Wolltest Du nicht auch schon immer Detektiv*in spielen? In der analytischen Chemie machst Du genau das. Du versuchst den Inhalt einer Probe aufzuschlüsseln oder die Struktur eines Moleküls aufzuklären.
Dazu trittst Du in die Fußstapfen von Sherlock Holmes, denn auch der selbst ernannte Verbrechensbekämpfer aus Großbritannien untersuchte Spuren nicht immer mit seiner Lupe. Damit hätte er kleine chemische Moleküle natürlich schnell übersehen und wäre nie an die Spitze der Londoner Meisterdetektive gelangt.
Was er seinen Mitstreitern voraushatte? Er nutzte Methoden, die heute zur analytischen Chemie gezählt werden. Natürlich haben sich diese Verfahren seither zu ausgefallenen Methoden weiterentwickelt, sodass Du mit ihrer Hilfe die Wahrheit noch schneller und präziser ans Licht bringen wirst.
Analytische Chemie Definition
Die analytische Chemie befasst sich mit der Untersuchung von chemischen Stoffen. Die zu analysierenden Stoffe werden in der analytischen Chemie als Analyten bezeichnet. Es wird zwischen der qualitativen Analyse, der quantitativen Analyse und der Strukturanalytik unterschieden.
Die qualitative Analyse befasst sich mit der Frage "Welcher Stoff liegt vor?", wohingegen die quantitative Analyse untersucht, wie groß die Menge des gesuchten Stoffs ist. Die Strukturanalytik befasst sich mit der molekularen Struktur des vorliegenden Stoffs.
Als klassisches Teilgebiet der Chemie übernimmt die analytische Chemie für alle anderen Bereiche die Untersuchung der im Labor hergestellten Stoffe. Außerdem werden die Methoden der analytischen Chemie unter anderem zur Analyse von Lebensmitteln und medizinischer Proben genutzt. Wie Du siehst, begegnet sie Dir also nicht nur in der Schule oder im Studium, sondern auch im Alltag ziemlich häufig.
Analytische Chemie Grundlagen
Die qualitative und die quantitative Analyse bilden die Grundlage der analytischen Chemie. Zur Untersuchung Deiner Stoffe benutzt Du in beiden Bereichen chemische Methoden und arbeitest "nass-chemisch". In der Praxis bedeutet das, dass Du Deine Probesubstanz zunächst mithilfe einer geeigneten Säure oder einem anderen Lösungsmittel lösen musst. Auf diese Weise kannst Du Deine Probe mit einer Vielzahl an unterschiedlichen Reaktionen testen.
Qualitative Analyse
Die qualitative Analyse befasst sich mit der Frage, welcher Stoff vorliegt. Dazu werden chemische Nachweise angewendet, die jeweils für bestimmte Stoffe oder ganze Stoffgruppen funktionieren. Häufig werden sie unter Zugabe von sogenannten Nachweisreagenzien wie Silbernitrat-Lösung zum Nachweis von Halogenionen durchgeführt.
Allerdings gibt es auch viele Nachweise, die ohne zusätzliche chemische Stoffe auskommen. Dazu gehören unter anderem die Nachweise der typischen Flammenfärbungen von Alkali- und Erdalkalimetallen.
Die typischen Flammenfärbungen der Alkali- und Erdalkalimetalle gelten als qualitative Nachweise. Für diese leicht durchführbare Methode brauchst Du nichts weiter als ein Magnesiastäbchen und einen Gasbrenner.
Die Funktionsweise dieser Nachweise kannst Du Dir so vorstellen, dass die Probe ein bestimmtes Verhalten zeigt, wenn Du das Nachweisreagenz hinzugibst und die entsprechende Substanz enthalten ist. Wenn sich die Probe unter Zugabe eines Nachweisreagenz nicht verändert, liegt der Stoff nicht vor.
Im Fall des Halogennachweises mit Silbernitratlösung, bildet sich beispielsweise ein farbloser Feststoff, wenn Chloridionen vorhanden sind. Bei Bromidionen hingegen setzt sich ein gelber Feststoff ab.
Weitere Nachweisbeispiele für Stoffe, die sich in Lösung befinden, sind:
- das Benedict Reagenz, die Fehling-Probe und die Tollens-Probe zum Nachweis von reduzierenden Zuckern,
- der Nachweis von Mehrfachbindungen mit Bromwasser oder Kaliumpermanganat,
- und der Nachweis von Aminosäuren mit Ninhydrin.
Qualitative Nachweise werden aber nicht immer in Lösung durchgeführt. Auch durch die Analyse der entstehenden Gase kannst Du Rückschlüsse über die enthaltenen Substanzen ziehen.
Wichtige chemische Gasnachweise sind:
- die Knallgasprobe als Wasserstoffnachweis,
- die Glimmspanprobe als Sauerstoffnachweis
- und die Kalkwasserprobe als Nachweis für Kohlenstoffdioxid.
Einen dieser Nachweise kannst Du Dir hier genauer anschauen. In Abbildung 1 siehst Du, wie die Glimmspanprobe abläuft. Im ersten Schritt entzündest Du den Holzspan und verschließt das Reaktionsgefäß, damit kein Sauerstoff reingelangt. Anschließend pustest Du im zweiten Schritt die Flamme wieder aus und hältst den glühenden Holzspan in das Reaktionsgefäß. Sollte sich der Holzspan im dritten Schritt wieder entzünden, liegt Sauerstoff in der Probe vor.
Abbildung 1: Glimmspanprobe in drei Schritten
Was ist aber, wenn Du nicht nur eine Substanz in Deiner Probe nachweisen, sondern ihre ganze Zusammensetzung aufschlüsseln willst? Dann kannst Du einen Trennungsgang durchführen, mit dem Du mehrere Nachweise hintereinander durchführst.
Trennungsgang: Zur Aufschlüsselung einer ganzen Probe
Stell Dir vor, Du bekommst eine Probe in die Hand gedrückt und musst herausfinden, welche Elemente und Moleküle darin enthalten sind. Bei so vielen Möglichkeiten könntest Du schnell den Überblick verlieren. Außerdem ist es nicht sinnvoll, wild Nachweisreagenzien auf Deine Probe zu kippen.
Damit Du strukturiert die Elemente Deiner Probe analysieren kannst, solltest Du einen sogenannten Trennungsgang benutzen. Dieser besteht aus einer Vielzahl an Reaktionen, die jeweils aufeinander abgestimmt sind und in einer bestimmten Reihenfolge gemacht werden sollen. Auf diese Weise behindern sich die Reaktionen nicht gegenseitig und Du bekommst ein wahrheitsgetreues Ergebnis.
So kannst Du mithilfe eines Trennungsgangs nach und nach das Periodensystem durchgehen und erhältst Hinweise auf die in Deiner Probe enthaltenen Elemente.
Quantitative Analyse
Die quantitative Analyse befasst sich mit der Frage, wie groß die Menge eines Stoffs ist. Eine wichtige Methode aus diesem Teilgebiet der analytischen Chemie kennst Du bereits von Dir zu Hause: das Wiegen. Auch unter Analytiker*innen kann in einigen Fällen die Menge eines Stoffs auf diese Weise ermittelt werden. Ein wichtiges Verfahren aus der analytischen Chemie, das nach diesem Prinzip funktioniert, ist die Gravimetrie.
Um ein besonders aussagekräftiges Ergebnis zu erhalten, wird der Analyt bei diesem Verfahren zunächst in eine definierte Verbindung umgewandelt, dessen Gewicht man genau kennt. Mehr dazu findest Du in der entsprechenden Erklärung in der Rubrik analytische Chemie.
Oft liegen Moleküle allerdings in flüssiger Form vor. In diesen Fällen wirst Du zunächst die Konzentration eines Stoffs rausfinden müssen. Zu diesem Zweck kannst Du die Volumetrie, Titration und die Photometrie benutzen.
Die Volumetrie ist der Überbegriff für verschiedene Methoden zur Bestimmung der Menge des gesuchten Stoffs. Wie Du vom Namen ableiten kannst, arbeitest Du bei diesen Verfahren immer mit Volumina. Ein Beispiel für ein Verfahren aus der Volumetrie ist die Titration.
Bei der Titration wird ein Stoff bekannter Konzentration (Maßlösung) mit einem Stoff unbekannter Konzentration (Probelösung) versetzt. Auf diese Weise kannst Du durch die Menge an verbrauchter Maßlösung auf die Konzentration der Probelösung schließen. Mithilfe der Konzentration kannst Du anschließend leicht die Stoffmenge berechnen.
Das wohl bekannteste Beispiel für eine Titration ist die Neutralisationsreaktion von Natronlauge (NaOH) und Salzsäure (HCl). Die Reaktionsgleichung zu dieser Reaktion sieht so aus:
Weil hierbei eine Säure und eine Base miteinander reagieren, wird dieses Verfahren auch Säure-Base-Titration genannt. Das Ziel ist, eine neutrale Lösung mit einem pH-Wert von 7 zu erhalten. Damit Du diesen Punkt genau triffst, benutzt Du einen Indikator, der Dir über seine Farbe den pH-Wert zeigt.
Wie die Titration und das mit dem pH-Wert genau funktioniert, erfährst Du in den entsprechenden Erklärungen unter analytische Chemie.
Das letzte wichtige Verfahren aus diesem Bereich ist die Photometrie. Bei diesem Verfahren wird ein Lichtstrahl auf die Probe gerichtet und analysiert, wie hoch die Intensität dieses Strahls ist, nachdem sie den Stoff durchdrungen hat. Wenn Du diesen Wert mit der ursprünglichen Intensität des Lichtstrahls vergleichst, kannst Du über das Lambert-Beersche Gesetz herausfinden, wie hoch die Konzentration der Probe ist.
Wenn Du mehr zu dieser spannenden Analysemethode und zum Lambert-Beerschen Gesetz lernen willst, schau Dir gern die Erklärung zur Photometrie an.
Instrumentelle Analytische Chemie
Die moderne analytische Chemie arbeitet immer häufiger mit großen Apparaturen, mit denen sich Stoffe trennen und atomgenau analysieren lassen. Diese Verfahren basieren allerdings nicht mehr auf nass-chemischen Methoden, sondern kommen streng genommen aus der Physik. Anstatt chemischer Reaktionen benutzt Du in der instrumentellen Analytik häufig elektromagnetische Strahlung oder versuchst, Stoffe mit unterschiedlichen Siedepunkten voneinander zu trennen.
Strukturaufklärung
Für die besondere Funktion oder außergewöhnlichen Eigenschaften einer Verbindung ist oftmals die Struktur eines Moleküls von Bedeutung. Die Strukturaufklärung benutzt viele instrumentelle Methoden, um auf die Struktur eines Stoffs zu schließen. Dabei hat jede Methode der instrumentellen analytischen Chemie ihre Stärken und Schwächen.
Heutzutage sind die wichtigsten Methoden zur Strukturaufklärung unter anderem die UV/VIS-Spektroskopie, die IR- sowie die Raman-Spektroskopie, die NMR-Spektroskopie und die Massenspektrometrie.
Besonders die beiden letzten Verfahren sind aus der modernen Chemie nicht mehr wegzudenken. Mithilfe der Massenspektrometrie kannst Du die Zusammensetzung Deiner Probe genau bestimmen. Bei dieser Methode benutzt Du eine Ionenquelle, mithilfe derer Du Deine Probe zunächst ionisierst. Das ist notwendig für den nächsten Schritt: Die entstandenen Ionen werden mithilfe eines Magneten abgelenkt und anhand ihres Gewichts analysiert.
Jedes Molekül zerfällt während der Ionisation in typische Fragmente, die Du dann am Computer sehen und auswerten kannst. Außerdem haben die Ionen der verschiedenen Elemente natürlich ebenfalls ein charakteristisches Gewicht.
Du findest das Thema Massenspektrometrie spannend? Dann schau Dir unbedingt die entsprechende Erklärung dazu an.
Die NMR-Spektroskopie ist eine wunderbare Ergänzung zur Massenspektrometrie und vor allem in der organischen Chemie häufig der erste Schritt zur Strukturaufklärung eines Moleküls. Bei diesem Verfahren wird die Probe zunächst in einen großen Elektromagneten eingeführt. Beim meist üblichen 1H-NMR-Versuch regt dieser Elektromagnet dabei die Atomkerne der Wasserstoffatome eines Moleküls an.
Mithilfe der Daten, die Dir Dein NMR-Gerät liefert, kannst Du anschließend am Computer sehen, wo sich an Deinem Molekül Wasserstoffatome befinden und wie diese mit den Kohlenstoffatomen verbunden sind.
Wusstest Du schon, dass auch die Magnetresonanztomographie (MRT) nach diesem Prinzip funktioniert? Wie Du siehst, finden sich viele Analysemethoden aus der Chemie und Physik auch in Deinem Alltag und in der Medizin Anwendung.
Wenn Du mehr zur NMR-Spektroskopie und zu den anderen Methoden zur Strukturaufklärung lernen willst, schau Dir gern die Erklärungen dazu an.
Trennmethoden
Damit Stoffgemische untersucht werden können, müssen diese zuerst aufgetrennt und aufgereinigt werden. Ohne diesen Schritt würden die eben genannten Nachweismethoden gar nicht erst funktionieren oder ungenaue Ergebnisse liefern.
Die wichtigsten Trennmethoden aus der analytischen Chemie sind die Destillation, die Filtration, das Sublimieren und Resublimieren sowie die Chromatographie. All diese Verfahren nutzen die physikalischen Eigenschaften der unterschiedlichen Moleküle, um diese voneinander zu trennen.
Bei der Destillation machst Du Dir die verschiedenen Siedepunkte der Stoffe in einem Gemisch zunutze. Dazu erhitzt Du Deine Probe ein paar Grad über die Siedetemperatur des leichter verdampfenden Stoffs und fängst diesen mithilfe einer Kühlapparatur in einem anderen Behälter auf. Das Sublimieren und Resublimieren funktioniert ähnlich, wobei Du hier keine Flüssigkeit, sondern einen Feststoff verdampfst.
Eine weitere wichtige Kategorie von Trennmethoden ist die Chromatographie. Bei chromatographischen Verfahren werden Stoffe anhand ihres unterschiedlichen Haftungsvermögens voneinander getrennt. Das Ganze kannst Du Dir so vorstellen: Durch ihre verschiedenen Elektronenverteilungen und Größen haften die Moleküle unterschiedlich stark an anderen Stoffen.
Diese Tatsache machst Du Dir also zunutze und schickst Deine Probelösung (mobile Phase) durch die sogenannte stationäre Phase, die einen polaren Stoff enthält. Aufgrund der unterschiedlichen physikalischen Eigenschaften Deiner Moleküle gelangen diese verschieden schnell durch die stationäre Phase. Dadurch hast Du ausreichend Zeit, um Deine Moleküle getrennt voneinander aufzufangen.
Polare Stoffe bestehen aus Molekülen, die ein permanentes elektrisches Dipolmoment haben. Die Ursache dafür ist die unterschiedlich hohe Elektronegativität der eingebauten Atome. Ein Beispiel für ein solches Molekül ist Wasser, da der Sauerstoff eine viel niedrigere Elektronegativität hat als Wasserstoff.
Deine mobile Phase kannst Du zu diesem Zweck zur Durchführung einer Gaschromatographie zum Beispiel verdampfen. Alternativ kannst Du sie aber auch flüssig über eine Säulenchromatographie oder eine HPLC (engl. High-Performance Liquid Chromatography) analysieren.
Spannendes Thema, nicht wahr? Wenn Du mehr zu den Trennmethoden lesen willst, schau Dir unbedingt die Erklärung dazu an. Außerdem lernst Du auf StudySmarter vertiefend etwas über die Gaschromatographie, die zur Auftrennung von Gemischen häufig vor moderne Nachweismethoden wie die Massenspektrometrie geschaltet wird.
Analytischen Chemie – Bedeutung
Die analytische Chemie ist aus chemischer Sicht aus vielen Gründen sehr wichtig. Nach einer Synthese muss beispielsweise überprüft werden, ob es sich überhaupt um den Stoff handelt, der synthetisiert werden sollte. Zudem kannst Du herausfinden, wie rein der Stoff ist, wenn es beispielsweise um die Herstellung eines Medikaments geht.
Die analytische Chemie hat aber noch viele weitere Anwendungsgebiete. Zum Beispiel werden die hier beschriebenen Methoden in der Umweltanalytik zur Analyse von Bodenproben genutzt.
In der Forensik nutzen Gerichtsmediziner*innen viele dieser Verfahren aus der analytischen Chemie zum Nachweis von Giftstoffen und damit zur Aufklärung von Mordfällen. In gewisser Weise kannst Du also auch Sherlock Holmes als chemischen Analytiker bezeichnen, wobei dieser, wie viele Romanfiguren, eine Reihe an nützlichen Fähigkeiten hatte.
Wie Du siehst, ist die analytische Chemie aus unserem Leben nicht mehr wegzudenken, weswegen sich sogar ganze Chemielabors nur mit dem Analysieren von Proben beschäftigen. Mit ihren wichtigen Fähigkeiten machen moderne Analytiker*innen die Welt zu einem sichereren Ort.
Analytische Chemie – Das Wichtigste
- Die analytische Chemie befasst sich mit der Analyse von chemischen Stoffen. Dabei stehen drei zentrale Fragen im Vordergrund:
- Welcher Stoff liegt vor? (Qualitative Analyse)
- Wie viel liegt von dem Stoff vor? (Quantitative Analyse)
- Wie sieht die Struktur des Stoffs aus? (Strukturanalyse)
- Die wichtigsten Grundlagen in der analytischen Chemie sind:
- Grundlegende Nachweisreaktionen der qualitativen Analyse anwenden können und verstehen
- Die vier zentralen Verfahren der quantitativen Analyse beherrschen
- Wichtige Verfahren der Strukturaufklärung benennen können
- Die zentralen Trennmethoden in der Chemie benennen und anwenden können
Nachweise
- J. Blasius et al. (2006). Lehrbuch der analytischen und präparativen anorganischen Chemie, 16. Auflage. Hirzel.
- Otto. (2006). Analytische Chemie, 3. Auflage. Wiley-VCH.
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