Fällungsreaktion: Niederschlag und Ionengleichung

In einer homogenen Lösung sind gelöste Teilchen gleichmäßig verteilt; du siehst sie nicht einzeln. Ionen sind elektrisch geladene Teilchen. Treffen passende Ionen aufeinander, kann ein schwerlöslicher Feststoff entstehen. Feine Feststoffteilchen machen die Flüssigkeit trüb. Sie können später absinken und einen Bodenkörper bilden. Diese Mischung heißt Suspension.

Trübung allein beweist noch keine Reaktion: Ungelöster Ausgangsstoff ist kein neu gebildetes Produkt. In einer Gleichung bedeutet (s) fest und (aq) in Wasser gelöst. Auch ein Pfeil nach unten (↓) kann den gebildeten Feststoff kennzeichnen.

In Natriumchloridlösung sind \ce{Na+} und \ce{Cl-} gelöst; Silbernitratlösung enthält \ce{Ag+} und \ce{NO3-}. So liest du Ionenformeln: Bei \ce{SO4^2-} zählt die kleine 4 unten vier Sauerstoffatome im Sulfat-Ion. Die kleine 2− oben gibt die Ladung des ganzen Ions an. \ce{3 Ca^2+} meint drei Calcium-Ionen, jedes mit der Ladung 2+. Bei \ce{Ca(NO3)2} zählt die 2 hinter der Klammer zwei ganze Nitrat-Ionen. Sie ist keine Ladung. Genauso bedeutet \ce{Mg(OH)2}: ein Magnesium-Ion und zwei Hydroxid-Ionen.

Die vollständige Ionengleichung lautet:

\begin{aligned}\ce{Na+ + Cl- + Ag+ + NO3-}\\\to\ce{Na+ + NO3- + AgCl(s)}\end{aligned}

\ce{Na+} und \ce{NO3-} bleiben gelöst und unverändert. Nach ihrem Kürzen zeigt die gekürzte Ionengleichung die Fällung:

\ce{Ag+ + Cl- -> AgCl(s)}

Die Verhältnisformel muss elektrisch neutral sein. \ce{Ag+} und \ce{Cl-} bilden \ce{AgCl} im Verhältnis 1 : 1; \ce{Ba^2+} und \ce{SO4^2-} bilden \ce{BaSO4} ebenfalls 1 : 1. Ein \ce{Mg^2+} benötigt zwei \ce{OH-}; es entsteht \ce{Mg(OH)2}.

Ein Fällungsmittel liefert ein Ion für einen möglichen Nachweis. Weißes Silberchlorid kann auf Chlorid hinweisen, aber andere Ionen können mit Silber-Ionen ebenfalls Niederschläge bilden. Entscheidend sind Prüfstoff, erwartete Reaktion und andere Ionen, die das Ergebnis stören können. Auch \ce{Ba^2+} und \ce{SO4^2-} bilden \ce{BaSO4(s)}. Ein Niederschlag bekannter Zusammensetzung kann nach vollständiger Abtrennung, Trocknung und Wägung eine Mengenbestimmung ermöglichen. Technisch können Fällungen gelöste Stoffe aus Abwasser entfernen.

Auch ein schwerlösliches Salz löst sich ein wenig. In einer gesättigten Lösung mit Bodenkörper lösen sich in derselben Zeit genauso viele Teilchen, wie sich wieder anlagern. Bei gleichbleibenden Bedingungen bleiben die sichtbaren Mengen gleich. Das heißt dynamisches Gleichgewicht.

Für eine Vorhersage vergleichst du die Menge der gerade gelösten Ionen mit einem Wert für das Salz bei derselben Temperatur. Dieser Gleichgewichtswert heißt Löslichkeitsprodukt; der Rechenwert aus den gerade gelösten Ionen heißt Ionenprodukt. Die Konzentration sagt, wie viel eines Stoffes in einem bestimmten Volumen Lösung gelöst ist. Liegt das Ionenprodukt unter dem Löslichkeitsprodukt, entsteht kein neuer Niederschlag. Bei gleichen Werten ist die Lösung gesättigt; mit festem Salz besteht ein dynamisches Gleichgewicht. Darüber ist eine Fällung zu erwarten. Die Bildung erster stabiler Kristallkeime kann Zeit brauchen und die Fällung verzögern. Während der Fällung werden Ionen aus der Lösung entfernt.

Der Vergleichswert hängt von der Temperatur ab; Erwärmen fördert die Fällung nicht bei jedem Salz. Der pH-Wert beschreibt, wie sauer oder basisch die Lösung ist. Sind bei sonst gleichen Bedingungen weniger Hydroxid-Ionen gelöst, kann sich festes Magnesiumhydroxid lösen. Bei genügend vielen gelösten Hydroxid-Ionen kann es ausfallen. Andere Teilchen können Metall-Ionen binden. Diese Komplexbildung verringert die Menge freier Metall-Ionen; so löst sich Silberchlorid in verdünnter Ammoniaklösung. Die folgende Rechnung ist nur ein optionaler Ausblick für die Oberstufe. Mehr dazu steht beim Löslichkeitsprodukt.