Chemie für Laboranten und Chemotechniker: Analytische Chemie

422 Pages·1989·7.74 MB·German

by  Professor Dr. Hans Peter Latscha

Maßeinheiten
Masse: Einheit Kilogramm, kg. 1 kg = 1000 g. 1 g = 1000 mg.
1 g = 10-3 kg; 1 mg = 10-3 g; 1 Ilg = 10-3 mg = 10-6 g;
= = =
1 ng 10-3 Ilg 10-6 mg '-" 10-9 g; 1 pg 10-12 g
=
Volumen: Einheit Kubikmeter, m3• 1 m3 = 1000 dm3 10001.
11 = 1000 ml.
11 = 10-3 m3; 1 ml = 10-31; 1 111 = 10-3 ml = 10-61
= = =
1 nl 10-3 111 = 10-6 ml 10-91; 1 pI 10-121
Vorsatzzeichen: m = milli ... 10-3 n = nano ... 10-9
11 -- 'mkt r o ... 10-6 P = pico '" 10-12
Konzentrationen häufig benutzter Säuren und Basen
Bezeichnung Gehalt Stoffmengen- Äquivalent-
(abgekürzt) Gewichts- konzentration konzentration
prozent mol. t 1 mol·1-1
rauchende HCI 38 12,5 12,5
konz. HCI 25 8 8
verd. HCl 7 2 2
konz. HN0 65 14 14
3
verd. HN0 12 2 2
3
konz. H S0 96 18 36
2 4
verd. H2S04 9 1 2
verd. CH COOH 12 2 2
3
konz. NaOH 40 14 14
verd. NaOH 7,5 2 2
konz. NH 25 13,5 13,5
3
verd. NH 3,5 2 2
3

H.P. Latscha H.A. Klein K. Gulbins
Chemie
für Laboranten und
Chemotechniker
Analytische Chemie
Mit 132 Abbildungen
30 Tabellen und 86 Formeln
Springer-Verlag Berlin Heidelberg New York
London Paris Tokyo Hong Kong
Professor Dr. Hans Peter Latscha
Anorganisch-Chemisches Institut
der Universität Heidelberg
Im Neuenheimer Feld 270
6900 Heide\berg 1
Dr. Helmut Alfons Klein
Bundesministerium für Arbeit und Sozialordnung
U -Abt. Arbeitsschutz! Arbeitsmedizin
Rochusstr. 1, 5300 Bonn 1
Dr. Klaus Gulbins
BASF Aktiengesellschaft
DPBlNaturwissenschaftliche Berufsbildung
6700 Ludwigshafen
ISBN-13: 978-3-540-50137-4 e-ISBN-13: 978-3-642-73969-9
DOT: 10.1007/978-3-642-73969-9
CIP·Titelaufnahme der Deutschen Bihliothek
Latscha. Hans P.: Chemie für Lahoranten und Chemotechniker I H. P. Latscha :
H. A. Klein: K. Gulhins. - Berlin : Heidelherg : NewYork . Tokyo : Springer.
NE: Klein. Helmut A.:: Gulbins. Klaus:
Analytische Chemie. - 1989
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werden.
2152/31'+5-543210 - Gedruckt auf säurefreiem Papier
Vorwort
Der Band ,.Analytische Chemie" vervollständigt die Reihe .• Chemie
für Laboranten und Chemotechniker".
Die ,.Neuordnung der Ausbildungsberufe zum Chemielaboranten/zur
Chemielaborantin" vom Dezember 1986 weist der analytischen Chemie
einen erweiterten Rahmen zu.
Die Anforderungen im Gebiet der instrumentellen Analytik werden
deutlich vergrößert.
Die klassischen Verfahren der qualitativen chemischen Naßanalyse und
der herkömmlichen quantitativen Analytik, wie Gravimetrie und Volu
metrie, werden gleichwohl auch in der neu geordneten Berufsausbil
dung für Chemielaboranten ohne große Abstriche beibehalten.
Die analytische Chemie befaßt sich mit der Qualität (dem "Was") und
der Quantität (dem ,.Wieviel") von Stoffen.
Für die Lösung dieser Probleme gibt es eine Vielzahl von Möglich
keiten.
Wir haben uns in diesem Buch bemüht, in Übereinstimmung mit den
Erfordernissen der Neuordnung der Berufsausbildung von Chemie
laboranten die wichtigsten Analysenverfahren. mit denen Chemielabo
ranten im Laufe ihrer Ausbildung und während ihres Berufslebens
vertraut sein müssen, vorzustellen.
Darüber hinaus kann dieses Buch auch als Grundlage bei der Aus- und
Fortbildung zum Chemotechniker verwendet werden.
Heidelberg. im April 1989 H. P. Latscha
H.A. Klein
K. Gulbins
Inhaltsverzeichnis
Vorsichtsmaßnahmen und Unfall verhütung im chemischen Labor
1 Qualitative Analyse ..... 9
1.1 Anorganische Verbindungen 9
1.1.1 Allgemeine Einführung . . . 9
1.1.1.1 Trennungsgänge . . . . . . . 9
1.1.1.2 Empfindlichkeit einer Nachweisreaktion 10
1.1.1.3 Die qualitative Analyse ........ . 11
1.1.1.4 Gang einer qualitativen Analyse 12
1.1.1.5 Arbeitsgeräte für die Halbmikro-Analyse 12
1.1.2 Vorproben .............. . 14
1.1.2.1 Flammenfärbung und Spektralanalyse . 14
1.1.2.2 Lötrohrprobe . . . . . . . . . 15
1.1.2.3 Borax- und Phosphorsalzperle .... . 17
1.1.2.4 Lösen der Analysensubstanz .... . 18
1.1.2.5 Aufschlußmethoden für schwerlösliche Substanzen 19
1.1.3 Nachweis wichtiger Elementar-Substanzen 23
1.1.4 Schnelltests .. . . . . . . 24
1.1.5 Untersuchung von Anionen 25
1.1.5.1 Allgemeine Einführung . . 25
1.1.5.2 Gruppen-Reaktionen ... 26
1.1.5.3 Nachweisreaktionen (Identitätsreaktionen ) 27
1.1.6 Untersuchung von Kationen ....... . 36
1.1.6.1 Gruppentrennungsgänge
Lösliche Gruppe . . . . . . . 38
1.1.6.2 Ammoniumcarbonat-Gruppe 41
1.1.6.3 Ammoniumsulfit-Gruppe .. 44
1.1.6.3.1 Durchführung des (NH4hS-Trennungsganges ohne
seltenere Elemente ... 45
1.1.6.3.2 Einzelnachweis der Ionen . . . . . . . . 50
1.1.6.4 Salzsäure-Gruppe . . . . . . . . . . . . 55
1.1.6.5 SchwefelwasserstoffiThioacetamidgruppe 57
1.1.6.5.1 Kupfergruppe . . . . . . . . . . . . . 58
1.1.6.5.2 Arsengruppe ohne seltenere Elemente 61
1.1.7 Muster eines Analysenprotokolls .. . 66
1.2 Organische Verbindungen ...... . 70
1.2.1 Nachweis der Elemente in organischen Verbindungen 70
1.2.2 Ausgewählte Nachweis- und Identitätsreaktionen für
funktionelle Gruppen . . . . . . . . . . . . . . . . . 74
VIII
2 Grundlagen der quantitativen Analyse 97
2.1 Analytische Geräte ........ . 97
2.1.1 Waagen .............. . 97
2.l.2 Volumenmeßgeräte für Flüssigkeiten 99
2.2 Konzentrationsmaße ....... . 103
2.2.1 Konzentrationsangaben des SI-Systems 103
2.2.2 Berechnung der Stoffmengen bei chemischen
Umsetzungen ............... . 111
2.2.3 Aktivität .................. . 113
2.3 Statistische Auswertung von Analysendaten 114
3 Klassische qllantitative Analyse .. 118
3.1 Grundlagen der Gravimetrie 118
3.1.1 Gravimetrische Grundoperationen 119
3.1.2 Löslichkeit . . . . . . 125
3.1.3 Komplexbildung . . . . . . . . 130
3.1.4 Niederschlagsbildung . . . . . 132
3.1.5 Berechnung der Analysenwerte 134
3.2 Gravimetrische Analysen mit anorganischen
Fällungsreagenzien ........... . . . . . . 136
3.3 Gravimetrische Analysen mit organischen
Fällungsreagenzien ...... . 138
3.4 Grundlagen der Maßanalyse 142
3.4.1 Maßlösungen, U rtitersubstanzen 144
3.4.2 Berechnung der Analysen 147
3.4.3 Indikatoren . . . . . . . . . . 148
3.5 Säure-Base-Titrationen .... 155
3.5.1 Theorie der Säuren und Basen 155
3.5.2 Aciditäts- und Basizitätskonstante 158
3.5.3 Ionenprodukt des Wassers 161
3.5.4 pH-Wert ............. . 163
3.5.5 Säure-Base-Reaktionen ..... . 169
3.5.6 ,.Hydrolyse" (Protolyse) von Salzen 170
3.5.7 Puffer .............. . 171
3.6 Titrationen von Säuren und Basen in wäßrigen
Lösungen ........ . 176
3.6.1 Titrationskurven ..... . 176
3.6.2 Endpunkte der Titrationen 183
3.6.3 Titrationsmöglichkeiten 183
3.6.4 Anwendungsbeispiele . . . 185
3.6.4.1 Titration starker Säuren . . 185
3.6.4.2 Titration schwacher Säuren 187
3.6.4.3 Titration starker Basen . . 189
3.6.4.4 Titration schwacher Basen 190
3.6.4.5 Bestimmung von Carbonsäurederivaten . 194
3.7 Grundlagen der Oxidations- und Reduktionsanalysen 195
3.7.1 Oxidation und Reduktion . . . . . . . . . . . . . . . 195
IX
3.7.2 Redoxreaktionen . . 196
3.7.3 Redoxpotentiale (Standardpotentiale und
Normalpotentiale ) 197
3.7.4 Elektroden 203
3.7.4.1 Bezugselektroden 203
3.7.4.2 Meßelektroden (Indikatorelektroden) . 206
3.8 Redoxtitrationen (Oxidimetrie) 208
3.8.1 Titrationskurven . .. 208
3.8.2 Endpunkte der Titration 210
3.8.3 Anwendungsbeispiele 211
3.8.3.1 Manganometrie 211
3.8.3.2 Cerimetrie . 216
3.8.3.3 Iodometrie 216
3.8.3.4 Bromometrie 219
3.8.3.5 Kaliumdichromat 221
3.8.3.6 Kaliumbromat . 222
3.9 Fällungstitrationen 223
3.9.1 Allgemeines 223
3.9.2 Endpunkte der Titrationen 224
3.9.3 Anwendungsbeispiele 225
3.10 Komplexometrische Titrationen (Chelatometrie) 227
3.10.1 Chelatbildner .. .. 228
3.10.2 Titrationsmöglichkeiten mit Dinatriumethylen
diamintetraacetat (EDTA) 231
3.10.3 Titrationsendpunkte . .. 232
3.10.4 Komplexometrische Arbeitsweisen 233
3.10.5 Anwendungsbeispiele mit EDT A 235
3.10.5.1 Bestimmung einzelner Kationen 235
3.10.5.2 Simultantitration von Kationen 237
3.10.5.3 Indirekte Titration von Kationen und Anionen 238
4 Elektroanalytische Verfahren 239
4.1 Grundlagen der Potentiometrie 239
4.1.1 Allgemeines 239
4.1.2 Meßanordnung und Meßelektroden 240
4.1.3 Anwendungsbereiche 242
4.1.4 Anwendungsbeispiele 242
4.2 Grundlagen der Elektrogravimetrie 253
4.2.1 Allgemeines 253
4.2.2 Trennungen durch Elektrolyse 258
4.2.3 Instrumentelle Anordnung 260
4.2.4 Anwendungen . 261
4.3 Grundlagen der Coulometrie 262
4.3.1 Allgemeines 262
4.3.2 Durchführung coulometrischer Messungen 263
4.3.3 Anwendungsbereiche der potentiostatischen
Coulometrie . 267
X
4.4 Grundlagen der Polarographie 270
4.4.1 Allgemeines und instrumentelle Anordnung 270
4.5 Grundlagen der Konduktometrie 282
4.5.1 Allgemeines 282
4.5.2 Prinzipielle Anwendung . 289
5 Optische lind spektroskopische Analysenverfahren 293
5.1 Einfache optische Analysenmethoden . 293
5.1.1 Refraktometrie 293
5.1.2 Polarimetrie 296
5.1.3 Fluoreszenzspektroskopie 298
5.1.4 Nephelometrie 299
5.2 Molekülspektroskopische Methoden 299
5.2.1 Gemeinsame Grundlagen von Atom- und
Molekülspektren 299
5.2.1.1 Das elektromagnetische Spektrum 299
5.2.1.2 Emission von Energie 301
5.2.1.3 Absorption von Energie . 301
5.2.1.4 Gesetz der Lichtabsorption 303
5.2.2 Absorptionsspektroskopie im ultravioletten und
sichtbaren Bereich . 305
5.2.2.1 Molekülanregung 305
5.2.2.2 Molekülstruktur und absorbiertes Licht 305
5.2.2.3 Meßmethodik 308
5.2.2.4 Darstellung der Meßwerte . 309
5.2.2.5 Auswertung und Anwendung 309
5.2.3 Absorptionsphotometrie 313
5.2.4 Kolorimetrie . 314
5.2.5 Infrarot-Absorptionsspektroskopie und Raman-
Spektroskopie 315
5.2.5.1 Molekülanregung 315
5.2.5.2 Absorptionsbereich 317
5.2.5.3 Meßmethodik 321
5.2.5.4 Anwendung und Auswertung 321
5.2.6 Raman-Spektroskopie . 322
5.2.7 Kernresonanzspektroskopie 323
5.2.7.1 Chemische Verschiebung 324
5.2.7.2 Interpretation der Signale 326
5.2.7.3 Zuordnung der Signale 328
5.2.7.4 Intensität der Signale 329
5.2.7.5 Spin-Spin-Kopplung . 329
5.2.7.6 Interpretation der Spin-Spin-Aufspaltung 331
5.2.7.7 Messung und Anwendung . 335
5.2.8 Elektronenspinresonanz-Spektroskopie 335
5.3 Atom- und Ionenspektroskopie;
Röntgenstrukturanalyse 336
5.3.1 Flammenphotometrie 336
XI
5.3.2 Emmisions-Spektroskopie . 337
5.3.3 Atomabsorptionsspektroskopie (AAS) 338
5.3.4 Röntgenfluoreszenzspektroskopie . 339
5.3.5 Elektronenstrahl-Mikroanalyse (Mikrosonde ) 340
5.3.6 Photoelektronenspektroskopie (PE und ESCA) 340
5.3.7 Massenspektrometrie (MS) 341
5.3.8 Röntgenstrukturanalyse 344
5.4 Strukturbestimmung mit spektroskopischen Methoden 345
5.4.1 AufgabensteIlung und Analysenplanung 345
5.4.2 Auswertung der Spektren 347
5.4.3 Praktische Anwendungen 348
6 Grundlagen der chromatographischell
Analysenverfahren . 351
6.1 Prinzip und Mechanismen der Chromatographie;
Kenngrößen 351
6.1.1 Arten der Trennwirkung 351
6.1.2 Auswertung der Daten über Kenngrößen 354
6.1.3 Charakterisierung der Trennleistung bei der Säulen-
Chromatographie 356
6.1.4 Zonenbildung 358
6.2 Papierchromatographie (PC) 360
6.3 Dünnschichtchromatographie (DC) 363
6.4 Säulenchromatographie (SC) 366
6.5 Gaschromatographie (GC) 370
6.6 Hochleistungsflüssigkeitschromatographie (HPLC) 374
6.7 Ionenaustauscher (IEC) . 375
6.8 Gelchromatographie
(Gelpermeationschromatographie) 380
6.9 Affinitätschromatographie 384
7 Reinigung und Trennung von Verbindungen . 387
7.1 Charakterisierung von Verbindungen durch Schmelz-
und Siedepunkt 387
7.1.1 Schmelztemperatur 387
7.1.2 Siedetemperatur . 387
7.2 Trennung und Reinigung von Lösungen. 388
7.2.1 Destillation 388
7.2.2 Rektifikation 389
7.2.3 Azeotrope Destillation; Wasserdampfdestillation 390
7.3 Reinigung von festen Stoffen 393
7.3.1 Kristallisation 393
7.3.2 Sublimation 393
7.4 Extraktion . 394
8 LiteraturnachlVeis und weiterführende Literatur 397
9 Sachverzeichnis 403