Über die qualitative Analyse kannst Du gezielt herausfinden, ob ein bestimmter Stoff vorliegt oder nicht. Beispiele für qualitative Verfahren findest Du auch zahlreich in Deinem Alltag – zum Beispiel, wenn Du zur Arztpraxis gehst und Blut abgibst. Nach ein paar Tagen kehrt Deine Probe aus dem Labor zurück, sodass das medizinische Fachpersonal Deine Blutwerte interpretieren kann.
Hast Du Dich nicht auch schon immer gefragt, was sich da hinter den Kulissen abspielt? Im Grunde wird Dein Blut mit einer Reihe an Experimenten untersucht, die zur qualitativen Analyse aus dem Bereich der analytischen Chemie gehören.
Qualitative Analyse Chemie
"Was für ein Stoff, Gegenstand, Nahrungsmittel, Getränk.... ist das?" – das ist eine uralte Frage, die sich Menschen bereits seit Jahrhunderten stellen. Anschauen, Riechen und Schmecken waren die Methoden des damaligen Menschen, um eine Antwort auf diese Frage zu finden. Oftmals mit schweren Folgen für die eigene Gesundheit.
Durch die Suche nach besseren Antwortmöglichkeiten von den ersten Alchemist*innen und Chemiker*innen entstand mit der Zeit 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.
Qualitative Analyse – Definition
Die qualitative Analyse befasst sich mit der Erforschung chemischer Proben, mit dem Ziel, die darin enthaltenen Elemente und Verbindungen zu benennen.
Die qualitative Analyse beschäftigt sich mit dem Nachweis von chemischen Elementen, funktionellen Gruppen oder chemischen Verbindungen. Zum Nachweis werden charakterisierende Nachweisreaktionen oder instrumentelle Verfahren genutzt.
Diese Nachweise funktionieren auf der Grundlage, dass die Probe ein bestimmtes Verhalten zeigt, wenn Du das Nachweisreagenz zugibst und die entsprechende Substanz enthalten ist. Wenn sich also beispielsweise die Farbe ändert, könnte das ein Hinweis auf einen bestimmten Stoff sein.
Qualitative Analysen werden aber nicht ausschließlich mit chemischen Reaktionen durchgeführt. Zusätzlich können auch simplere Verfahren genutzt werden, wie das Beobachten von Flammenfärbungen. Im Laufe der Geschichte kamen immer ausgefallenere Nachweisverfahren dazu.
Zur Analyse der Flammenfärbungen von Alkali- und Erdalkalimetallen benötigst Du neben Deiner Probe ein Magnesiastäbchen und einen Bunsenbrenner.
Die Geschichte der qualitativen Analyse
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.
So ermöglichte die Entdeckung der Salpeter- und Schwefelsäure und des Königswassers als Mischung aus Salz- und Salpetersäure 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. Dabei verbinden sich die Kupferionen mit dem Ammoniak zu einem tiefblauen Komplex.
Mehr zu Komplexen findest Du im StudySmarter Kapitel zur Komplexchemie.
Historisches Beispiel: Analysegang zur Wasserqualität von Boyle
Im Jahr 1685 erfand Robert Boyle den ersten bekannten Analysegang zur Untersuchung der Wasserqualität eines Gewässers ohne die Durchführung von Geschmacksproben. Es handelt sich hierbei um einen fünfschrittigen Prozess:
- Temperaturmessung und Dichtebestimmung mit einer Waage und einer Volumenmessung
- Bestimmung der Farbe, des Geruchs und der Wirkung auf die Haut
- Bestimmung von makroskopischen Verunreinigungen mit einer Lupe und die Untersuchung von der Wirkung von Luft auf die Wasserprobe
- Untersuchung der Wasserprobe durch die Reaktion mit Galläpfelsaft
- Eisensalz im Wasser: Die Probe wird schwarz
- Kupfersalz im Wasser: Die Probe wird rot und/oder trüb
- Test mit Veilchen- oder Rotkohlsaft
- In diesen Säften befinden sich Anthocyane, bei denen es sich um pH-Indikatoren handelt.
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 (AgNO3) und den Nachweis von Schwefelverbindungen mit Quecksilber und Quecksilbersalzen.
Qualitative Analyse Methoden
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 wurde daher ein Trennsystem für alle wichtigen Elemente in einer Probe entwickelt. Dieser basiert auf der Trennung von Salzen und ist heute bekannt als der klassische nasschemische Kationentrennungsgang, der auch heutzutage noch an Universitäten gelehrt wird. Weiter unten findest Du eine Tabelle mit einer Übersicht zu diesem Verfahren.
Qualitative anorganische Analyse
Im Abschnitt Qualitative Analyse findest Du unter anderem Erklärungen zur 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.
Die qualitative anorganische Analyse befasst sich zusätzlich mit der Analyse von anorganischen Stoffgemischen. Hierbei handelt es sich also größtenteils um Gemische von Salzen oder Metallen und um wässrige Proben. Dabei werden die Stoffe oder isolierte Teile der Stoffgemische zuerst nach ihren äußeren Eigenschaften wie Farbe, Beschaffenheit und Kristallform untersucht.
Nach diesem ersten 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. Als Vorproben in der anorganischen Analyse gelten unter anderem Methoden zur Bestimmung von:
- Löslichkeit
- Verhalten beim Erhitzen
- Färbung von Borax- oder Phosphorsalzperlen
- Flammenfärbung
Die Herstellung von Schmelzperlen aus Borax- oder Phosphorsalz ist eine beliebte Vorprobe zum Nachweis von einigen Elementen wie Kupfer und Chrom. Diese beiden Metalle und viele weitere bilden farbige Salze, sodass Du abschätzen kannst, welche davon sich in der Probe befinden müssen.
Nachdem diese ersten Analyseschritte durchgeführt wurden, kannst Du zum eigentlichen Trennungsgang übergehen. Hierfür wird zunächst die Probe so gut wie möglich in Lösung gebracht. Schwerlösliche Verbindungen, wie viele Silikate, Oxide oder Sulfate, werden über sogenannte Aufschlüsse in lösliche Verbindungen überführt und ebenfalls gelöst.
Dann wird der Trennungsgang durchgeführt: Nach und nach werden Teile aus der Lösung ausgefällt und der Niederschlag auf die einzelnen Bestandteile überprüft.
Zum Kationentrennungsgang findest Du hier eine Übersicht. Beachte hierbei, dass einige der abgetrennten Elemente als Ionen auftreten und dabei sogar unterschiedliche Oxidationsstufen haben können.
Gruppenname | (Fällungs-)Reagenz | abgetrennte Elemente |
Salzsäuregruppe | | Ag, Hg, Pb |
Reduktionsgruppe | Hydrazin (N2H4) | Au, Pd, Tl, Pt, Se, Te |
Schwefelwasserstoffgruppe | Schwefelwasserstoff (H2S) in Salz- oder Essigsäurelösung | Hg, Pb, Tl, Bi, Cu, Cd, Sb, Sn, Mo, Se, Te, Ge, As |
Urotropingruppe | Urotropin (C6H12N4) | Ga, Fe, Cr, In, Al, Be, U, Zr, Ti, La |
Ammoniumsulfidgruppe | Ammoniumsulfid ((NH4)2S) | Co, Ni, Zn, Mn |
Ammoniumcarbonatgruppe | Ammoniumcarbonat ((NH4)2CO3) | Ba, Sr, Ca, Mg, Li, Na, K |
lösliche Gruppe | Untersuchung der Lösung ohne Fällung | Mg, K, Rb, Cs, Li, Na |
Methoden der qualitativen organischen Analyse
Seit Beginn der organischen 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:
Wenn Du mehr zu diesen Themen lesen willst, schau Dir gern die Unterkategorien Trennverfahren und Chromatographie an.
Daraufhin werden die folgenden physikalischen Eigenschaften der isolierten Substanz untersucht:
- Aggregatzustand
- Farbe
- Geruch
- Siede- und Schmelzpunkt
- Brechungsindex
- pH-Wert der Substanz und in wässriger Lösung
Geruchs- oder Geschmacksproben werden bei unbekannten Stoffen nicht mehr durchgeführt. Bei einer unbekannten Probe gibt es keine Informationen über die Giftigkeit, sodass diese Untersuchung schwerwiegende Folgen für die Gesundheit haben könnte.
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.
In der Schule lernst Du ebenfalls ein paar Nachweise und Nachweisreagenzien für bestimmte funktionelle Gruppen kennen, zu denen Du ebenfalls Erklärungen auf StudySmarter finden kannst. Zu diesen Nachweisen und Nachweisreagenzien zählen unter anderem die Nachweise von Mehrfachbindungen und der Nachweis von reduzierenden Zuckern über das Benedict Reagenz. Außerdem kannst Du über die Fehling Probe und die Tollens Probe Aldehyde nachweisen. Der Nachweis von Aminosäuren gelingt Dir über die Biuret-Reaktion und die Ninhydrin-Reaktion.
Qualitative Analyse Chemie - Das Wichtigste
Den ersten bekannten Analysegang entwickelte 1685 Robert Boyle, den Friedrich Hoffmann 1703 erweiterte.
Im 19. Jahrhundert wurde der anorganische nasschemische Kationentrennungsgang entwickelt.
Anorganische Stoffgemische werden in drei Schritten analysiert:
- Untersuchung der Probe nach äußeren Eigenschaften wie Farbe
- Vorproben (zum Beispiel Flammenfärbung)
- Lösen der Probe und Nachweis über den Kationentrennungsgang
- Organische Stoffgemische werden ebenfalls in drei Schritten analysiert:
- Auftrennung des Gemisches (zum Beispiel über (Säulen-)Chromatographie)
- Untersuchen der physikalischen Eigenschaften wie dem Aggregatzustand
- Nachweis der funktionellen Gruppen
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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