Lehrbuch der quantitativen Analyse

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1 Daniel C. Harris Lehrbuch der quantitativen Analyse Aus dem Englischen übersetzt und herausgegeben von Gerhard Werner undtobias Werner 8. Auflage ~ Springer Spektrum

2 Kurzübersicht o Der analytische Prozess 1 Chemische Messungen 17 2 Handwerkszeug des Analytikers 35 3 Experimenteller Fehler 63 4 Statistik 81 5 Qualitätssicherung und Kalibrationsmethoden Das chemische Gleichgewicht Aktivität und systematische Behandlung von Gleichgewichten Einprotonige Säure-Base-Gleichgewichte Mehrprotonige Säure-Base-Gleichgewichte Säure-Base-Titrationen Komplexometrische Titrationen Gleichgewichtsprobleme für Fortgeschrittene Grundlagen der Elektrochemie Elektroden und Potentiometrie Redoxtitrationen Elektroanalytische Methoden Grundlagen der Spektralphotometrie Anwendungen der Spektralphotometrie Spektralphotometer Atomspektroskopie Massenspektrometrie Einführung in Analytische Trennverfahren Gaschromatographie Hochleistungsflüssigkeitschromatographie Chromatographische Methoden und Kapillarelektrophorese Gravimetrische Analyse, Fällungstitrationen und Verbrennungsanalyse Probenvorbereitung 787 Farbtafeln Anmerkungen und Literaturangaben 809 Glossar 843 Anhang A 881 Anhang B 883 Anhang C 885 Anhang D 887 Anhang E 891 Anhang F 893 Anhang G 897 Anhang H 907 Anhang I 919 Anhang J 923 Anhang K 925 Lösungen der Übungen 929 Sachverzeichnis 933

3 Inhaltsverzeichnis o Der analytische Prozess 1 CharIes David Keeling und die Messung des atmosphärischen CO 2 2 Was der analytische Chemiker macht 7 Allgemeine Schritte in einer chemischen Analyse 13 1 Chemische Messungen SI-Einheiten Chemische Konzentrationen Herstellung von Lösungen Stöchiometrische Berechnungen für die gravimetrische Analyse Einführung in die Titration Berechnungen zu Titrationen 30 2 Handwerkszeug des Analytikers Sicherer und verantwortungsbewusster Umgang mit Chemikalien und Rückständen Das Laborbuch Die analytische Waage Büretten Messkolben Pipetten und Dosierspritzen Filtration Trocknung Kalibrierung volumetrischer Glasgeräte Einführung in Microsoft Excel Die Verwendung von Diagrammen mit Microsoft Excel 58 3 Experimenteller Fehler Signifikante Ziffern Signifikante Ziffern in der Arithmetik Fehlerarten Fortpflanzung der Messunsicherheit des Zufallsfehlers Fortpflanzung der Unsicherheit durch systematische Fehler 77 4 Statistik Gauß-Verteilung Vertrauensintervalle Vergleich von Mittelwerten mit Students t-test Vergleich von Standardabweichungen mit dem F-Test t-tests mittabelienkalkulation 98 Grubbs-Test auf einen Ausreißer 99 Die Methode der kleinsten Quadrate 100 Kalibrationskurven 105 Arbeitsblatt für kleinste Quadrate 108 Qualitätssicherung und Kalibrationsmethoden 115 Grundlagen der Qualitätssicherung 116 Methodenvalidierung 121 Standardzusatz 127 Innere Standards 131 Effektivität der Versuchsplanung 133 Das chemische Gleichgewicht 137 Die Gleichgewichtskonstante 138 Gleichgewicht und Thermodynamik 139 Löslichkeitsprodukt 142 Komplexbildung 145 Protonensäuren und Basen 148 ph-wert 151 Die Stärke von Säuren und Basen 153 Aktivität und systematische Behandlung von Gleichgewichten 165 Der Einfluss der Ionenstärke auf die Löslichkeit von Salzen 166 Aktivitätskoeffizienten 168 ph, noch einmal 173 Die systematische Behandlung des Gleichgewichts 174 Anwendungen der systematischen Gleichgewichtsbehandlung 178 Einprotonige Säure-Base-Gleichgewichte 187 Starke Säuren und Basen 188 Schwache Säuren und Basen 191 Die Gleichgewichte schwacher Säuren 193 Die Gleichgewichte schwacher Basen 197 Puffer 199 Mehrprotonige Säure-Base Gleichgewichte 215 Zweiprotonige Säuren und Basen 216 Zweiprotonige Puffer 225 Mehrprotonige Säuren und Basen 227 Welche ist die hauptsächliche Spezies? 228

4 XIV Inhaltsverzeichnis Gleichungen für die Berechnung der Anteile einzelner Formen 230 Isoelektrischer und isoionischer ph Die Anwendung ionenselektiver Elektroden Chemische Festkörpersensoren Säure-Base-Titrationen 237 Titration einer starken Säure mit einer starken Base 238 Titration einer schwachen Säure mit einer starken Base 241 Die Titration einer schwachen Base mit einer starken Säure 245 Titrationen in zweiprotonigen Systemen 246 Ermittlung des Endpunkts mit einer ph Elektrode 249 Endpunktsbestimmung mit Indikatoren 254 Praktische Hinweise 259 Stickstoffbestimmung nach Kjeldahl 259 Der Nivellierungseffekt 262 Berechnung von Titrationskurven mit Hilfe der Tabellenkalkulation Komplexometrische Titrationen Metall-Chelatkomplexe Ethylendiamintetraessigsäure (EDTA) Titrationskurven mit EDTA Versuchen Sie es mit einer Tabellenkalkulation Hilfskomplexbildner Metallindikatoren Titrationsmethoden mit EDTA Gleichgewichtsprobleme für Fortgeschrittene Allgemeiner Umgang mit Säure-Base- Systemen Aktivitätskoeffizienten Abhängigkeit der Löslichkeit vom ph Analyse von Säure-Base-Titrationen mit Differenz-Plots Grundlagen der Elektrochemie Grundkonzepte Galvanische Zellen Standardpotentiale Die Nernstsche Gleichung Eü und die Gleichgewichtskonstante Galvanische Zellen als chemische Sonden Biochemiker verwenden Eü' Elektroden und Potentiometrie Bezugselektroden Indikatorelektroden Was ist ein Diffusionspotential? Wie arbeiten ionenselektive Elektroden? ph-messung mit einer Glaselektrode Ionenselektive Elektroden (ISE) Redoxtitrationen 385 Die Form der Redoxtitrationskurve 386 Bestimmung des Endpunkts 392 Einstellung des Oxidationszustands des Analyten 395 Oxidation mit Kaliumpermanganat 396 Oxidation mit Ce Oxidation mit Kaliumdichromat 399 Methoden unter Verwendung von Iod 401 Elektroanalytische Methoden 407 Grundlagen der Elektrolyse 408 Elektrogravimetrische Analyse 414 Coulometrie 416 Amperometrie 419 Voltammetrie 425 Karl-Fischer-Titration von Wasser Grundlagen der Spektralphotometrie Eigenschaften des Lichts Lichtabsorption Messung der Absorption Das Lambert-Beersche Gesetz in der Chemischen Analyse Spektralphotometrische Titrationen Vorgänge bei der Lichtabsorption Lumineszenz Anwendungen der Spektralphotometrie Analyse einer Mischung Bestimmung von Gleichgewichtskonstanten: Der Scatchard-Plot Methode der kontinuierlichen Variation Fließinjektionsanalyse und Sequenzielle Injektionsanalyse Immunoassays und Aptamere Sensoren aufder Basis von Fluoreszenzlöschung Spektralphotometer Lichtquellen: Lampen und Laser Monochromatoren Detektoren Optische Sensoren Fourier-Transformations-Infrarotspektroskopie (FT-IR Spektroskopie) Rauschen Atomspektroskopie Überblick Atomisierung: Flammen, Öfen und Plasmen Der Einfluss der Temperatur in der Atomspektroskopie 551

5 Inhaltsverzeichnis XV 20.4 Apparatur Interferenz Induktiv gekoppeltes Plasma - Massenspektrometrie (ICP-MS) Massenspektrometrie Was ist Massenspektrometrie? Oh, Massenspektrum, sprich zu mir! Arten der Massenspektrometer Chromatographie - Massenspektrometrie Open-Air-Probenahme für die Massenspektrometrie Einführung in Analytische Trennverfahren Lösungsmittelextraktion Was ist Chromatographie? Chromatographie aus der Sicht eines Rohrlegers Effizienz einer Trennung Warum Banden breiter werden Gaschromatographie Der Trennprozess in der Gaschromatographie Probeninjektion Detektoren Probenvorbereitung Methodenentwicklungen in der Gaschromatographie Hochleistungsflüssjgkeitschromatographie Der chromatographische Prozess Injektion und Detektion in der HPLC Methodenentwicklung für Trennungen an Umkehrphasen Trennungen mit Gradienten Hier hilft uns der Computer Chromatographische Methoden und Kapillarelektrophorese lonenaustausch-chromatographie Ionenchromatographie Molekülausschluss-Chromatographie Affinitätschromatographie Hydrophobe Wechselwirkungschromatographie Grundlagen der Kapillarelektrophorese Durchführung der Kapillarelektrophorese Lab on a chip: Erforschung der Chemie des Gehirns Gravimetrische Analyse, Fällungstitrationen und Verbrennungsanalyse Beispiele für gravimetrische Analysen Fällung Beispiele für gravimetrische Berechnungen Verbrennungsanalyse Fällungstitrationskurven Titration eines Gemischs Berechnung von Titrationskurven mit einem Tabellenkalkulationsprogramm Endpunktbestimmung Probenvorbereitung Statistik der Probenahme Auflösung der Proben für die Analyse Techniken zur Probenvorbereitung 801 Farbtafeln Anmerkungen und Literaturangaben 809 Glossar 843 Anhang A 881 Logarithmen und Exponenten 881 Anhang B 883 Graphische Darstellung von Geraden 883 Anhang C 885 Fortpflanzung der Messunsicherheit 885 Anhang D 887 Oxidationszahlen und Ausgleich von Redoxreaktionen 887 Anhang E 891 Äquivalentkonzentration 891 Anhang F 893 Löslichkeitsprodukte* 893 Anhang G 897 Säure(dissoziations)konstanten 897 Anhang H 907 Standardreduktionspotentiale 907 Anhang I 919 Komplexstabilitätkonstanten 919 Anhang J 923 Logarithmen der Komplexbildungskonstanten für die Reaktion M(aq) + L(aq) ~ ML(aq) 923 Anhang K 925 Analytische Standards 925 Lösungen der Übungen 929 Sachverzeichnis 933