dominik pitton

Assistenten Wintersemester 2015/16
Nr.
Versuch
Assistent
Email
V2.1
Ionenchromatographie
Marcel Weloe
maweloe@uni-mainz.de
V2.2
HPLC
Dominik Pitton
pitton@uni-mainz.de
V2.3
Coulometrie
Christof Stoenner
c.stoenner@mpic.de
V2.4
Photometrie
Shang Sun
shang.sun@mpic.de
V2.5/6 AAS/AES
Inken Hitzemann
ihitzema@uni-mainz.de
V2.7
Voltammetrie
Julian Heidke
heidke@students.uni-mainz.de
V2.8
Gaschromatographie
Christoph Zuth
chzuth@uni-mainz.de
Folie Nr.
Datum:
1
11.03.2016
Ionenchromatographie
Simultanbestimmung von Magnesium
und Calcium in einer Wasserprobe
mittels Ionenchromatographie
Folie Nr.
Datum:
2
11.03.2016
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.
Datum:
3
11.03.2016
Ionenchromatographie
Folie Nr.
Datum:
4
11.03.2016
Ionenchromatographie
Harz-COO-H+ + A+
Harz-COO-A+ + H+
Harz-COO-H+ + B+
Harz-COO-B+ + H+
H+ < Li+ < Na+ < NH4+ < K+ < Mg2+ < Ca2+
Folie Nr.
Datum:
5
11.03.2016
Ionenchromatographie
Chromatogramm
Folie Nr.
Datum:
6
11.03.2016
Coulometrie
Coulometrische Titration von Ascorbinsäure
Folie Nr.
Datum:
12
11.03.2016
Coulometrie
Einteilung
 Elektrochemische Methoden mit Stromfluss und 100 %igem Stoffumsatz
Verfahren mit
praktisch 100 %igem
Stoffumsatz
Coulometrie
bei konstantem Strom
(galvanostatisch)
Folie Nr.
Datum:
13
11.03.2016
Elektrogravimetrie
bei konstanter
Spannung
(potentiostatisch)
Coulometrie
Grundlagen
Faraday’sche Gesetz:
n: Stoffumsatz [mol]
Q: Ladungsmenge [A∙s = C]
z: Zahl der elektrochemisch beteiligten Elektronen
F: Faraday-Konstante [C∙mol-1]
𝑄
𝑛=
𝑧∙𝐹
 Absolutmethode !
! Gleichung gilt nur bei 100%iger Stromausbeute, d.h. ohne parallel ablaufende
elektrochemische Nebenreaktionen!
𝑡
𝑄=
𝐼 𝑑𝑡
𝑡=0
Folie Nr.
Datum:
14
11.03.2016
für I = konst.
(galvanostatisch)
𝑄 =𝐼∙𝑡
I: Elektrolysestrom [A]
t: Elektrolysezeit [s]
Coulometrische Titration von Ascorbinsäure
Versuchsaufbau
Galvanostat
(I = konst)
Zeitnehmer
(Elektrolysezeit t)
Gegenelektrode
Arbeitselektrode
(Pt)
Elektrolyt/Salzbrücke
(Na2SO4)
Diaphragma
Messlösung
(Ascorbinsäure, KI, Stärke,
Acetatpuffer pH 4,6)
Folie Nr.
Datum:
15
11.03.2016
Coulometrische Titration von Ascorbinsäure
Redoxgleichungen
HO
HO
O
HO
O
O
+ 2 H2O
HO
OH
Ascorbinsäure (Asc)
2I
Asc
-
+ I2 + 2 H2O
O
HO
-
+ 2e
+ 2 H3O
O
O
Dehydro-Ascorbinsäure (Ascdehyd)
I2
-
+ 2e
-
Ascdehyd + 2 I
+ 2 H3O
+
1) Anodische Oxidation von Iodid zu Iod (blaue Farbe des Iod-Stärke-Komplex) – Strom
2) Oxidation von Asc zu Ascdehyd durch Iod (farblos) – kein Strom
3) Anodische Oxidation von Asc zu Ascdehyd (farblos) – Strom
4) Anodische Oxidation von Iodid zu Iod (blau - Titrationsendpunkt) – Strom
Folie Nr.
Datum:
16
11.03.2016
+
Coulometrische Titration: Vor- und Nachteile
Vorteile:
1)
2)
3)
4)
5)
6)
Vielseitig
Keine Standardlösungen / Kalibration notwendig (Absolutmethode)
Problematische Reagenzien titrierbar
Genauigkeit (Vergleiche z.B. Volummetrie: Bürettenfehler)  Präzisionsanalysen
Nachweisgrenze
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.
Datum:
17
11.03.2016
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.
Datum:
18
11.03.2016
Photometrie
Photometrische Bestimmung
von Mangan in Stahl
Folie Nr.
Datum:
19
11.03.2016
Photometrie
•
Prinzip: Messung der Absorption (Extinktion) im UV-VIS-Bereich, d.h. der Schwächung eines
Lichtstrahls durch Elektronenanregung
•
Aufbau
•
Lichtquelle:
VIS: 400 - 800 nm, Glühlampe (Halogenlampe)
UV: 180 - 400 nm, Deuteriumlampe
•
Monochromator:
Gitter- oder Prismenmonochromator
•
Küvette:
Quarz (UV-Bereich), optisches Glas oder Kunststoff
•
Detektor:
Photodiode, Photozelle
Lichtquelle
Monochromator
Probe
(Küvette)
Detektor
Elektromagnetisches Spektrum
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!
Lambert-Beer-Gesetz
•
•
•
Intensität eines Lichtstrahls beim Durchlaufen eines
absorbierenden Mediums hängt exponentiell von
Konzentration und Schichtdicke ab
Verhältnis I/I0 heißt Transmission T
Negativ dekadischer Logarithmus von T ist Extinktion E
(spektrales Absorptionsmaß)
c
I0
I
d
ε
Konzentration
Intensität vor Küvette
Intensität hinter Küvette
Schichtdicke
dekad. Extinktionskoeff.
Analyten
Absorption im UV/VIS-Bereich
Anorganisch:
–
–
d-Elektronen (Übergangsmetalle)
Charge-Transfer-Übergange (besonders intensiv, Übergangsmetallkomplexe),
(Donor)  Metall-d-Orbital (Akzeptor)
z.B. Ligand
Organisch:
–
–
π-Elektronen: π  π*
nichtbindende Elektronen n π*
Beispiele:
direkt:
MnO4-, Cr2O72-, org. Moleküle mit chromophoren Gruppen
(z.B. konjugierten Doppelbindungen)
nach Komplexierung:
• mit Dithizon (Zn: gelb, Hg: orange, Pb: rosa)
• mit o-Phenanthrolin (Fe(II): rot, Ferroin)
• als Rhodanide (Fe(III): rot, Co(II): blau)
nach Derivatisierung:
Dithizon:
3-(Phenylamino)-1-phenyliminothioharnstoff
• NO2- mit Sulfanilsäure + Naphtylamin violetter Azofarbstoff (konjugierte π–Bindungen)
Atomabsorptionsspektroskopie AAS
Atomemissionsspektroskopie AES
Folie Nr.
Datum:
25
11.03.2016
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. 3422°C)
 Verwendung Deuteriumlampe für UV-Bereich
Ungewöhnlicher Mechanismus der Strahlenerzeugung:
Bogenentladung in D2 bei niedrigem Druck
Energieübertragung auf D2 (Kollision mit Ionen/Elektronen)
angeregtes D2 dissoziiert in Atome, Überschussenergie verteilt sich auf DAtome (kinetische Energie) und Photon
Verteilung der Energie ist zufällig kontinuierliches Spektrum
Mitbringen zu V2/5 und V2/6
• Reagenzglasständer
• Küchentücher
• Stift und Papier
• Folienschreiber
Folie Nr.
Datum:
27
11.03.2016
V2/5 und V2/6
• Atomabsorptionsspektroskopie
• Atomemissionsspektroskopie
Folie Nr.
Datum:
28
11.03.2016
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.
Datum:
29
11.03.2016
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.
Datum:
30
11.03.2016
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.
Datum:
31
11.03.2016
Versuch 2/6 AES
• Bestimmung von Kalium in Speisesalz und Vergleich von externer Kalibrierung
und interner Kalibrierung (Standardaddition)
– Durchführung einer externen Kalibrierung:
Folie Nr.
Datum:
32
11.03.2016
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.
Datum:
33
11.03.2016
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.
Datum:
34
11.03.2016
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.
Datum:
35
11.03.2016
Voltammetrie
11.03.2016
36
V 2.7 - Voltammetrie
Voltammetrie - Aufbau
Folie Nr.
Datum:
37
11.03.2016
V2.7 - Voltammetrie
Voltammetrie – detaillierter Aufbau
Folie Nr.
Datum:
38
11.03.2016
V 2.7 - 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.
Datum:
39
11.03.2016
V 2.7 - Voltammetrie
Auswertung – Beispiel eines Voltammogramms nach Standard-Addition
Folie Nr.
Datum:
40
11.03.2016
V 2.7 - Voltammetrie
Auswertung – Ausgabe der Messdaten
Folie Nr.
Datum:
41
11.03.2016
V 2.7 - Voltammetrie
Voltammetrie – Auftragung der Messdaten
Folie Nr.
Datum:
42
11.03.2016
V 2.7 - 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.
Datum:
43
11.03.2016
GC
Qualitative Bestimmung von Alkanen in
Benzin mittels Gaschromatographie
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
Kx =
stationäre Phase
•
•
[x]s
[x]m
[x]s
Unterschiede der Verteilungsgleichgewichte der
Komponenten (unterschiedliche Verteilungskoeffizienten K)
einer Mischung in einem Zweiphasensystem
Sowie die relative Bewegung der beiden Phasen zueinander
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
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)
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
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
gepackte oder
mikrogepackte
Säulen
0.1 - 0.5 mm iD
Länge 10 - 150 m
Rohrwandungen
Quarzglas
DünnschichtKapillarsäule
DünnfilmKapillarsäule
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
Stationäre Phasen
Mobile Phase
→ hauptsächlich Helium, aber auch Stickstoff und Wasserstoff
Die mobile Phase hat maßgeblichen Einfluss auf sogenannte signalverbreiternde Prozesse:
B
HETP  A   C  v
v
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])
mit
A-Term
B/v-Term
Cv-Term
HETP = A + B/v + Cv
mittlere Strömungsgeschwindigkeit der mobilen Phase (z.B.[cm s -1])
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
HPLC
Quantifizierung von Acetylsalicylsäure mittels
HPLC
53
HPLC – Allgemeiner Aufbau
•
•
Flüssige, mobile Phase
Zusammensetzung der mobilen Phase kann variiert werden (z.B. Gradientenprogramm)
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).
HPLC – Eingesetzte Säule im Praktikum
•
•
•
•
Umkehrphasen-Säule
Chemisch mit einer C18 Kette modifiziertes Kieselgel
Acetonitril / Wasser-Gradient als mobile Phase
Polare Substanzen eluieren zuerst
HPLC - Detektor
• Analyten mit Doppelbindungen -> Absorption im UV-Bereich
O
H3C
O
O
OH
Koffein
Lambert-beersches Gesetz
 I
E  λ  = ln 
 I0

 = ε  λ   c  d

Acetylsalicylsäure