Analytische Chemie II

364 Pages·2020·11.2 MB·German

by  Ritgen, Ulf

Ulf Ritgen
Analytische
Chemie II
Analytische Chemie II
Ulf Ritgen
Analytische Chemie II
Dr. Ulf Ritgen
FB 05 – Angewandte Naturwissenschaft
Hochschule Bonn-Rhein-Sieg
Rheinbach, Nordrhein-Westfalen, Deutschland
Teil V erstellt unter Mitarbeit von Prof. Dr. Christina Oligschleger
ISBN 978-3-662-60507-3 ISBN 978-3-662-60508-0 (eBook)
https://doi.org/10.1007/978-3-662-60508-0
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V
Vorwort
Genau wie das Lehrbuch „Analytische Chemie zwischen Organischer Chemie, Biochemie und
I“ ist auch dieser zweite Band der Reihe als „Vor- Molekularbiologie ziehen wollen?
lesung zum Nachlesen“ gedacht, und ebenso wie
für Band I gibt es auch hier ein maßgebliches Entsprechend hat sich auch das Feld der Ana-
Lehrbuch, auf das in den folgenden Seiten immer lytik deutlich erweitert – und doch wird auch in
wieder verwiesen wird. Es ist das Werk 7 Instru­ diesem Buch immer wieder auf Dinge zurück-
mentelle Analytik von D.A. Skoog, F.J. Holler und gegriffen werden, die Sie gewiss bereits aus ande-
S.R. Crouch, kurz „der 7 Skoog“. Diesen sollten ren Lehrtexten (gerne auch der „Analytischen
Sie beim Durcharbeiten des vorliegenden Buches Chemie I“) kennen:
griffbereit haben, weil beispielsweise häufig auf
dortige Abbildungen verwiesen wird. Zudem In Teil I kehren wir noch einmal zur Molekül­
sind die in diesem Buch behandelten Themen spektroskopie zurück, deren Grundlagen Sie
dort verständlicherweise deutlich umfangreicher gegebenenfalls bereits in Teil IV der „Analytik I“
dargelegt, sodass dieses Buch entsprechend auch kennengelernt haben – wir lassen also unsere Ana-
zum Vertiefen und zum Nachschlagen dienen lyten mit elektromagnetischer Strahlung wechsel-
soll. wirken, sodass die auf diese Weise erhaltenen
Daten Rückschlüsse auf die Eigenschaften der
Skoog zu untersuchenden Substanz(en) gestatten, ins-
besondere auf deren (molekulare) Struktur. Von
Das bedeutet aber nicht, dass in den Kapiteln besonderer Bedeutung sind hier die – nun wahr-
nicht auch gelegentlich auf das Lehrbuch der lich nicht sehr energiereichen – Radiowellen,
Quantitativen Analyse von D.C. Harris ver- die in Kombination mit einem leistungsstarken
wiesen wird, das Sie, so Sie sich auch schon mit Magneten zur Kernresonanzspektroskopie
der „Analytischen Chemie I“ befasst haben (sollte (NMR) führen, für die es nicht nur zahlreiche
dem so sein: Willkommen zurück!), bereits Anwendungsmöglichkeiten gibt, sondern auch
kennen, weil sich hin und wieder auch dort verschiedene Varianten. Im gleichen Buchteil
besonders prägnante Beispiele finden und der- befassen wir uns auch mit der Massenspektro-
gleichen mehr. „Der Skoog“ und „der Harris“ metrie (MS), deren Grundlagen bereits in Teil
ergänzen sich in vielerlei Hinsicht. Wundern Sie V der „Analytischen Chemie I“ angerissen wur-
sich also bitte nicht, wenn es bei manchen The- den. Beide Methoden sind – je nach der techni-
men sogar zu „Doppelverweisen“ kommt: Diese schen Vorgehensweise – für vergleichsweise kleine
dienen erneut der Vertiefung. (organische) Moleküle ebenso geeignet wie für die
Untersuchung deutlich größerer Atomverbände,
Harris seien es nun höhermolekulare Naturstoffe (z. B.
Stärke etc.) oder auch Analyten, die gemeinhin der
Und weil der Titel „Analytische Chemie II“ ja Biochemie zugeordnet werden, also etwa Proteine
schon nahelegt, dass Sie hier eine „Fortsetzung“ oder DNA-/RNA-Stränge.
in Händen halten, wird es auch immer wieder
Verweise auf die „Analytische Chemie I“ geben. In Teil II befassen wir uns dann mit elektro­
(Sollten Sie sich damit nicht befasst haben, dürfte analytischen Methoden, deren grundlegende Prin-
das eigentlich kein Problem darstellen; die- zipien Leser der „Analytischen Chemie I“ schon
ser Hinweis nur, damit Sie sich nicht über den aus dem dortigen Teil II kennen. Dieses Mal
gelegentlichen entsprechenden Verweis wun- jedoch werden wir ein wenig tiefer in die Materie
dern.) eindringen und uns auch mit spezielleren Metho-
den der Analytik befassen. Vornehmlich geht es
Für die fortgeschritteneren Gebiete der Analytik darum, wie sich die Analyten (bei denen es sich
werden die Grundlagen der Allgemeinen und der durchaus auch um monoatomare Kationen oder
Anorganischen Chemie ebenso benötigt wie die Anionen handeln kann) durch Aufnahme oder
Organik und ausgewählte Bereiche der Physikali- Abgabe von einem oder mehreren Elektronen
schen Chemie, und auch der Punkt, an dem die verändern und inwieweit sich dies makroskopisch
Chemie untrennbar mit anderen naturwissen- nachweisen lässt. Anders ausgedrückt: Welche
schaftlichen Disziplinen verschmilzt, wird hier makroskopischen Eigenschaften verändern sich,
überschritten – wo etwa würden Sie die Grenze wenn der Analyt reduziert oder oxidiert wird?
VI Vorwort
Da es also in erster Linie um die Übertragung soll Ihnen vor allem anhand des Themas „Sen-
von Elektronen geht, betrachten wir bei den hier soren“ gezeigt werden, wie nah die Fachgebiete
vorgestellten Methoden auch Eigenschaften, die „Chemie“ und „Biologie“ einander mittlerweile
unmittelbar damit korreliert sind: Es geht um gekommen sind.
elektrochemische Potentiale bzw. deren Differen-
zen, den daraus resultierenden Stromfluss, aber Der letzte Teil dieses Buches schließlich, der
auch um Techniken, die zwar von genau diesen zusammen mit Frau Prof. Oligschleger verfasst
Faktoren abhängen, aber eigentlich Rückschlüsse wurde, widmet sich dem Thema der Statistik:
auf andere Eigenschaften gestatten sollen. Dass diese in der Analytik eine beachtliche Rolle
spielt, haben Sie gegebenenfalls nicht nur gleich
Ähnliches gilt für Teil III dieses Buches. Hier im ersten Teil der „Analytischen Chemie I“
werden – mehr als das bisher ohnehin schon der erfahren, sondern auch etwa im dortigen Teil III
Fall war – verschiedene Prinzipien miteinander (in Zusammenhang mit der Güte einer chromato-
kombiniert, sodass Sie neben fortgeschritteneren graphischen Trennung – Stichworte: theoretische
Routine-Techniken der Analytik auch einen etwas Bodenhöhe, Peakbreite, Auflösung etc). Genau
tieferen Einblick in die Bioanalytik erhalten. Hier wie alle anderen Teile der Studienbücher wird
wurden einige Methoden zusammengestellt, bei auch Teil V nicht ausschließlich die zugehörigen
denen bereits behandelte Aspekte vertieft und mathematischen Überlegungen behandeln, son-
vor allem miteinander kombiniert werden. (Soll- dern sich gezielt an den im Rahmen der Ana-
ten Sie sich also während der Lektüre dieses Teils lytik gegebenen Notwendigkeiten orientieren.
bemüßigt fühlen, das eine oder andere Prin- Sie werden also neben entsprechenden grund-
zip noch einmal kurz nachzuschlagen oder sich legenden Prinzipien auch etwas über die Ver-
anderweitig ins Gedächtnis zurückzurufen: nur wendung von Standards in den verschiedenen
zu!) Mit diesen einleitenden Worten will ich Sie Methoden der Analytik erfahren. Warum Sie
keineswegs beunruhigen: Wirklich kompliziert das brauchen? – Mit fast nichts lassen sich leich-
wird es auch in diesem Buchteil nicht. Es geht ter falsche Zusammenhänge konstruieren (oder
hier nur mehr denn je um das Zusammenspiel ableiten) als mit falsch verstandenen bzw. ausge-
unterschiedlicher Techniken, Prinzipien, Ver- wertenen statististischen Daten. Nicht umsonst
fahren und dergleichen mehr. gibt es das schöne (meist Winston Churchill
zugeschriebene) Zitat: „Traue keiner Statistik, die
Wie Sie vielleicht schon bei der Maßanalyse Du nicht selbst gefälscht hast!“ Und genau so, wie
(Teil II der „Analytischen Chemie I“) bemerkt das Ziel der bisherigen Buchteile nicht die Ver-
haben werden, bedient man sich bei der Ana- mittlung reinen Faktenwissens war, sondern das
lytik zunehmend recht komplexer Gerätschaften, Entwickeln eines gewissen Verständnisses für die
bei denen nur allzu leicht die Gefahr besteht, sie jeweils beschriebenen Methoden der Analytik,
als „Black Boxes“ anzusehen und lediglich die wollen wir Ihnen in diesem Buchteil zeigen, dass
davon gelieferten Messwerte zu betrachten (oder auch die mathematischen Werkzeuge zur statisti-
betrachten zu wollen) – schon beim einfachen schen Auswertung von Messwerten kein Selbst-
pH-Meter mag der Gedanke rasch in den Hinter- zweck sind (und auch keine Black Boxes, die wie
grund treten, was eigentlich „chemisch gesehen“ von Zauberhand eine Vielzahl von Einzelwerten
dahintersteckt, wo man doch „nur mal gerade zu einem vernünftigen Ganzen umformen),
eben“ einen pH-Wert bestimmen will, nachdem sondern dass hinter jeder einzelnen Methode
es doch einen so schönen pH-sensitiven Sensor wohldurchdachte Prinzipien und Ideen stecken.
eben gibt. In Teil IV dieses Buches werden Sie Möglicherweise wundern Sie sich, warum die-
ausgewählte weitere in der Analytik gebräuchliche ser Teil so umfangreich ausgefallen ist. Grund ist
Sensoren kennenlernen – aber eben auch den nicht etwa, dass diesem Thema mehr Bedeutung
jeweiligen (physiko-)chemischen Hintergrund beigemessen würde als allen anderen Gebieten
dazu. Ebenso wird dargelegt, wie sich ausgewählte dieses Buches, sondern vielmehr, dass – eben
Methoden miteinander kombinieren lassen (auf damit die verschiedenen Formeln, die Sie hier
dass es auch bei der Lektüre dieses Buchteils hier kennenlernen werden, nicht „vom Himmel fal-
und dort zum gewünschten „Aha!-Effekt“ kom- len“ – in vielen (aber nicht allen) Fällen auch die
men möge). Zudem wird darauf eingegangen, mathematischen Herleitungen eingefügt wur-
welche Vorzüge die zunehmende „Instrumen- den. Diese mögen auf den ersten Blick ein wenig
talisierung“ der Analytik birgt, vor allem in abschreckend wirken (und sind für diejenigen
Kombination mit der computergesteuerten Auto- unter Ihnen, die die Statistik „bloß anwenden
matisierung entsprechender Prozesse. Zugleich wollen“, auch keine Pflichtlektüre), zeigen aber
VII
Vorwort
dafür recht deutlich, welche Überlegungen eigent- Ähnlich, wie die „Analytische Chemie I“ auf den
lich hinter den verschiedenen Methoden der sta- Grundlagen der Allgemeinen, Anorganischen
tistischen Auswertung stecken. Letztendlich gilt und Organischen sowie der Physikalischen
es festzuhalten: Statistik ist kein Zauberwerk, und Chemie aufbaute und damit letztendlich eine
wenn man weiß, was man da eigentlich tut, ist sie Vertiefung und Verknüpfung des bisherigen
auch nicht „nur trockene Mathematik“, sondern Lehrstoffes dargestellt hat, ist auch die „Ana-
ein echtes Werkzeug. Und der Sinn eines jeden lytische Chemie II“ eine Fortführung bereits
Werkzeugs entfaltet sich nun einmal erst in des- vertrauter Prinzipien und Denkansätze. Je häu-
sen Anwendung, weswegen wir zahlreiche Bei- figer Sie das Gefühl haben „Das kenne ich doch
spiele eingeflochten haben. Wir hoffen, Ihnen schon!“, desto besser, und je öfter Ihnen der
einen nützlichen Werkzeugkoffer gepackt zu Gedanke „Ach, so hängt das zusammen!“ durch
haben! den Kopf geht, desto größer ist der Erkenntnis-
gewinn.
Das ganze Vorwort lässt sich kurz zusammen-
fassen: Ein Großteil dessen, was Sie bislang Und nun wünsche ich Ihnen viel Erfolg und bitte
kennengelernt haben, wird Ihnen hier wieder- auch viel Spaß bei der weiteren Reise in die Welt
begegnen, dabei vertieft und miteinander ver- der Analytik!
knüpft.
Ulf Ritgen
„Vertiefung“ und „Verknüpfung“ sind tatsäch-
lich die Schlüsselworte für dieses ganze Buch:
IX
Inhaltsverzeichnis
I Molekülspektroskopie
1 Allgemeines .................................................................................... 5
2 Massenspektrometrie (MS) ................................................................... 7
2.1 Massen .......................................................................................... 8
2.2 Massenspektrometer ............................................................................. 12
2.3 Ionisierungsmethoden ........................................................................... 12
2.4 Fragmentierungen ............................................................................... 16
2.4.1 Bindungsspaltungen .............................................................................. 17
2.4.2 Umlagerungen ................................................................................... 21
2.4.3 Und jetzt einmal Schritt für Schritt ................................................................. 23
3 Kernresonanzspektroskopie (NMR) .......................................................... 27
3.1 Physikalische Grundlagen ........................................................................ 28
3.1.1 Spinzustände im Magnetfeld ...................................................................... 29
3.1.2 Energetische Überlegungen ....................................................................... 30
3.2 Erste NMR-Spektren .............................................................................. 32
3.2.1 Einfluss der Elektronendichte ...................................................................... 33
3.2.2 Multipletts ....................................................................................... 36
3.2.3 Die chemische Verschiebung δ, genauer betrachtet ................................................ 39
3.2.4 Anisotropieeffekte ................................................................................ 44
3.3 1H-NMR .......................................................................................... 46
3.3.1 Chemische Äquivalenz ............................................................................ 47
3.3.2 Kopplungen ...................................................................................... 48
3.4 13C-NMR ......................................................................................... 57
3.4.1 Verschiebungen, Kopplungen, Spektren ........................................................... 57
3.4.2 Zweidimensionale NMR ........................................................................... 61
3.5 Andere nutzbare Kerne ........................................................................... 64
Antworten ....................................................................................... 66
Weiterführende Literatur .......................................................................... 79
II Elektroanalytische Methoden
4 Allgemeines .................................................................................... 85
5 Potentiometrie ................................................................................ 97
5.1 Elektroaktive Analyten ........................................................................... 98
5.1.1 Direktpotentiometrie ............................................................................. 101
5.1.2 Potentiometrische Titrationen ..................................................................... 105
5.2 Ionenselektive Elektroden (ISE) ................................................................... 106
5.2.1 pH-Messung mit der Glaselektrode ................................................................ 106
5.2.2 Weitere ionensensitive Elektroden (ISE) ............................................................ 109
6 Coulometrie .................................................................................... 117
7 Amperometrie ................................................................................. 121
8 Voltammetrie .................................................................................. 125
Antworten ....................................................................................... 132
Weiterführende Literatur .......................................................................... 136
X Inhaltsverzeichnis
III Weitere analytische Verfahren
9 Gravimetrische Analysen ..................................................................... 141
9.1 Elektrogravimetrie ............................................................................... 142
9.2 Thermische Verfahren – Thermogravimetrie (TG) .................................................. 147
10 Thermische Verfahren ........................................................................ 151
10.1 Differentialthermoanalyse ....................................................................... 152
10.2 Kalorimetrie ..................................................................................... 154
11 Einsatz radioaktiver Nuklide ................................................................. 157
11.1 Radiochemische Analyse: Neutronenaktivierungsmethoden ...................................... 159
11.2 Radioaktive Tracer ................................................................................ 161
11.3 Radioaktive Altersbestimmung ................................................................... 163
11.4 Radioimmunoassay (RIA) ......................................................................... 165
12 Fluoreszenz-Verfahren ....................................................................... 175
12.1 Grundlagen der Fluoreszenz – eine kurze Wiederholung und Erweiterung ......................... 176
12.2 Fluoreszenzspektrometrie ........................................................................ 182
12.3 Fluoreszenzmikroskopie ......................................................................... 187
Antworten ....................................................................................... 191
Weiterführende Literatur .......................................................................... 194
IV Sensoren und Automatisierungstechniken
13 Allgemeines zu Sensoren ..................................................................... 201
14 Elektrochemische Sensoren .................................................................. 203
14.1 Klassisch anorganische Sensoren ................................................................. 204
14.2 Amperometrische und voltammetrische Biosensoren ............................................. 208
15 Optische Sensoren (Optoden) ................................................................ 213
15.1 Ein anorganisches Beispiel ....................................................................... 214
15.2 Ein bio-organisches Beispiel ...................................................................... 216
15.3 Ein anorganisches Beispiel in lebenden Zellen .................................................... 216
16 Fließinjektions-Analyse (FIA) ................................................................. 221
Antworten ....................................................................................... 227
Weiterführende Literatur .......................................................................... 228
V Statistik
17 Experimentelle Fehler ........................................................................ 233
18 Statistische Auswertung ...................................................................... 235
18.1 Mittelwert (x̄) .................................................................................... 236
18.2 Standardabweichung (s) ......................................................................... 240
18.3 Vertrauensbereich ............................................................................... 246
19 Fehlerfortpflanzung nach Gauß .............................................................. 249
19.1 Lineare Regression/Ausgleichsgerade ............................................................ 251
19.2 Anpassung von Fit-Parametern für Ausgleichskurven/-parabeln ................................... 255
XI
Inhaltsverzeichnis
20 Messwertverteilung ........................................................................... 259
20.1 Diskrete Gleichverteilungen ...................................................................... 260
20.2 Zweipunktverteilung ............................................................................. 261
20.3 Binomialverteilung ............................................................................... 263
20.4 Hypergeometrische Verteilung ................................................................... 268
20.5 Poisson-Verteilung ............................................................................... 274
20.6 Stetige Gleichverteilung .......................................................................... 278
20.7 Exponentialverteilung ........................................................................... 281
20.8 Gauß’sche Normalverteilung ..................................................................... 283
20.9 Logarithmische Normalverteilung ................................................................ 289
21 Parameterschätzungen ....................................................................... 291
21.1 Chi-Quadrat-Verteilung (χ2-Verteilung) ........................................................... 292
21.2 Student t-Verteilung ............................................................................. 295
21.3 Schätzmethoden ................................................................................. 298
21.4 Maximum-Likelihood-Verfahren. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 302
21.5 Vertrauens- und Konfidenzintervalle für die unbekannten Parameter ϑ einer Verteilung ........... 306
21.6 Parametertests ................................................................................... 314
22 Methodenvalidierung ......................................................................... 325
22.1 Standardzusatz/Standardaddition ................................................................ 326
22.2 Interner Standard und externer Standard ......................................................... 328
23 Ausreißertests ................................................................................. 335
Antworten ....................................................................................... 341
Weiterführende Literatur .......................................................................... 346
Serviceteil
Glossar ........................................................................................... 348
Stichwortverzeichnis .............................................................................. 363