wurde.
Vanadinit:
Vanadinit ist ein chloridhaltiges Bleivanadat. Mit Phosphorsalz erhielt ich eine reine Vanadium-Reaktion, nämlich im OF eine goldgelbe Perle, die im RF grasgrün wurde.
“Rhodochrosit“:
Eine Probe eines Minerals, das ich als Rhodochrosit (Mangancarbonat) erworben hatte, gab in der Oxidationsschmelze nur eine trüb-gräuliche Färbung, jedoch keinerlei Grün, auch nicht nach Lösen in Wasser. Die daraufhin angefertigte Phosphorsalzperle war tiefblau gefärbt, so dass das Vorhandensein von Kobalt beweisen war. Es könnte sich um Kobaltblüte (Kobaltarsenat) handeln. Die Analyse ist noch nicht abgeschlossen.
metallisches Mangan:
Aus einem historischen Präparat ]“Manganum metallicum“ Hobein - Zürich wurde eine fein gepulverte Probe der Oxidationsschmelze unterworfen und gab die charakteristische, dunkelgrüne Manganreaktion, die in Wasser eine blassgrüne Lösung ergab, deren Farbe nach dem Ansäuern nach rötlich wechselte.
metallisches Chrom:
Aus einem historischen Gefäß mit der Aufschrift “Chrom(ium). pulv(erisatum).“ wurde eine Probe mit Soda und Salpeter oxidierend geschmolzen. Die gebildete gelbe Schmelze wurde in Wasser gelöst, angesäuert und ein tropfen Wasserstoffperoxid zugefügt. Der Farbwchsel gelb - orangegelb – blau - grün bewies das Vorliegen von Chrom.
Entsorgung:
Die Perlen werden zum Schwermetallabfall gegeben(unbedenklichen Stoffe wie Eisen und Mangan können mit dem Hausmüll entsorgt werden). Die Chrom- und manganhaltigen Oxidationsschmelzen bzw. ihre Lösungen werden zum Schwermetallabfall gegeben.
Erklärungen:
Die Chemie der Phosphorsalz- und Boraxperlen ist - soweit mir bekannt - nicht im Detail aufgeklärt. Beide Stoffe zersetzen sich beim stärkeren Erhitzen. Das Phosphorsalz spaltet Wasser und Ammoniak ab und geht in Natriummetaphosphat über:
NH4NaHPO4 ---> NaPO3 + H2O + NH3
Das Metaphosphat bildet eine glasartige Schmelze und ist in der Lage, Schwermetalloxide aufzulösen, wobei angeblich Orthophosphate gebildet werden sollen, z.B. für Kupfer:
CuO + NaPO3 ---> NaCuPO4
Schwermetallphosphate sind jedoch unlösliche besonders in feiner Verteilung undurchsichtige Substanzen. Es muss daher angenommen werden, dass sich in der Schmelze komplexe Polyphosphate bilden, die in der Lage sind, mit Schwermetallen gefärbte Verbindungen zu geben.
Änliche Überlegungen treffen auf das Natriumtetraborat zu. Traditionell wurde ihm die Formel Na2B4O7 + 10 H2O zugewiesen. Erhitzt man die Substanz auf 200 °C so wird jedoch nur die Hälfte des angeblichen Kristallwassers abgespalten, und erst bei höheren Temperaturen erhält man ein wasserfreies Produkt. Der Borax wird nach kristallographischen Analysen heute als Na2[B4O5(OH)4] + 8 H2O formuliert. Das komplexe Tetrahydroxo-pentaoxo-tetraborat-Anion spaltet dabei 2 mol Wasser ab und geht in das “klassische“ Tetraborat über
Na2[B4O5(OH)4] ---> Na2B4O7 + 2 H2O
Auch das Borat ist zur Ausbildung komplexer Anionen fähig, die Metalloxide zu farbigen Verbindungen lösen können. Die Produkte werden wegen ihrer glasartigen Aussehens in der älteren Literatur häufig als “Glasflüsse“ bezeichnet.
Durch Reagenzien und Reaktionsbedingungen kann die Oxidationsstufe der gelösten Schwermetallionen, und dadurch auch die Farbe, verändert werden. Die Verbindungen der Edelmetalle Silber, Platin und Gold zersetzen sich schon in der Oxidationsflamme unter Bildung der freien Metalle (Silber und Platin traten bei meinen Versuchen in kolloidaler Form auf), daher sind die Perlenreaktionen zu ihrer Identifizierung nicht geeignet. Bei vielen der Farbreaktionen ist der genaue chemische Prozess unklar. Zum Beispiel wird die rotbraune Färbung der Kupferperle bei Reduktion sowohl durch kolloidales Kupfer(I)-oxid als auch durch fein verteiltes metallisches Kupfer hervorgerufen, wobei ersteres wohl deutlich überwiegt.
Dagegen sind die in der Oxidationsschmelze ablaufenden Reaktionen genau bekannt. Mangan und Chrom werden in höhere Oxidationsstufen überführt, beim Mangan in Manganat:
MnO2 + Na2CO3 + KNO3 ---> Na2MnO4 + KNO2 + CO2
Das entstandene tiefgrün gefärbte Manganat (Mn[+VI]) disproportioniert in wässriger Lösung in Mangan(IV)-oxid und violettrotes Permanganat (Mn[+VII]):
3 MnO42- + 4 H+ ---> 2 MnO4- + MnO2 + 2 H2O
Die die Reaktion H+-Ionen benötigt, verläuft sie im basischen Milieu langsamer und beim ansäuern der Lösung augenblicklich. Das Permanganat wird durch Wasserstoffperoxid zu farblosem (bzw. blassrosa gefärbtem) Mn2+ reduziert:
2 MnO4- + 6 H++ 5 H2O2 ---> 2 Mn2+ + 8 H2O + 5 O2
Im Falle des Chroms entsteht zunächst gelbes Chromat (Chrom[+VI]), das beim Ansäuern in Dichromat übergeht:
Cr2O3 + 2 Na2CO3 + 3 KNO3 ---> 2 Na2CrO4 + 3 KNO2 + 2 CO2
CrO42- + 2 H+ ---> Cr2O72- + H2O
Auch Dichromat wird durch Wasserstoffperoxid zu grünem Cr3+ reduziert. Dabei bildet sich intermediär das tiefblaue Chrom(VI)-peroxid (CrO5).
Cr2O72- + 8 H++ 3 H2O2 ---> 2 Cr3+ + 7 H2O + 3 O2
Literatur:
1. Kolbeck F: Carl Friedrich Plattners Probierkunst mit dem Lötrohre; 8. Umgearbeitete Auflag 1927, Leipzig, Verlag von Johann Ambrosius Barth
2. Bunsen R., Flammenreactionen - Annalen der Chemie und Pharmazie 138 (1866): 257 – 296
3. Anleitungsbuch Kosmos Mineralogie-Praktikum; Franckh’sche Verlagshandlung Stuttgart 1976
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Diese ‚bunte Chemie‘ der Borax- und Phosphorsalzperlen fand ich schon beim ‚KOSMOS Mineralien-Praktikum‘ anno dazumal sehr faszinierend …
Oder sollte das Absicht sein, da in Anbetracht der vorliegenden Temperaturen sich Nitrat zu Nitrit zersetzt haben könnte? Wäre aber in Anbetracht der Nennung des Nitrits bei den Produkten eher Unsinn, wahrscheinlich einfach ein Tippfehler.