Chemische Analyse

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Qualitative organische Analyse

Die qualitative organische Analyse beruht auf bestimmten chemischen Reaktionen. Damit versucht man funktionelle Gruppen, z. B. von Alkoholen, Aminen, Aldehyden, Alkenen, Estern, Carbonsäuren und Ethern, nachzuweisen. Die entsprechende Testreaktion wird meist ohne vorangegangene Trennung ausgeführt. Olefine (Verbindungen mit Kohlenstoff-Kohlenstoff-Doppelbindungen) beispielsweise entfärben Bromlösung. Auch bei der organischen qualitativen Analyse haben instrumentelle Methoden Vorrang, weil sie empfindlicher und spezifisch sind.

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Quantitative nasschemische Methoden

Quantitative nasschemische Methoden sind im Wesentlichen die gravimetrische und die Maßanalyse. Ein Beispiel für eine gravimetrische Analyse ist die Bestimmung der Chloridionenkonzentration einer wässrigen Lösung, die als unlösliches Silberchlorid (AgCl) ausgefällt werden können. Der Niederschlag wird filtriert, getrocknet und gewogen. Damit lassen sich sehr genaue Ergebnisse erzielen.

Bei Titrationen nutzt man in der Regel Säure-Base-Reaktionen zur Indikation. So tropft man z. B. zu einer wässrigen Essigsäurelösung (Säure) eine Lösung von Natriumhydroxid (Base) (siehe Säuren und Basen). Man weiß, dass ein Teil Essigsäure ein Teil Hydroxid zu neutralisieren vermag. Der Neutralisationspunkt lässt sich mit Hilfe von Indikatoren erkennen. Je nachdem, was untersucht wird, kennt man damit den Verbrauch an Säure oder Base und kann so auf das gesuchte Ergebnis Rückschlüsse ziehen. Eine weitere übliche Methode besteht darin, dass man mit einem Komplexierungsmittel wie Ethylendiamintetraessigsäure (EDTA) Lösungen von Metallionen (z. B. Blei oder Quecksilber) versetzt. Reaktionen, die für Titrationen in Frage kommen, müssen schnell und vollständig ablaufen. Es dürfen keine Nebenreaktionen stattfinden, denn diese würden die Ergebnisse erheblich verfälschen.

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Spektroskopische Techniken

Die Spektroskopie untersucht Wechselwirkungen von elektromagnetischer Strahlung mit Materie. Sie ist eine auf allen Gebieten der Chemie verbreitete instrumentelle Methode, die ziemlich genaue Ergebnisse liefert. Das elektromagnetische Spektrum kann in folgende Wellenlängenbereiche unterteilt werden: Röntgen-, Ultraviolett-(UV), sichtbarer (vis; visible), Infrarotbereich (IR), Mikrowellen und Radiowellen. Elektromagnetische Wechselwirkungen mit Materie heißt, dass die betreffenden Teilchen elektromagnetische Energie absorbieren (aufnehmen) oder emittieren (aussenden). Die Folge sind Übergänge zwischen diskreten oder Quantenenergieniveaus für Elektronen, Bindungen werden zu Schwingungen angeregt. Es lassen sich aber auch Molekülrotationen sowie Elektronen- oder Kernspins von Atomen und Molekülen (siehe Atom; Quantentheorie) messen. Diese Wechselwirkung von Materie und elektromagnetischer Strahlung kann z. B. mit Spektrometern oder Photometern sichtbar gemacht werden. Mit den genannten Geräten werden so genannte Spektren aufgezeichnet. Sie erlauben eine Zuordnung der Wellenlängen und Intensitäten der elektromagnetischen Strahlung, die von der analysierten Probe absorbiert oder emittiert wurde.

Bei der Absorptiometrie misst man im sichtbaren und ultravioletten Bereich des elektromagnetischen Spektrums. Dabei wird die relative Durchlässigkeit einer Lösung gemessen. Man misst dabei vor und nach der Reaktion der Lösung mit einem beispielsweise farbbildenden Reagens. Die Abnahme der Durchlässigkeit in der Lösung ist dann der Konzentration des untersuchten Bestandteiles proportional. Diese Methode fasst man auch unter dem Begriff Kolorimetrie zusammen.

Infrarotspektroskopie wird besonders bei organischen Verbindungen angewandt. Die Bindungen in Olefinen, Estern, Alkoholen und anderen Stoffen sind unterschiedlich stark. Dadurch lässt sich Infrarotstrahlung verschiedener IR-Frequenzen (und somit verschiedener Energien) absorbieren. In den aufgezeichneten Spektren erscheinen so genannte Peaks.

Die kernmagnetische Resonanz-Spektroskopie (nuclear magnetic resonance: NMR-Spektroskopie) basiert auf Übergängen zwischen Kernspinenergieniveaus. Diese werden durch Absorption von Radiowellen induziert. Im aufgezeichneten NMR-Spektrum von beispielsweise wasserstoffhaltigen Verbindungen erscheinen so genannte Banden. Von ihrer Umgebung unterschiedlich abgeschirmte Wasserstoffatome absorbieren Energien verschiedener Wellenlänge, d. h. diese Atome erscheinen auch im aufgezeichneten Spektrum an unterschiedlichen Stellen. Diese Stellen sind für jede „Art” der Abschirmung charakteristisch. Bei den organischen Gruppen 8CH₃ und 8CH₂Cl erkennt man im Spektrum unterschiedliche, gut aufgelöste Banden. Die kernmagnetische Resonanz ist eine wirkungsvolle Methode, um Strukturen organischer Verbindungen aufzuklären.

Die Fluoreszenzspektroskopie ist im Prinzip die Umkehrung der Absorptiometrie. Moleküle werden dabei zur Emission (Aussendung) von Licht angeregt. Das passiert bei Energien, die Rückschlüsse auf ihre Struktur zulassen, und mit Intensitäten, die der Probenkonzentration proportional sind. Mit der Methode erreicht man für bestimmte Moleküle sehr empfindliche quantitative Ergebnisse. Ein mobiles Lasergerät kam beispielsweise 1999 auf dem Markt. Das so genannte Laserfluorimeter dient zur Analyse von Boden und Wasser auf Schadstoffe, wobei die Messung direkt vor Ort durchgeführt werden kann – was bis dahin nur im Labor möglich war. Ein UV-Laser regt die im Wasser bzw. im Boden befindlichen Substanzen zur Fluoreszenz an. Die auf diese Weise gewonnene Strahlung wird aufgezeichnet und anschließend spektroskopisch auf mögliche Schadstoffe untersucht.

Die Grundlage der Atomabsorptionsspektroskopie beruht auf dem Gesetz, dass ein durch ein angeregtes Atom emittiertes Lichtquant von einem nicht angeregten Atom absorbiert werden kann. Man verdampft die Analysenprobe und schickt durch diesen Dampf das Licht desjenigen Elements, welches man bestimmen möchte. Im Prinzip entspricht das emittierte Lichtquant dem Licht, das durch den Probendampf geschickt wird. Die Atome in der verdampften Probe absorbieren dieses Licht. Letztendlich vergleicht man dann das Licht vor dem Probendurchgang mit dem Licht nach dem Probendurchgang. Bei der Flammenspektrometrie untersucht man Metallsalzlösungen. Hält man beispielsweise Kochsalz in eine Flamme, so verfärbt sich diese gelb. Das Natrium im Kochsalz emittiert gelbes Licht aus dem sichtbaren Bereich des elektromagnetischen Spektrums. Beide Methoden lassen sich gut zur qualitativen und quantitativen Bestimmung geringer Konzentrationen metallischer Elemente einsetzen.

Die Massenspektrometrie wird häufig für organische Verbindungen verwendet. Zunächst wird die Probe im Vakuum verdampft und anschließend ionisiert. Man muss sich diesen Vorgang etwa so vorstellen: Die verdampfte Probe wird beispielsweise mit schnellen Argonatomen beschossen. Die einzelnen Moleküle der Probe werden dabei regelrecht in Bruchstücke (Fragmente) zerschossen, die dann im Analysator des Geräts durch elektrische und magnetische Felder nach ihrer Masse aufgetrennt werden. Sie ergeben ein Massenspektrogramm. Man sagt, dass es einem „Fingerabdruck” des betreffenden Moleküls entspricht, da sein Fragmentierungsmuster einzigartig ist. Neben schnellen Argonatomen gibt es auch andere Methoden zur Erzeugung von Ionen, beispielsweise Beschuss mit beschleunigten Elektronen.

Röntgenfluoreszenzspektroskopie eignet sich sowohl zur qualitativen als auch zur quantitativen Analyse metallischer Elemente, da sie Röntgenstrahlen mit charakteristischen Energien aussenden, sobald sie mit hochenergetischer Röntgenstrahlung bestrahlt werden.

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Radiochemische Verfahren

Radiochemische Verfahren beruhen auf dem Nachweis von Radioaktivität. Sie kann beispielsweise in einer Probe erzeugt werden, wenn man diese mit Neutronen bombardiert. Man nennt das Verfahren Neutronenaktivierungsanalyse. In der Industrie nutzt man dieses Verfahren zur Bestimmung von Metallgehalten in einer Probe. Die Methode kann schnell in einem hochautomatisierten Gerät durchgeführt werden. Entscheidender Vorteil: Die Probe bleibt unversehrt.

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Elektrochemische Verfahren

Taucht man eine positive und eine negative Elektrode in eine ionische Lösung und legt ein elektrisches Potential an, so bewegen sich die positiv geladenen Ionen (Kationen) zur negativen Elektrode oder Katode und die negativ geladenen Ionen (Anionen) zur positiven Elektrode oder Anode. Dadurch fließt zwischen den beiden Elektroden ein elektrischer Strom. Die Stromstärke hängt dabei vom elektrischen Potential zwischen den Elektroden und der Konzentration der Ionen in der Lösung ab. Die daraus resultierende instrumentelle Methode nennt man Konduktometrie. Sie wird zur quantitativen Bestimmung von Ionenkonzentrationen in Lösungen angewandt.

Bei einer ähnlichen Methode sprechen spezielle Elektroden nur auf ganz bestimmte Ionen an, so dass nach Wunsch die Natrium- oder Calciumionenkonzentration oder der ph-Wert der Lösung bestimmt werden können. Solche ionenselektiven Elektroden finden bei verschiedenen klinischen Analysen Anwendung.