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Die qualitative Analyse beschäftigt sich mit dem Nachweis von chemischen Elementen, funktionellen Gruppen oder chemischen Verbindungen. Zum Nachweis werden spezifische, charakteristische Nachweisreaktionen verwendet oder die Verbindungen, Elemente oder funktionellen Gruppen auf instrumentellem Wege nachgewiesen.
Zur Bestimmung von Verbindungen auf instrumentellem Wege lernst du noch ein wenig bei den Themen Strukturaufklärung und Massenspektrometrie hier auf StudySmarter.
Die Frage "Was für ein Stoff, Gegenstand, Nahrungsmittel, Getränk.... ist das?" ist eine uralte Frage, die sich Menschen bereits seit Jahrhunderten stellen. Anschauen, Riechen und Schmecken waren Methoden des damaligen Menschen, um eine Antwort auf diese Frage zu finden. Oftmals mit schweren Folgen für die eigene Gesundheit. Auf der Suche nach besseren Antwortmöglichkeiten auf diese Frage, durch die ersten Alchemist*innen und Chemiker*innen, entstand die qualitative Analyse.
Unter Alchemie (auch Alchimie oder Alchymie) versteht man eine ab dem 1./2. Jahrhundert praktizierte Lehre von Stoffen, deren Eigenschaften und Reaktionen. Sie ist ein Vorläufer der heutigen Chemie und Pharmazie, die sich zwischen dem 17. und 18. Jahrhundert von der Alchemie lösten und sie letztlich ersetzten.
Eine der ersten Methoden zur Unterscheidung von Stoffen war die Einordnung nach der Dichte nach dem Archimedischen Prinzip durch Untertauchen in Wasser. Es gab aber auch bereits erste chemische Nachweismethoden, bevor sich die Chemie überhaupt als Naturwissenschaft etablierte. Die Entdeckung der Salpeter- und Schwefelsäure und des Königswassers als Mischung aus Salz- und Salpetersäure ermöglichte eine Unterscheidung von Silber- und Goldlegierungen. Der Nachweis von in Wasser gelöstem Ammoniak, früher auch Salmiakgeist genannt, erfolgte unter anderem durch in Salpetersäure gelöste Bronze. Die Kupferionen verbinden sich mit dem Ammoniak zu einem tiefblauen Komplex.
Mehr zu Komplexen findest du im StudySmarter Kapitel zur Komplexchemie.
Im Jahr 1685 erfand Robert Boyle den ersten bekannten Analysegang zur Untersuchung der Wasserqualität eines Gewässers ohne Geschmacksproben. Es handelt sich hierbei um einen fünfschrittigen Prozess:
Bei Galläpfeln handelt es sich übrigens um runde Pflanzengallen, also Geschwülste an Pflanzen, die im Herbst an der Unterseite von Eichenblättern durch das Ablegen von befruchteten Eiern von Gallwespen entstehen.
Friedrich Hoffmann erweiterte daraufhin 1703 den Analysegang von Robert Boyle um den Nachweis von Kochsalz mithilfe von Silbernitrat () und den Nachweis von Schwefelverbindungen mit Quecksilber und Quecksilbersalzen. Die Zahl an Reagenzien im Repertoire eines Analytikers stieg rasant mit der Zahl an Nachweisen für chemische Elemente, Ionen oder Verbindungen an. Dies geschah bis zu dem Punkt, an dem es für die damaligen Alchemist*innen nahezu unmöglich war einen guten Überblick über alle Nachweise zu behalten. Im 19. Jahrhundert entwickelte sich aus dieser Problematik schließlich ein Trennsystem für alle wichtige Elemente in einer Probe. Es basiert auf der Trennung der Salze mit bestimmten Fällungsmitteln in Niederschlag und Lösung und ist heute bekannt als der klassische nasschemische Kationentrennungsgang, der auch heutzutage noch an Universitäten gelehrt wird.
Die qualitative anorganische Analyse befasst sich mit der Analyse von anorganischen Stoffgemischen. Hierbei handelt es sich also größtenteils um Gemische von Salzen, Metallen oder wässrige Proben. Dabei werden die Stoffe oder isolierte Teile der Stoffgemische zuerst untersucht nach ihren äußeren Eigenschaften wie Farbe, Beschaffenheit, Kristallform und manchmal sogar auch Geruch und Geschmack, wobei dies aufgrund der möglichen Toxizität einer Probe nicht getan werden sollte.
Nach diesem ersten trivialen Analyseschritt werden sogenannte Vorproben durchgeführt. Hierbei handelt es sich um einfache chemische Reaktionen, die Indizien zur Beschaffenheit der Probe liefern können, jedoch nicht als hinreichender Nachweis für die Stoffe in der Probe gelten, da sie unspezifisch oder störungsanfällig sein können. Mögliche Vorproben in der anorganischen Analyse sind die Vorproben über:
Nachdem diese ersten Analysenschritte durchgeführt wurden, kann zum eigentlichen Trennungsgang übergegangen werden. Hierfür wird zunächst die Probe so gut wie möglich in Lösung gebracht und schwerlösliche Verbindungen, wie viele Silikate, Oxide oder Sulfate, werden über sogenannte Aufschlüsse in lösliche Verbindungen überführt und ebenfalls gelöst. Nun wird der Trennungsgang durchgeführt: Nach und nach werden Teile aus der Lösung ausgefällt und der Niederschlag auf die einzelnen Bestandteile überprüft, indem dieser immer weiter aufgetrennt wird.
Der tatsächliche Trennungsgang ist eigentlich eher Bestandteil eines Chemiestudiums. Falls dich dennoch interessiert, wie dieser grob eingeteilt ist, findest du hier eine Übersicht. Beachte hierbei, dass wir abgetrennte Elemente geschrieben haben, die Elemente jedoch in Form von Ionen auftreten und dabei sogar unterschiedliche Oxidationsstufen haben können. Unsere Schreibweise dient also der Vereinfachung.
Gruppenname | (Fällungs-)Reagenz | abgetrennte Elemente | Prinzip |
Salzsäure-Gruppe | Salzsäure ( | Ag, Hg, Pb | Elemente werden als schwerlösliche Chloride in saurer Lösung gefällt |
Reduktions-Gruppe | Hydrazin ( | Au, Pd, Tl, Pt, Se, Te | Edelmetalle können mit Hydrazin zum Element reduziert und somit gefällt werden |
Schwefelwasserstoff-Gruppe | Schwefelwasserstoff ( | Hg, Pb, Tl, Bi, Cu, Cd, Sb, Sn, Mo, Se, Te, Ge, As | Elemente werden als schwerlösliche Sulfide in saurer Lösung gefällt |
Urotropin-Gruppe | Urotropin ( | Ga, Fe, Cr, In, Al, Be, U, Zr, Ti, La | Elemente werden durch Urotropin ausgefällt und größtenteils in schwerlösliche Hydroxide überführt |
Ammoniumsulfid-Gruppe | Ammoniumsulfid ( | Co, Ni, Zn, Mn | Elemente werden als schwerlösliche Sulfide im alkalischen gefällt |
Ammoniumcarbonat-Gruppe | Ammoniumcarbonat ( | Ba, Sr, Ca, Mg, Li, Na, K | Erdalkalimetalle außer Magnesium werden als schwerlösliche Carbonate gefällt, der Rest bleibt in Lösung zurück |
lösliche Gruppe | Untersuchung der Lösung ohne Fällung | Mg, K, Rb, Cs, Li, Na |
Auch wenn du in der Schule nichts über den nasschemischen Kationentrennungsgang lernst, lernst du ein paar Nachweise für unterschiedliche Elemente kennen, zu denen du auch Artikel auf StudySmarter finden kannst. Darunter findest du die Knallgasprobe zum Nachweis von Wasserstoff, die Glimmspanprobe zum Nachweis von Sauerstoff, die Kalkwasserprobe zum Nachweis von Kohlenstoffdioxid und du lernst, wie Chlorid in Lösung nachgewiesen wird.
Seit Beginn der Forschung in der organischen Chemie wurde nach Möglichkeiten gesucht, Verbindungen und funktionelle Gruppen nachweisen zu können. In diesem Rahmen wurde eine unglaublich große Anzahl an maßgeschneiderten Reagenzien gefunden, um funktionelle Gruppen spezifisch nachweisen zu können. Hierfür werden zunächst die Analysegemische getrennt. Die wichtigsten Möglichkeiten zur Trennung eines Gemisches sind:
Daraufhin werden die folgenden physikalischen Eigenschaften der isolierten Substanz untersucht:
Mithilfe der daraus gewonnenen Informationen und einer Datenbank kann die Auswahl der möglichen Stoffe bereits sehr stark eingeschränkt werden. Weiterhin kann beispielsweise eine Elementaranalyse ausgeführt werden. Hierfür muss zunächst ein Natrium-Aufschluss erfolgen, woraufhin Stickstoff (Lassaigne-Probe), Schwefel (Bleisulfid-Fällung) und Halogene (Fällung mit Silbernitrat) nachgewiesen werden können. Bei Verdacht auf bestimmte funktionelle Gruppen können diese über charakteristische Reaktionen mehr oder weniger nachgewiesen werden. Um eine funktionelle Gruppe wirklich hinreichend identifizieren zu können, muss ein charakteristisches Derivat hergestellt werden.
In der Schule lernst du ebenfalls ein paar Nachweise und Nachweisreagenzien für bestimmte funktionelle Gruppen kennen, zu denen du ebenfalls Artikel auf StudySmarter finden kannst. Zu diesen Nachweisen und Nachweisreagenzien zählen die Nachweise von Mehrfachbindungen, der Nachweis von reduzierenden Zuckern über das Benedict Reagenz, die Fehling Probe und die Tollens Probe, bei denen es sich auch um Nachweise für Aldehyde handelt, und die Nachweise von Aminosäuren über die Biuret-Reaktion und die Ninhydrin-Reaktion.
Bei der qualitativen Analyse geht es darum, welcher Stoff, welche funktionelle Gruppe oder welche Elemente vorliegen. Bei der quantitativen Analyse geht es darum, wie viel von einem Stoff vorliegt. Qualitativ beschreibt also immer die Frage nach dem "was?" und quantitativ beschreibt immer die Frage nach dem "wie viel?".
Es gibt eine unzählbare Anzahl an qualitativen Methoden. Dabei wird unterschieden zwischen der qualitativen anorganischen Analyse und der qualitativen organischen Analyse.
Die Analyse in der Chemie beschreibt eine chemische Untersuchung, bei der ein Stoffgemisch in seine Bestandteile zerlegt wird und diese gezielt untersucht werden. Dabei wird unter anderem auf die Art der Bestandteile, deren physikalische Eigenschaften und deren Menge in der Probe untersucht.
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