Analytische Chemie 2 an der Technische Universität Wien

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Was versteht man unter Stokes bzw. Anti-Stokes Streuung?

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Erläutern Sie das Prinzip von quantitativen photometrischen Bestimmungsmethoden am Beispiel der Bestimmung der Gesamteisenkonzentration in wässrigen Lösungen.

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Nennen und erläutern Sie drei unterschiedliche mathematische Möglichkeiten, um das Signal-/Rausch-Verhältnis von Daten einer Messung zu verbessern.

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Eignen sich chromatographische und elektrophoretische Verfahren in gleichem Maße zur Miniaturisierung (mit Begründung)?

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Weshalb ändert ein pH-Indikator seine Farbe als Funktion des pH-Werts?

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Welche Lichtquellen werden für Absorptionsmessungen von Atomen und Molekülen im Spektralbereich von 190 nm bis 25 µm (UV-IR) verwendet? Erläutern Sie deren Funktionsweise und benennen Sie deren Einsatzgebiete.

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Beschreiben Sie die apparativen Grundlagen der HPLC (v.a. Injektion, Trennsäulen, Detektion). Gehen Sie dabei besonders auf die verschiedenen Arten von Trennsäulen ein und beschreiben Sie, welche Dimensionen, Morphologie und chemische Beschaffenheit diese haben, und welche Arten der HPLC sich davon ableiten lassen. Diskutieren Sie, über welche Faktoren die Trennung beeinflusst (verbessert bzw. beschleunigt) werden kann für die beiden wichtigsten Modi der HPLC.

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Welche mobilen und welche Stationären Phasen werden bei der DC verwendet?

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Mit welcher Gleichung lässt sich abschätzen, bei welcher Frequenz eine lokalisierte Streckschwingung auftritt?

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Welche Charakteristika besitzt DC und welche Vor- und Nachteile hat sie gegenüber der HPLC?

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Nennen Sie die Voraussetzungen, die erfüllt sein müssen, damit es zur Anregung einer Schwingung in einem Molekül durch elektromagnetische Strahlung im IR-Bereich kommt.

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Analytische Chemie 2

Was versteht man unter Stokes bzw. Anti-Stokes Streuung?

Stokes- und Anti-Stokes-Streuung sind beides Formen der Raman-Streuung. Die Raman-Streuung beschreibt eine inelastische Wechselwirkung von Photonen mit Molekülen, sprich, es kommt zu einer Energieübertragung. Diese ist aber um einiges weniger wahrscheinlich als die Rayleigh-Streuung. Bei einer Raman-Interaktion, sprich einer Wechselwirkung mit Raman-Licht, treten im Raman-Spektrum zusätzlich zur Linie, die von der Rayleigh-Strahlung kommt, noch weitere Linien auf. Diese sind die Stokes’schen und Anti-Stokes’schen Linien, die durch Stokes- und Anti-Stokes-Streuung entstehen. Stokes-Streuung heißt, dass ein Teil der Strahlung beim Zusammenstoß mit dem Molekül Schwingungen anregt, und das Molekül so Energie absorbiert. Das emittierte Photon hat also weniger Energie als das ursprünglich auftreffende Photon. Die Stokesschen Linien erscheinen daher bei kleineren Frequenzen. Die Anti-Stokes-Streuung hingegen kommen daher, dass das emittierte Photon auch noch Schwingungsenergie des Moleküls aufnimmt, also mehr Energie hat, als das ursprünglich auftreffende Photon. Die Anti-Stokesschen Linien sind daher bei höheren Frequenzen.

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Erläutern Sie das Prinzip von quantitativen photometrischen Bestimmungsmethoden am Beispiel der Bestimmung der Gesamteisenkonzentration in wässrigen Lösungen.

Für quantitative photometrische Bestimmungen hat das Lambert-Beer‘sche Gesetz eine große Bedeutung. Über die Abschwächung der Intensität eines Lichtstrahls vor und nach der Probe kann mithilfe des Lambert-Beer‘schen Gesetzes die Konzentration einer Substanz berechnet werden. Zur Bestimmung von z.B. der Gesamteisenkonzentration in einer wässrigen Lösung gibt man zu dieser Lösung 1,10-Phenanthrolin hinzu. Dieses bildet mit Fe2+ einen rot-orangenen Komplex. In diesem Komplex werden Elektronen vom Liganden auf das Zentralkation übertragen, wodurch es sehr starke Übergänge (also ein großes ε) gibt. Die Intensität eines Lichtstrahls wird also vor und nach der Küvette berechnet, und mithilfe des Lambert-Beer‘schen Gesetzes die Eisenkonzentration berechnet. Da Phenanthrolin nur mit Fe2+ reagiert, muss eventuell vorhandenes Fe3+ zuerst reduziert werden.

Analytische Chemie 2

Nennen und erläutern Sie drei unterschiedliche mathematische Möglichkeiten, um das Signal-/Rausch-Verhältnis von Daten einer Messung zu verbessern.

Das SNR kann durch verschiedene mathematische Methoden, also digitalen Filtern, verbessert werden. Beispielsweise kann man eine Fourier-Filterung anwenden, bei der die Originaldaten Fourier-Transformiert werden, digital gefiltert und dann rücktransformiert werden. Man kann aber auch einen gleitenden Mittelwert-Filter verwenden, bei dem innerhalb eines vordefinierten Fensters die Mittelwerte der Signaldaten verwendet werden. Auch Coaddition kann verwendet werden. Hier werden die einzelnen Datensätze coaddiert und gemittelt, um ein besseres SNR zu erzielen.

Analytische Chemie 2

Eignen sich chromatographische und elektrophoretische Verfahren in gleichem Maße zur Miniaturisierung (mit Begründung)?

Nein. Bei chromatographischen Verfahren führt die Miniaturisierung zwangsweise zu einer Verkürzung der Säulenlänge, und so zu einer schlechteren Trennung (wenn der Partikeldurchmesser nicht ebenso reduziert wird). Bei der Elektrophorese hingegen ist die Trennleistung nicht von der Säulenlänge abhängig, die Trennleistung verschlechtert sich daher nicht.

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Weshalb ändert ein pH-Indikator seine Farbe als Funktion des pH-Werts?

Ein Indikator ist häufig eine schwache Säure. Befindet sich der Indikator in einem basischen Milieu, so ist der vollständig deprotoniert, während er im sauren Milieu seine Protonen behält. Durch diese Deprotonierung kommt es zu einer Strukturänderung für den Indikator, manche Indikatoren bilden so auch mesomere Strukturen aus. Die Strukturänderung führt dazu, dass der Indikator nun bei anderen Wellenlängen absorbiert, als vorher. Das heißt auch, dass andere Wellenlängen von Licht reflektiert werden als zuvor. So findet also eine Farbänderung statt.

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Welche Lichtquellen werden für Absorptionsmessungen von Atomen und Molekülen im Spektralbereich von 190 nm bis 25 µm (UV-IR) verwendet? Erläutern Sie deren Funktionsweise und benennen Sie deren Einsatzgebiete.

In der Infrarotspektroskopie werden als Lichtquellen für die MIR Globar oder Nernst-Stifte verwendet. Globars sind Silizium-Kohlenstoffstäbe, welche elektrisch erhitzt werden, um IR- Strahlung zu erzeugen. In der NIR können Quarz- und Halogenlampen verwendet werden. In der FIR werden Hg-Dampf Lampen verwendet. Quecksilberdampflampen sind Gasentladungslampen, sie beinhalten Quecksilber, das wegen des geringen Dampfdrucks auch teilweise gasförmig vorliegt. Fließt durch dieses Gas Strom, wird das Gas ionisiert und Licht entsteht. In der UV-VIS-Spektroskopie hingegen verwendet man Deuterium-Lampen, Wolfram-Halogenlampen oder aber Xenonbogenlampen. Deuteriumlampen sind ebenfalls Gasentladungslampen, mit einem Wolfram-Filament und mit Deuterium als Füllung. Wird Strom angelegt, so findet eine Gasentladung statt und Licht entsteht. Wolfram-Halogenlampen haben auch einen Wolframdraht, der erhitzt wird. Hier leuchtet der Wolframdraht selbst. Bei Wolfram-Halogenlampen setzt man Iod zu, da dies durch Sublimation an den dünnsten Stellen des Drahts die Lebensdauer der Lampe erhöht. Xenonbogenlampen erzeugen intensive Strahlung durch Strom, der im Xenon-Gas zu einer Gasentladung führt.

Analytische Chemie 2

Zweilinienmethode

Neben der Resonanzlinie wird eine zweite Linie ausgewertet, die in Bezug auf die unspezifische Untergrundabsorption konstant absorbiert. Diese wird zur Korrektur verwendet. Hierfür ist ein Spektrometer notwendig, das auf zwei Kanälen gleichzeitig messen kann.

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Beschreiben Sie die apparativen Grundlagen der HPLC (v.a. Injektion, Trennsäulen, Detektion). Gehen Sie dabei besonders auf die verschiedenen Arten von Trennsäulen ein und beschreiben Sie, welche Dimensionen, Morphologie und chemische Beschaffenheit diese haben, und welche Arten der HPLC sich davon ableiten lassen. Diskutieren Sie, über welche Faktoren die Trennung beeinflusst (verbessert bzw. beschleunigt) werden kann für die beiden wichtigsten Modi der HPLC.

Die Apparate der HPLC (high performance liquid chromatography), haben im Allgemeinen ein Elutionsmittelreservoir, von welchem das Elutionsmittel aus durch die Trennsäule gepumpt wird. Hierfür gibt es verschiedene Pumpen. Oft wird hier die Doppel-Kolbenpumpe verwendet, um eine konstante Flussrate zu gewährleisten. Am Anfang der Trennsäule wird die Probe durch Injektion aufgegeben. Die Probenaufgabe erfolgt über ein Sechsweg-Ventil. Dabei wird zuerst die Probenschleife befüllt, und danach die Probe aus der Probenschleife auf die Säule aufgebracht. In der Trennsäule passiert die Trennung. Nach der Trennsäule wird bei einem Detektor detektiert. Die wichtigsten Detektoren sind Brechungsindex-Detektoren, UV/VIS-Detektoren, Fluoreszenzdetektoren und Elektrochemische Detektoren.


Brechungsindex-Detektor: Der Brechungsindex des Analyten wird gemessen. Durch eine Abnahme der Lichtintensität oder einer Verschiebung des Lichtspots an einer photosensitiven Oberfläche wird die Anwesenheit des Analyten registriert.


UV/VIS-Detektor: Ein monochromatischer Lichtstrahl wird wegen Absorption durch die Probe abgeschwächt.


Trennsäulen: Die Trennsäule ist in der HPLC ein entscheidender Faktor. Bei der normalen HPLC befindet sich die stationäre Phase in 10-25 cm langen Stahlsäulen. Partikeldurchmesser sind 3-10 µm. Bei der normal- phase-Chromatographie ist die stationäre Phase polar, häufig wird hier unmodifiziertes Kieselgel verwendet. Häufiger wird jedoch die reversed-phase-Chromatographie verwendet, wo das Laufmittel polar und die stationäre Phase apolar ist. Die Oberfläche des Kieselgels wird mit Alkyl- oder Phenylgruppen chemisch modifiziert.


Die Trennung bei diesen Arten der Chromatographie kann über die Polarität des Laufmittels (je Apolarer das Laufmittel in der NP-Chromatographie, desto größer die Retention, genau umgekehrt bei RP-HPLC) bzw. über die Partikelgröße beeinflusst werden. Kleinere Partikel verbessern die Trennung, verringern aber die Geschwindigkeit. Verwendet man in der Trennsäule ein Gel als stationäre Phase, ist man bei der Gelpermeations- Chromatographie (eine Form der Size Exclusion Chromatography). Hier werden Säulen relativ großer Dimensionen eingesetzt. Das Gel besitzt eine genau definierte Porosität. Bei der Ionenaustauschchromatographie hat die stationäre Phase ionische Ankergruppen an der Oberfläche. Die Trennsäulen haben eher kleiner Innendurchmesser und Länge. Für die Bioaffinitätschromatographie werden spezielle Enzyme an die stationäre Phase gegeben.

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Welche mobilen und welche Stationären Phasen werden bei der DC verwendet?

Bei der DC werden im Normalfall polare stationäre Phasen, z.B. Al2O3 oder Kieselgel (SiO2) verwendet. Für die mobile Phase greift man auf die Eluotrope Reihe zurück, um verschieden polare Lösungsmittel zu verwenden (z.B. Hexan, CCl4, Benzol, Diethylether oder Wasser). Durch die Polarität kann man die Retentionszeiten beeinflussen.

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Mit welcher Gleichung lässt sich abschätzen, bei welcher Frequenz eine lokalisierte Streckschwingung auftritt?

Abschätzen lässt sich dies anhand der Gleichung für harmonische Oszillatoren, nach der Lösung der Differentialgleichung. Unter Einbeziehen von quantenmechanischen Betrachtungen erhält man verschiedene quantenmechanische Schwingungszustände.

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Welche Charakteristika besitzt DC und welche Vor- und Nachteile hat sie gegenüber der HPLC?

Vorteile: • Alle Trennprinzipien realisierbar • Schnelle Trennung • Gute Empfindlichkeit • Zahlreiche Detektionsmöglichkeiten • Qualitative und quantitative Analyse • Minimale Probenvorbereitung

Nachteile: • HPLC ist wesentlich einfacher präparativ verwendbar • Wesentlich leichter, quantitative Information bei der HPLC zu bekommen • Weniger Leistungsfähig als HPLC • Weniger Variationsmöglichkeiten als HPLC

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Nennen Sie die Voraussetzungen, die erfüllt sein müssen, damit es zur Anregung einer Schwingung in einem Molekül durch elektromagnetische Strahlung im IR-Bereich kommt.

Um Schwingungen in Molekülen anzuregen muss die Resonanzbedingung ∆𝐸 = ℎ𝑣 erfüllt sein. Das heißt, das Dipolmoment eines Moleküls muss mit der gleichen Frequenz schwingen wie die eintreffende elektromagnetische Welle. Zusätzlich muss sich aber das Dipolmoment während dieser Schwingung ändern. Wenn das nicht erfüllt ist, können Schwingungen nur im Raman-Spektrum beobachtet werden.

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