Instrumentelle Analytik

Perbromate

Eine neue Synthese- und Nachweismöglichkeit

Prof. Dr.-Ing. Henry Bergmann, Dr. rer. nat. Tatiana Iourtchouk, Prof. Dr.-Ing. Johanna Rollin*)

  1. Hochschule Anhalt (FH), Fachbereiche 6 und 7, Bernburger Straße 55, 06366 Köthen/Anh., Tel. 03496/672313, E-Mail: h.bergmann@emw.hs-anhalt.de.


In neueren Untersuchungen wurde gefunden, dass neben der Herstellung von Perchlorat und Periodat auch die elektrochemische Synthese von Perbromat möglich ist, das vor allem in Laborarbeiten Anwendung findet. Durch Referenzmessungen wurde ein eindeutiger Nachweis erbracht. Die Analyse ist relativ leicht durch Ionenchromatographie möglich.

Seit circa zehn Jahren bereichern Beiträge zur Anwendung von dotierten Diamantelektroden die wissenschaftliche Literatur. Inzwischen gibt es weltweit mehrere Fertigungsbetriebe, die interessierten Kunden Diamantelektroden zur Verfügung stellen können. Die Besonderheit dieser Elektroden besteht in ihrem hohen Oxidationspotential, das es ermöglicht, Schadstoffe in Lösungen zu mineralisieren oder Oxidantien zu synthetisieren.

Anzeige

Perhalogenate

Perhalogenate mit der allgemeinen Formel XO4- sind Verbindungen mit relativ hohem Oxidationspotential. Dies bedeutet, dass für ihre Herstellung stark oxidativ wirkende Agenzien benötigt werden. Die bekanntesten Perhalogenate sind das Perchlorat, Perbromat und Periodat.

Perchlorat dient u.a. als Oxidationsmittel in Raketen und Feuerwerkskörpern. Perbromate dienen vor allem in der Laborsynthese als oxidierender Reaktionspartner. Periodate werden ebenfalls im chemischen Labor eingesetzt. In unseren Arbeiten konnten wir nachweisen [1], dass mittels Elektrolyse von synthetischen und realen Trinkwässern an bordotierten Diamantananoden (BDD) auch im Bereich relativ geringer Chloridkonzentrationen Perchlorat als Nebenprodukt auftritt. Zum Nachweis wurde erfolgreich die Ionenchromatographie eingesetzt [2]. Die elektrochemische Synthese von Periodat ist aus der Patentliteratur bekannt geworden [3]. Die theoretische Synthetisierbarkeit von Perbromat war ebenfalls in der Patentliteratur angedeutet worden, ohne allerdings einen Nachweis zu erbringen [4]. Aus diesen Gründen wurden im Rahmen eines Forschungsprojektes zur Trinkwasserhygiene zwischen 2004 und 2007 auch spezielle Untersuchungen zur Perbromatherstellung durchgeführt. Die Versuche konnten erfolgreich abgeschlossen werden [5] und wurden mehrfach auf Fachtagungen präsentiert.

Perbromat: Herstellung und Nachweis

Perbromat wurde vergleichend in einer Elektrolysezelle mit rotierender Diamantanode (10 cm2) und Streckmetall-Mischoxidkathode sowie mit einem Verfahren nach Appelman unter Verwendung von Xenondifluorid hergestellt, wobei der entstehende Fluorwasserstoff mit 1M KOH neutralisiert wird.


BrO3- + XeF2 + H2O --> BrO4- + Xe + 2HF (1)


Zur Herstellung von Perbromat für die beabsichtigte quantitative Analyse wurden jeweils KBrO3 und XeF2 in einen 25-ml-Maßkolben eingewogen, in Reinstwasser gelöst und mit der äquivalenten Menge 1M KOH versetzt, um HF zu neutralisieren. Zur Perbromatsynthese wurde Xenondifluorid (Reinheit >99 % von VWR) verwendet. Die Reaktion verläuft unter deutlicher Gas- und Wärmeentwicklung. Der pH-Wert kann kontrolliert werden.

Das Perbromat wurde analog zu Arbeiten von Keil mit Iodid bei Siedetemperatur in hydrogencarbonathaltiger Lösung zu Bromat reduziert und das gebildete Iod unter Verwendung einer 0,02669 N As2O3-Lösung (Fixanal Riedel de Haen, 0,1g [As] l-1) amperometrisch (0...50 µA, Dead-Stop-Titrator TR 151 von Schott) titriert. Die Methode besitzt nach Keil eine Standardabweichung von 0,07 %.

BrO4- + 2I- + H2O --> BrO3- + I2 + 2OH- (2)

As2O3 + 2I2 + 2H2O --> As2O5 + 4HI (3)

Aus dem Verbrauch und der Konzentration des Titriermittels berechnet sich die Perbromatkonzentration in mg/l. Die erhaltenen Messwerte einer Stammlösung wurden für die HPLC-Kalibrierung in einem Bereich zwischen 0,012 und 12,3 mg/l verwendet.

Zur Analyse konnte eine HPLC-Anlage des Typs Metrohm 761 Compact IC einschließlich Leitfähigkeitsdetektor mit chemischer Suppression und 831 Autosampler eingesetzt werden.

Die chromatographische Trennung erfolgte mittels einer monolithischen Dual 4-50/4,6-Trennsäule (Metrohm) mit angepasster Vorsäule. Die Flussrate des Eluenten betrug 1,75 ml pro Minute, eingestellt über ein isokratisches Eluentenprogramm. Das Injektionsvolumen betrug 1000 µl.

Bild 1 zeigt ein erhaltenes Chromatogramm für Perbromat im Beisein von zudosiertem Perchlorat, um die deutliche Unterscheidbarkeit beider Spezies darzustellen. Bild 2 zeigt die aus den Peakflächen erstellte Kalibrierkurve. Bild 3 enthält zwei Kurven der Bromat- und Perbromatanreicherung während der Elektrolyse in der erwähnten Zelle mit rotierender Diamantanode. Die Perbromatstromausbeute in diesem Versuch lag bei 0,2 %, da zunächst vorzugsweise Bromat gebildet wurde. In einer Vielzahl weiterer Versuche wurde die Bromat- und Perbromatbildung bei Variation von Drehzahl, Temperatur und Bromidkonzentration (1...1000 mg/l) sowie im Beisein von Chlorid untersucht. Zur Optimierung von Ausbeuten erfolgte eine Patentanmeldung.

Unter vergleichbaren Bedingungen zeigte sich, dass die Perbromatbildung langsamer als eine Perchloratbildung verläuft. Die Synthese aus Bromat verlief langsamer als die aus Bromid in der verwendeten Elektrolysezelle bei 200 A m-2.

Fazit

  • Erstmals konnte Perbromat neben Bromat als Produkt einer Wasserelektrolyse an BDD-Anoden zweifelsfrei hergestellt bzw. analysiert werden. Dies eröffnet neue Möglichkeiten der Synthese im Vergleich mit der konventionellen Herstellung unter Verwendung von Fluor oder Xenondifluorid.
  • Die Analyse mittels Ionenchromatographie ist relativ einfach zu realisieren. Die Kalibrierung unter Verwendung elektrolytisch hergestellter Stammlösungen ist mittels klassischer Titrationsmethoden möglich.
  • Die verlangsamte Herstellung aus Bromat deutet auf kinetische Hemmungen oder den Einfluss von Reaktionen an der Gegenelektrode hin. Vertiefende Untersuchungen sind notwendig.
  • Perbromat als Nebenprodukt scheint bei der Desinfektionselektrolyse keine Bedeutung zu haben. Dennoch wurde mit Wasserverantwortlichen eine Strategie der Bewertung angeregt, da auch Bromat gebildet werden kann.

Danksagung: Die Autoren danken Frau Hummel und Herrn Kresse von der Hochschule Anhalt für die praktische Unterstützung der Arbeiten. (Partiell gefördert durch BMBF/AIF Köln FKZ1721X04).

Literatur

  1. Bergmann, M.E.H., Rollin, J., Catalysis Today 124 (2007) 198-203.
  2. Bergmann, H., Rollin, J., Czichos, C., Römer, D., Labo (2007) Nr. 10, 26-28.
  3. Janssen, L.J.J., Niederländische Patentanmeldung 1013348, 1999.
  4. Lehmann, T., Deutsche Patenanmeldung, 102 58 652 A1, 2002.
  5. Kresse, K., Rollin, J., Bergmann, H., Anhalt Conference of Young Scientists,

Koethen, April 2008, Tagungsband (ISBN 978-3-86011-022-5), 27-31.

Anzeige

Das könnte Sie auch interessieren

Anzeige
Anzeige

Effizienz und Leistung

Die neue Pioneer mit vielen Funktionen zum intelligenten Betrieb in Ihrem Labor. Mit antistatischem Stab zur Erdung. Weitere Informationen über die Waagen Pioneer PX

 

mehr...
Anzeige
Anzeige

Highlight der Woche

Quadrupol-Massenspektrometer PrismaPro®
Mit dem PrismaPro bietet Pfeiffer Vacuum ein Quadrupol-Massenspektrometer für die qualitative und quantitative Gasanalyse sowie zur Lecksuche an.

Zum Highlight der Woche...

Newsletter bestellen

Immer auf dem Laufenden mit dem LABO Newsletter

Aktuelle Unternehmensnachrichten, Produktnews und Innovationen kostenfrei in Ihrer Mailbox.

AGB und Datenschutz gelesen und bestätigt.
Zur Startseite