Assistenten Wintersemester 2015/16

Transkript

1 Assistenten Wintersemester 2015/16 Nr. Versuch Assistent V2.1 Ionenchromatographie Marcel Weloe V2.2 HPLC Dominik Pitton V2.3 Coulometrie Christof Stoenner V2.4 Photometrie Shang Sun V2.5/6 AAS/AES Inken Hitzemann V2.7 Voltammetrie Julian Heidke V2.8 Gaschromatographie Christoph Zuth Folie Nr. 1

2 Ionenchromatographie Simultanbestimmung von Magnesium und Calcium in einer Wasserprobe mittels Ionenchromatographie Folie Nr. 2

3 Ionenchromatographie Trennung und Quantifizierung von anorganischen und organischen Ionen Säulenmaterial: Silicagele oder Polymerharze mit funktionellen Gruppen Anionenaustauscher: quartäre Ammonioumgruppen Kationenaustauscher: Carbonsäuregruppen oder Sulfonsäuregruppen Detektoren: Leitfähigkeitsdetektor, UV-Vis-Detektor, Fluoreszensdetektor Folie Nr. 3

4 Ionenchromatographie Folie Nr. 4

5 Ionenchromatographie Harz-COO - H + + A + Harz-COO - A + + H + Harz-COO - H + + B + Harz-COO - B + + H + H + < Li + < Na + < NH 4+ < K + < Mg 2+ < Ca 2+ Folie Nr. 5

6 Ionenchromatographie Chromatogramm Folie Nr. 6

7 Coulometrie Coulometrische Titration von Ascorbinsäure Folie Nr. 12

8 Coulometrie Einteilung Elektrochemische Methoden mit Stromfluss und 100 %igem Stoffumsatz Verfahren mit praktisch 100 %igem Stoffumsatz Coulometrie Elektrogravimetrie bei konstantem Strom (galvanostatisch) bei konstanter Spannung (potentiostatisch) Folie Nr. 13

9 Coulometrie Grundlagen Faraday sche Gesetz: n = Q z F Absolutmethode! n: Stoffumsatz [mol] Q: Ladungsmenge [A s = C] z: Zahl der elektrochemisch beteiligten Elektronen F: Faraday-Konstante [C mol -1 ]! Gleichung gilt nur bei 100%iger Stromausbeute, d.h. ohne parallel ablaufende elektrochemische Nebenreaktionen! Q = t t=0 I dt für I = konst. (galvanostatisch) Q = I t I: Elektrolysestrom [A] t: Elektrolysezeit [s] Folie Nr. 14

10 Coulometrische Titration von Ascorbinsäure Versuchsaufbau Galvanostat (I = konst) Zeitnehmer (Elektrolysezeit t) Arbeitselektrode (Pt) Gegenelektrode Elektrolyt/Salzbrücke (Na 2 SO 4 ) Messlösung (Ascorbinsäure, KI, Stärke, Acetatpuffer ph 4,6) Diaphragma Folie Nr. 15

11 Coulometrische Titration von Ascorbinsäure Redoxgleichungen HO HO HO O O + 2 H 2 O HO O O + 2 e H 3 O + HO OH Ascorbinsäure (Asc) Dehydro-Ascorbinsäure (Asc dehyd ) O O 2 I - I e - Asc + I H 2 O Asc dehyd + 2 Ī + 2 H 3 O + 1) Anodische Oxidation von Iodid zu Iod (blaue Farbe des Iod-Stärke-Komplex) Strom 2) Oxidation von Asc zu Asc dehyd durch Iod (farblos) kein Strom 3) Anodische Oxidation von Asc zu Asc dehyd (farblos) Strom 4) Anodische Oxidation von Iodid zu Iod (blau - Titrationsendpunkt) Strom Folie Nr. 16

12 Coulometrische Titration: Vor- und Nachteile Vorteile: 1) Vielseitig 2) Keine Standardlösungen / Kalibration notwendig (Absolutmethode) 3) Problematische Reagenzien titrierbar 4) Genauigkeit (Vergleiche z.b. Volummetrie: Bürettenfehler) Präzisionsanalysen 5) Nachweisgrenze 6) Keine Verdünnung der Lösung Nachteile: 1) Relativ geringe Selektivität Nebenreaktionen (Unterschied zu potentiostatischer C.) 2) Endpunkt der Titration ist nicht selbst indiziert (Unterschied zu potentiostatischer C.) Lösung: Endpunktsindizierung durch optische- oder elektrochemische (Potentiometrie, Konduktometrie, etc.) Methoden Folie Nr. 17

13 Coulometrische Titration von Ascorbinsäure Vorbereitung auf den Versuch Vergleich zwischen galvanostatischer- und potentiostatischer Coulometrie (Vor- und Nachteile). Warum verwenden wir die galvanostatische C.? Für was sind die einzelnen Bauteile bei der galvanostatischen Coulometrie? Für was braucht man die verwendeten Substanzen? Warum werden die Arbeitsschritte in der angegebenen Reihenfolge durchgeführt (Vortitration, etc.)? Wo liegen die größten Fehler bei der Versuchsdurchführung? Was sind die zur Auswertung benötigten Rechenschritte (Analytmenge, prozentuale Vertrauensintervall)? Folie Nr. 18

14 Photometrie Photometrische Bestimmung von Mangan in Stahl Folie Nr. 19

15 Photometrie Prinzip: Messung der Absorption (Extinktion) im UV-VIS-Bereich, d.h. der Schwächung eines Lichtstrahls durch Elektronenanregung Aufbau Lichtquelle Monochromator Probe (Küvette) Detektor Lichtquelle: VIS: nm, Glühlampe (Halogenlampe) UV: nm, Deuteriumlampe Monochromator: Gitter- oder Prismenmonochromator Küvette: Quarz (UV-Bereich), optisches Glas oder Kunststoff Detektor: Photodiode, Photozelle

16 Elektromagnetisches Spektrum

17 Ein- und Zweistrahlgeräte Einstrahlgerät: Messung der Intensität der Blindprobe / Referenzprobe, dann Nullabgleich (E = 0), anschließend Probenmessungen Voraussetzung: Intensität der Lichtquelle konstant Zweistrahlgerät: Lichtstrahl geteilt, Referenzprobe im 2. Strahlengang messen (gleichzeitig bei zwei Detektoren bzw. alternierend bei einem Detektor) zeitliche Änderung der Lichtintensität spielt somit keine Rolle!

18 Lambert-Beer-Gesetz Intensität eines Lichtstrahls beim Durchlaufen eines absorbierenden Mediums hängt exponentiell von Konzentration und Schichtdicke ab Verhältnis I/I 0 heißt Transmission T Negativ dekadischer Logarithmus von T ist Extinktion E (spektrales Absorptionsmaß) c I 0 I d ε Konzentration Intensität vor Küvette Intensität hinter Küvette Schichtdicke dekad. Extinktionskoeff.

19 Analyten Absorption im UV/VIS-Bereich Anorganisch: d-elektronen (Übergangsmetalle) Charge-Transfer-Übergange (besonders intensiv, Übergangsmetallkomplexe), z.b. Ligand (Donor) Metall-d-Orbital (Akzeptor) Organisch: π-elektronen: π π* nichtbindende Elektronen n π* Beispiele: direkt: MnO 4-, Cr 2 O 7 2-, org. Moleküle mit chromophoren Gruppen (z.b. konjugierten Doppelbindungen) nach Komplexierung: nach Derivatisierung: mit Dithizon (Zn: gelb, Hg: orange, Pb: rosa) mit o-phenanthrolin (Fe(II): rot, Ferroin) als Rhodanide (Fe(III): rot, Co(II): blau) Dithizon: 3-(Phenylamino)-1-phenyliminothioharnstoff NO 2- mit Sulfanilsäure + Naphtylamin violetter Azofarbstoff (konjugierte π Bindungen)

20 Atomabsorptionsspektroskopie AAS Atomemissionsspektroskopie AES Folie Nr. 25

21 Lichtquellen Photometrie: Kontinuumstrahler notwendig! Bestes kontinuierliches Spektrum: schwarzer Körper / schwarzer Strahler Glühender Festkörper (Glühlampe) z.b. Wolfram-Halogenlampe Halogen dient zum Recycling des Glühfadens (chem. Transportreaktion) ermöglicht höhere Glühtemperaturen Problem: für hohe Intensität im UV-Bereich sehr hohe Temperatur notwendig (Wolfram würde schmelzen, Smp C) Verwendung Deuteriumlampe für UV-Bereich Ungewöhnlicher Mechanismus der Strahlenerzeugung: Bogenentladung in D 2 bei niedrigem Druck Energieübertragung auf D 2 (Kollision mit Ionen/Elektronen) angeregtes D 2 dissoziiert in Atome, Überschussenergie verteilt sich auf D- Atome (kinetische Energie) und Photon Verteilung der Energie ist zufällig kontinuierliches Spektrum

22 Mitbringen zu V2/5 und V2/6 Reagenzglasständer Küchentücher Stift und Papier Folienschreiber Folie Nr. 27

23 V2/5 und V2/6 Atomabsorptionsspektroskopie Atomemissionsspektroskopie Folie Nr. 28

24 Versuch 2/5 AAS Bestimmung von Mangan in wässrigen Lösungen mittels Flammen-AAS Standardadditionsverfahren Ermittlung des Mn-Gehaltes durch graphische Auswertung Wichtig: genaues Pipettieren und Auffüllen der Kolben Folie Nr. 29

25 Versuch 2/6 AES Überprüfung von chemischen und physikalischen Störungen bei der Messung von Calcium Chemische Störungen: Bildung schwerflüchtiger Produkte, die in der Flamme stabil sind (z.b. Oxide, Phosphate, Sulfate, Carbide) Physikalische Störungen: verschiedene Probeneigenschaften (Viskosität, Dichte, Oberflächenspannung) beeinflussen den Transport in die Flamme Folie Nr. 30

26 Versuch 2/6 AES Überprüfung der Wirkung eines Ionisationspuffers bei der Messung von Kalium Hohe Flammentemperatur bewirkt Ionisation Besonders bei Alkali- und Erdalkalimetallen (kleine Ionisierungsenergien) K K + + e - Erhöhung der Elektronenkonzentration verschiebt Gleichgewicht Niedrigere Flammentemperatur wählen, wenn möglich Folie Nr. 31

27 Versuch 2/6 AES Bestimmung von Kalium in Speisesalz und Vergleich von externer Kalibrierung und interner Kalibrierung (Standardaddition) Durchführung einer externen Kalibrierung: Folie Nr. 32

28 Externe Kalibrierung Voraussetzung Verhältnisse in den Proben ähnlich denen der Standards. wenige systematische Fehlerquellen. hohe Reproduzierbarkeit aller Analysenschritte bei Standards und Proben. Vorteile sehr gut geeignet für Routinebetrieb (viele, ähnliche Proben). viele Proben ohne zusätzlichen Aufwand analysierbar. Standardlösungen z. T. wieder verwendbar. Nachteile systematische Fehler schwer erkennbar. Matrixeffekte nicht korrigierbar, daher Probleme bei wechselnder Probenart. Folie Nr. 33

29 Matrixeffekte bei externer Kalibrierung Bestandteile der Probe (Matrix) können die Kalibrierfunktion durch unterschiedliche chemische oder physikalische Effekte beeinflussen. Beispiel: chemische Störungen bei der AAS/AES Folie Nr. 34

30 Möglichkeiten zur Verminderung systematischer Fehler bei der Kalibrierung Matrixanpassung Matrix der Standardlösungen an die Probenmatrix anpassen. viele Proben ohne zusätzlichen Aufwand analysierbar. oft schwierig, da Probenmatrix nicht immer genau bekannt. Standardaddition (Standardzusatzverfahren) genaue Anpassung der Matrizes. hoher Aufwand notwendig. Folie Nr. 35

31 Voltammetrie

32 V Voltammetrie Voltammetrie - Aufbau Folie Nr. 37

33 V2.7 - Voltammetrie Voltammetrie detaillierter Aufbau Folie Nr. 38

34 V Voltammetrie Voltammetrie - Durchführung Probenaussgabe erfolgt in 50 ml Messkolben Auffüllen bis zur Markierung Entnahme von 10 ml mittels Vollpipette und Überführung ins Probengefäß Zugabe von 1 ml Pufferlösung Messung starten: Erster Durchgang (3 Wiederholungen) Qualitative Übersicht. Zuordnung der Signale zu den Elementen Zugabe von 100 µl bekannter Standard-Lösung Zweiter Durchgang (3 Wiederholungen) Erneute Zugabe und Dritter Durchgang Ausgabe der Messdaten durch integrierten Drucker Angabe des Gehaltes des gewählten Elementes in µg/l Folie Nr. 39

35 V Voltammetrie Auswertung Beispiel eines Voltammogramms nach Standard-Addition Folie Nr. 40

36 V Voltammetrie Auswertung Ausgabe der Messdaten Folie Nr. 41

37 V Voltammetrie Voltammetrie Auftragung der Messdaten Folie Nr. 42

38 V Voltammetrie Voltammetrie Hinweise zum Kolloq Leiten Sie die vollständige Bezeichnung der Messmethode her (differential pulse anodic stripping voltammetry) Wie kommt das gezeigte Voltammogramm zustande? Bei jeder Analyse werden KCl und Na-Acetat zugegeben. Welchen Zweck erfüllt diese Zugabe? Der unbekannte Gehalt der Probe ergibt sich bei der Standardaddition als Schnittpunkt der Regressionsgerade mit der Abszisse. Erklären Sie kurz, warum dies so sein muss. Welchen Einfluss hat die Höhe der Steigung der Regressionsgeraden auf den Fehler? Informieren Sie sich über den Umgang mit metallischem Quecksilber in Laboren. Wie reagieren Sie auf ein mögliches Auslaufen von Quecksilber? Wie werden quecksilberhaltige Abfälle entsorgt? Außerdem sollten Sie folgende Begriffe Erklären können: Halbstufen-Potential Standard-Addition Faraday scher / nicht-faraday scher Strom Polarisation Folie Nr. 43

39 GC Qualitative Bestimmung von Alkanen in Benzin mittels Gaschromatographie

40 Allgemeines zur Chromatographie Definition: Die Chromatographie ist ein physikalisch-chemisches Trennverfahren, bei dem die zu trennenden Substanzen zwischen zwei Phasen verteilt werden, von denen die eine, die stationäre Phase, festliegt, während die andere, die mobile Phase, sich in einer bestimmten Richtung bewegt mobile Phase [x] m [x] s K x = [x]m stationäre Phase [x] s Unterschiede der Verteilungsgleichgewichte der Komponenten (unterschiedliche Verteilungskoeffizienten K) einer Mischung in einem Zweiphasensystem Sowie die relative Bewegung der beiden Phasen zueinander

41 Chromatogramm: Auftragung des Detektorsignals gegen die Zeit (min) Ein Chromatogramm enthält qualitative und quantitative Informationen qualitative, stoffspezifische Information Retentionszeit quantitative, mengenspezifische Information Höhe eines Signals; Fläche unterhalb eines Signals

42 Gaschromatographie Als mobile Phase dient ein inertes Trägergas, welches ausschließlich für den Transport der Analyten sorgt. die Gaschromatographie ist eine der am weitesten verbreiteten analytischen Techniken GC ist die Methode der Wahl für die Trennung flüchtiger Verbindungen (organisch und anorganisch)

43 Probennahme: Headspace-Technik Entnahme von Gasvolumen mit einer gasdichten Spritze Vorsicht: Gasdichte Spritzen dürfen nicht verbogen werden! beschränkt auf flüchtige Substanzen Prinzip: Gleichgewichtseinstellung zwischen Gas- und Flüssigphase

44 Stationäre Phase Wichtigstes Kriterium für die Wahl der stationären Phase: Similis similibus solventur Polare Analyten: polares Säulenmaterial Unpolare Analyten: unpolares Säulenmaterial 1-5 mm id Länge 1-5 m Rohrwandungen Glas oder Metall mm id Länge m Rohrwandungen Quarzglas gepackte oder mikrogepackte Säulen Dünnschicht- Kapillarsäule Dünnfilm- Kapillarsäule heutzutage fast ausnahmslos Einsatz von Kapillarsäulen (insbesondere Dünnfilmsäulen) guter Stoffaustausch zwischen mobiler und stationärer Phase hohe Permeabilität (geringer Druckabfall) Möglichkeit lange Säulen einzusetzen hohe Trennstufenzahl (Nth) Säulen sind universeller einsetzbar

45 Stationäre Phasen

46 Mobile Phase hauptsächlich Helium, aber auch Stickstoff und Wasserstoff Die mobile Phase hat maßgeblichen Einfluss auf sogenannte signalverbreiternde Prozesse: HETP A B v C v mit A = Term zur Beschreibung der Eddy-Diffusion B = Term zur Beschreibung der Longitudinaldiffusion C = Term zur Beschreibung des Massentransfers van-deemter-gleichung HETP (z.b. [mm]) A-Term B/v-Term C v-term HETP = A + B/v + C v mittlere Strömungsgeschwindigkeit der mobilen Phase (z.b.[cm s -1 ])

47 Detektoren in der GC GC-Detektoren sind Geräte, die Eigenschaftsunterschiede zwischen Trägergas und Analyten erfassen und in elektrische Signale umwandeln Flammenionisationsdetektor (FID): Verbrennen der Komponenten in einer Wasserstoffflamme bei der Verbrennung von organischen Substanzen entstehen Ionen und Elektronen zwischen Brennerende und einer Sammelelektrode wird eine Spannung von einigen hundert Volt angelegt Messung des resultierenden Stroms sehr empfindlich für Kohlenstoffverbindungen

48 HPLC Quantifizierung von Acetylsalicylsäure mittels HPLC 53

49 HPLC Allgemeiner Aufbau Flüssige, mobile Phase Zusammensetzung der mobilen Phase kann variiert werden (z.b. Gradientenprogramm)

50 HPLC Wichtige Unterschiede zur GC Die Selektivität hängt nicht nur von der stationären Phase ab, sondern auch von der mobilen Phase, dem Laufmittel. Kleinere Diffusionskoeffizienten (geringerer Stofftransport). Typische Säulenlänge: 150mm (GC: mehrere Meter). Geringere Temperaturen, dadurch geringere Gefahr der thermischen Zersetzung des Analyten. Analyse von nicht flüchtigen Substanzen. Lösungsmittelgradient (GC: Temperaturgradient).

51 HPLC Eingesetzte Säule im Praktikum Umkehrphasen-Säule Chemisch mit einer C18 Kette modifiziertes Kieselgel Acetonitril / Wasser-Gradient als mobile Phase Polare Substanzen eluieren zuerst

52 HPLC - Detektor Analyten mit Doppelbindungen -> Absorption im UV-Bereich O H 3 C O O OH Koffein Acetylsalicylsäure E Lambert-beersches Gesetz I I λ = ln = ε λ c d 0