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Analytische ChemieGrundlagen, Methoden und Praxis

Dritte, überarbeitete und aktualisierte Auflage

Georg Schwedt, Torsten C. Schmidt und Oliver J. Schmitz

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Georg Schwedt, TorstenC. Schmidtund Oliver J. Schmitz

Analytische Chemie

Georg Schwedt, TorstenC. Schmidt und Oliver J. Schmitz

Analytische Chemie

Grundlagen, Methoden und Praxis

Dritte, überarbeitete und aktualisierte Auflage

Autoren

Georg SchwedtLärchenstr. 2153117 Bonn

Torsten C. SchmidtUniversität Duisburg-EssenInstrumentelle Analytische ChemieUniversitätsstr. 545141 Essen

Oliver J. SchmitzUniversität Duisburg-EssenAngewandte Analytische ChemieUniversitätsstr. 545141 Essen

3. Auflage 2016

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Print ISBN 978-3-527-34082-8ePDF ISBN 978-3-527-69879-0ePub ISBN 978-3-527-69877-6Mobi ISBN 978-3-527-69878-3

Gedruckt auf säurefreiem Papier.

V

Inhaltsverzeichnis

Vorwort zur 3. Auflage IX

Vorwort zur 2. Auflage XI

Vorwort zur 1. Auflage: Das Konzept XIII

1 Allgemeine und theoretische Grundlagen 11.1 Analytische Chemie heute 11.2 Von der Problemstellung zur Analysenstrategie 111.3 Der analytische Prozess und die Qualitätssicherung der Ergebnisse 241.4 Computergestützte analytische Chemie: Chemometrik und

Expertensysteme 42Literatur 59Aufgaben 61

2 Probenvorbereitung 632.1 Probennahme und Probenstabilisierung 632.2 Aufschlussmethoden 712.3 Matrixeliminierung und Analytanreicherung 79

Literatur 93Aufgaben 95

3 Chemische Analysenmethoden 973.1 Gravimetrie 973.2 Maßanalyse (Titrimetrie) 1043.3 Kinetische Analyse 1163.4 Enzymatische Analyse 1253.5 Immunchemische Analyse 1313.6 Polymerase Chain Reaction (PCR) 139


4 Elektrochemische Analysenmethoden 1454.1 Einführung und Überblick 1454.2 Konduktometrie 148

VI Inhaltsverzeichnis

4.3 Potenziometrie 1544.4 Elektrolyse/Elektrogravimetrie 1704.5 Coulometrie 1754.6 Polarografie, Voltammetrie und Amperometrie 181


5 Thermische Analysenmethoden 2015.1 Einführung und Überblick 2015.2 Thermogravimetrie 2045.3 Differenz-Thermoanalyse 2085.4 Dynamische Differenz-Kalorimetrie 215


6 Atomspektroskopische Methoden 2236.1 Einführung und Überblick 2236.2 Atomabsorptions-Spektrometrie 2316.3 Optische Atomemissions-Spektrometrie 2446.4 Röntgenfluoreszenzanalyse 256


7 Molekülspektrometrische Methoden 2737.1 Einführung und Überblick 2737.2 UV/VIS-Spektrometrie 2777.2.1 Spektralfotometrie 2777.2.2 Fluorimetrie 2877.3 Infrarot- und Raman-Spektrometrie 2937.4 Kernmagnetische Resonanz-Spektrometrie 3087.5 Massenspektrometrie 320


8 Radiometrische Analysenmethoden 3478.1 Einführung und Überblick 3478.2 Aktivierungsanalyse 3518.3 Tracer- und Isotopenverdünnungsanalyse 359


9 Physikalisch-chemische Trennmethoden 3699.1 Einführung und Überblick 3699.2 Verteilungsmethoden: Adsorption, Ionenaustausch und Extraktion 3729.3 Chromatografische Trennmethoden – Systematik und Theorien 3849.3.1 Dünnschicht-Chromatografie 3979.3.2 Säulen-Flüssigkeits-Chromatografie 410

VIIInhaltsverzeichnis

9.3.3 Chromatografie mit überkritischen Phasen 4279.3.4 Gas-Chromatografie 4339.4 Elektrophoretische Trennmethoden 451


10 Spezielle Methoden und Anwendungsgebiete 47910.1 Einführung und Überblick 47910.2 Chemische und biochemische Sensoren 48110.3 Automatisierung von Analysenverfahren 49110.4 Prozessanalytik 50410.5 Strukturanalyse mit Beugungsmethoden 51210.6 Mikrostrahl- und Oberflächenanalytik 523


Stichwortverzeichnis 537

IX

Vorwort zur 3. Auflage

Für die 3. Auflage meines Lehrbuches – zehn Jahre nach dem Erscheinen der 2. Auf-lage – konnte ich meine Kollegen Torsten C. Schmidt und Oliver J. Schmitz von derUniversität Duisburg-Essen für die Mitarbeit an wesentlichen Kapiteln gewinnen, fürdie infolge der methodischen und technologischen Entwicklungen eine Aktualisierungerforderlichwar. So wurden vonOliver J. Schmitz hauptsächlichdie Kapitel über Quali-tätssicherung, Massenspektrometrie, chromatografische Trennverfahren und elektro-phoretische Trennverfahren überarbeitet. Torsten Schmidt hat vor allem das Kapitelzur Probenvorbereitung aktualisiert und das Grundlagenkapitel ergänzt. Das Charak-teristikum des Lehrbuches ist auch in der 3. Auflage die Verbindung von Grundlagen,Methoden und Praxis für dasMasterstudium und darüber hinaus auch für die Tätigkeiteines analytischen Chemikers nach dem Studium. Kapitel, in denen sich in der Anwen-dung zwar die apparativen Techniken – vor allem in der Software –, jedoch nicht diegrundlegenden Methoden und Verfahren geändert haben, blieben in ihrer ursprüngli-chen Form bestehen.

Bonn und Essen, Georg Schwedt, Torsten C. Schmidt, Oliver J. Schmitzim Oktober 2016

XI

Vorwort zur 2. Auflage

Das vorliegende Lehrbuch für Analytische Chemie erschien erstmals 1995 im GeorgThiemeVerlag, Stuttgart. Die großeNachfragenach diesemBuchmachten im Jahr 2004einen Nachdruck erforderlich.Die nun erscheinendeNeuauflage beinhaltet einigewesentlicheÄnderungen. Sowur-

de die 3. Auflage um jüngere Methoden wie MALDI-TOF, einer massenspektrometri-schen Methode, die insbesondere zur Analyse von Biomolekülen eingesetzt wird, dieLaser-Spektrometrie, die Lab-on-a-Chip-Technologie, die sichmit der Entwicklung vonminiaturisierten Analysensystemen beschäftigt, sowie der Bioanalytik ergänzt.Die bereits in der 1. Auflage umfangreichen Literaturangaben wurden aktualisiert

und um die neuesten Monographien erweitert.Zusätzlich erhielt jedes Kapitel eine Erweiterung durch den Abschnitt Aufgaben.Sie

verfolgen den Zweck einer Eigenkontrolle nach dem Studium der einzelnen Methodenbzw. Kapitel.Die Neuauflage der Analytischen Chemie wendet sich an die Studenten der Chemie

im Master-Studiengang. In gleichemMaße profitieren aber auch die in der instrumen-tellen Analytik tätigen Wissenschaftler und fortgeschrittenen Studenten sowie Dokto-randen aus Nachbardisziplinen, z. B. aus den Material-, Umwelt- und Biowissenschaf-ten von diesem Lehrbuch.

Bonn, im Sommer 2007 Georg Schwedt

XIII

Vorwort zur 1. Auflage: Das Konzept

Ergebnisse chemischer Analysen bilden in unserer Zeit häufig die Grundlage für tech-nologische, juristische, politische und medizinische Entscheidungen. Die chemischeAnalytik wird in allen Bereichen der experimentellen Naturwissenschaften, der Tech-nologie und der Medizin benötigt.An den Hochschulen ist das Fach Analytische Chemie historisch aus der Anorgani-

schen Chemie hervorgegangen und bis heute oft noch ein Teilgebiet der Anorganik.Mit den Fortschritteninder instrumentellen Analytik und den steigenden Anforderun-gen hat die chemische Analytik jedoch eine Ausweitung erfahren, die eine eigene Me-thodik und damit Selbstständigkeit verlangt. Zahlreiche Analysenmethoden lassen sichsowohl zur Analytik anorganischer als auch organischer Stoffe einsetzen, sodass eineAnbindung an eines der so genannten Kernfächer des Chemiestudiums nicht sinnvollerscheint.Dieses Lehrbuch für Fortgeschrittene geht von den Grundkenntnissen der Anorga-

nischen, Organischen und Physikalischen Chemie aus. Es soll unter Verweisung aufdieentsprechenden Teilgebiete die für die Praxis erforderlichenKenntnisse der Methodenchemischer Analytik, derenGrundlagen und Anwendung und die kritische Beurteilung– auch im Vergleich zu anderen Methoden – vermitteln. Es umfasst die klassischenMethoden der Analytischen Chemie, die nasschemische Analytik und die der instru-mentellen Analytik und hat außerdem speziell die Aufgabe, den Chemiker und andereNaturwissenschaftler in das chemisch-analytische Denken einzuführen.Bei der Konzeption des Lehrbuches wurde besondererWert daraufgelegt, einen sys-

tematischen Überblick über die wichtigsten, d. h. auch über die am häufigsten ange-wendeten Analysenmethoden zu vermitteln. Es wird aufdiese Weise versucht, die Dis-krepanz zwischen der bisher noch üblichen, historisch bedingten Art der Hochschul-ausbildung und der Berufswirklichkeit zu verringern.Der Aufbau eines jeden Kapitels wurde streng nach folgenden Gesichtspunkten und

mit jeweils speziellen Zielsetzungen vorgenommen:Eine ersteOrientierung zurAnalysenmethode (bzw. -methodik) gibt einKonzentrat desInhaltes durch vorangestellte Stichworte. Die Kapitel sind in die Abschnitte Grundla-gen und Analytische Praxis unterteilt. Sie bestehen aus einem fortlaufenden Text ohneeingeschobene Gleichungen oder Formeln, aus Tabellen (für die wichtigsten Gleichun-gen und Formeln, Daten zu Grundlagen und Anwendungen) und aus Abbildungen, diezum Teil aus dem 1992 erschienenen Taschenatlas der Analytik übertragen wurden.Um die Wurzeln und die heutige Stellung der Methode zu verdeutlichen wurde ein

Abschnitt Historisches mit den wesentlichen Informationen eingefügt. Im Abschnitt

XIV Vorwort zur 1. Auflage: Das Konzept

Grundlagen übernehmen kurze Definitionen bzw. Texte zur Terminologie und zumPrinzip der Methoden, mit tabellarischen Zusammenstellungen der wichtigsten Glei-chungen und Formeln, die Aufgabe einer Einführung, wobei bei allgemeinen, nicht spe-ziell analytischen Gesetzmäßigkeiten aufentsprechende Lehrbücher der PhysikalischenChemie (bzw. Anorganischen und Organischen Chemie) verwiesen wird. Analytisch-chemische Besonderheiten werden dagegen ausführlicher und betont herausgestellt.Ausführungen zurGerätetechnik und analytischenVerfahren imAbschnitt AnalytischePraxis sollen die Verbindung zur anwendungsbezogenen, problemorientiertenAnalytikmittels der vorgestellten Methode herstellen.EineHinführung des Lesers zu den Referatezeitschriften und denOriginalpublikatio-

nen ist ein weiteres wesentlichesAnliegen dieses Lehrbuches. Unter derÜberschrift Li-teratursuche werden Hinweise für gezielte eigene Literaturrecherchen gegeben. Als Li-teratur am Ende eines jeden Kapitels werden vor allemMonographien der letzten zehnJahre aufgeführt. Originalarbeiten zum neuesten Stand einer Methode lassen sich an-hand der Hinweise zur Literatursuche selbst erschließen. Sie werden in Einzelfällen nurdann genannt, wenn sie in den bisher erschienenen Spezialmonographien noch nichtgenügend berücksichtigt bzw. im Lehrbuch speziell zitiert wurden.Mit dieser Form der Darstellung werden folgende Hauptziele verfolgt:

∙ Der Leser soll einen systematischen Überblick über die Methoden, deren theore-tische Grundlagen, über deren Stellung innerhalb der chemischen Analytik sowiederen Anwendbarkeit zur stofforientierten Problemlösung gewinnen.

∙ Durch die analytisch betonten Ausführungen, dieHinweiseaufVerknüpfungen mitanderenMethoden, die ähnliche oder ergänzende analytische Informationen liefernkönnen, wird versucht, Ansätze für eine spezifisch analytisch-chemische Denk- undBetrachtungsweise zu vermitteln, die aufden chemischen Grundkenntnissen der so-genannten Kernfächer aufbaut.

∙ Die Hervorhebung der Literatursuche verfolgt den Zweck, den Benutzer des Lehr-buches möglichst direkt mit der Originalliteratur in Kontakt zu bringen und auchdem Nichtchemiker einen Einstieg in die spezielle Fachliteratur zu erleichtern. DieUneinheitlichkeit in den Dokumentationssystemen der verschiedenen Referatezeit-schriften ließ in vielen Fällen die differenzierte Aufführung der analytisch relevantenSchlüsselwörter (key words) sinnvoll erscheinen.

Das Kapitel 1 Allgemeine und theoretischeGrundlagen behandelt vor allem den Stel-lenwert der Analytischen Chemie heute, die konzeptionellenAnsätze von der Problem-stellung bis zur Analysenstrategie, die analytische Qualitätssicherungund die anBedeu-tung gewinnende computergestützte Analytische Chemie, speziell die Verfahren derDatenauswertung und Bewertung zumBeispielmit uni- undmultivariaten statistischenMethoden.Der über die Qualität des analytischen Ergebnisses entscheidenden Probenvorberei-

tung ist ein spezielles Kapitel gewidmet, welches die Teilschritte von der Probennahmebis zur Probenaufbereitung vor der eigentlichen Analyse bzw. den Messungen praxis-nah vorstellt.Daran schließen sich die Kapitel über Bestimmungsmethoden und dann erst Trenn-

methoden an, die stets eine der zuvor behandelten Bestimmungsmethoden zur Detekti-on benötigen. Im abschließenden Kapitel SpezielleMethoden und Anwendungsgebietewerden die in den vorausgehenden Kapiteln gewonnenen Kenntnisse über die einzel-

XVVorwort zur 1. Auflage: Das Konzept

nen Analysenmethoden für vorgegebene Bereiche der Struktur- und Gehaltsanalytikweiter vertieft und auch ergänzt.Das Lehrbuch wendet sich nicht nur an Studenten der Chemie an Fachhochschulen

und an wissenschaftlichen Hochschulen, die als Wahl-oder Wahlpflichtfach die Ana-lytischeChemiegewählt haben, sondern auch an alle anderen Studenten experimen-tell/technischer Wissenschaften, die sich mit der chemischen Analytik, z. B. im Rah-men der Umwelt- und Materialforschung,beschäftigen wollen. Durch die Ausweitungdes Stoffes auf zahlreiche Beispiele aus der Anwendung in der stofforientiertenAnalytiksoll das Buch auch den analytisch tätigen Naturwissenschaftler und Ingenieur anspre-chen, der nicht aufgrund seines Studiums bereits über die erforderlichen Grundlagen-und Methodenkenntnisse verfügt.

Clausthal, im Frühjahr 1995 Georg Schwedt

1

1Allgemeine und theoretische Grundlagen

1.1Analytische Chemie heute

Inhalt

Die historischen Anfänge. Definitionender Analytischen Chemie. Stellenwert inWissenschaft und Gesellschaft. Bedeu-tung der Spurenanalytik. Eurocurriculum,Studiengruppe Education in AnalyticalChemistry der Working Party of Analyti-cal Chemistry von 1992. Analytik in Ge-setzen, Verordnungen und Normen. Lite-ratursuche: Fachzeitschriften, Abstracts,Computerrecherchen und elektronischeBibliotheken.

Die historischenAnfänge

Zu Beginn seiner „Geschichte der Analy-tischen Chemie“ (1966) schreibt der Che-miehistoriker Ferenc Szabadváry dass, dieältesten analytischen Kenntnisse, die Ver-fahren der Goldprüfung auf „trockenemWege“ (durch Schmelzen im Ofen), be-reits im Alten Testament der Bibel anmehreren Stellen nachzulesen seien. DieErarbeitung der Analyse habe stets amAnfang jeder Entwicklung in der Che-mie gestanden. Zuerst hätten die Stof-fe untersucht werden müssen, bevor ir-gendwelche Gesetzmäßigkeiten gefundenwerden konnten. Erst ab einem gewis-sen Stand der analytischen Kenntnissehätten auch Fortschritte in der Chemie

erzielt werden können. Reinheitsprüfun-gen, z. B. von Grünspan auf Verfälschungdurch Eisen(II)-sulfat, sind bei dem rö-mischen Schriftsteller Plinius dem Älte-ren (23–79n. Chr.) in dessen dem KaiserTitus gewidmeter Naturgeschichte Natu-ralis Historia nachzulesen. Im Zeitalterder Alchemie bzw. der frühen Chemiebis etwa in das 17. Jahrhundert stand dieAnalyse von Metallen bzw. Mineralen imRahmen des Berg- und Hüttenwesens imVordergrund. Im 14. und 15. Jahrhun-dert beschrieben die sogenannten „Pro-bierbüchlein“ außer Gold-, Silber-, Blei-,Kupfer- und anderen „Proben“ auch Ver-fahren zur Güteprüfung des Schwefels fürdie Schwarzpulverherstellung.In den Beginn der Neuzeit, charak-

terisiert durch das Wirken des Arztesund Naturforschers Paracelsus, eigent-lich Theophrast Bombast von Hohenheim(1493–1541), fällt auch der Anfang derWasseranalytik. Leonhard Thurneysser(1530–1596), ein sogenannter Paracelsist,lieferte erste ausführliche Beschreibungenzur chemischen Analyse von Heil- undMineralwässern auf nassem Wege. VonRobert Boyle (1627–1691) wurde erstmalsder Begriff „chemische Analyse“ verwen-det, ebenso die Bezeichnungen Reaktionund Reagenz.Eine neue Entwicklungsstufe begann

mit der Entdeckung zahlreicher Gase,vor allem des Sauerstoffs, im 19. Jahr-hundert, als der französische Chemiker

Analytische Chemie, 3. Auflage. G. Schwedt, T.C. Schmidt und O.J. Schmitz.© 2017 WILEY-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA. Published 2017 by WILEY-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA.

2 1 Allgemeineund theoretischeGrundlagen

A.L. Lavoisier (1743–1794) experimen-tell eine „messende Gaschemie“ entwi-ckelte. Das erste Hochschullehrbuch derAnalytischen Chemie erschien 1790 vonJ.F. Göttling (Jena, 1755–1809) unter demTitel „Vollständiges chemisches Probir-Cabinett“ (in der 2. Auflage 1802 als„Praktische Anleitung zur prüfenden undzerlegenden Chemie“). Der Name desFachgebietes Analytische Chemie wur-de in einem Lehrbuch zum ersten Mal1801 von dem Freiberger W.A. Lampa-dius (1772–1842) verwendet – in sei-nem „Handbuch der chemischen Analy-se der Mineralkörper“. Besonders erfolg-reich waren die Lehrbücher von C.R. Fre-senius (1818–1897), dessen „Anleitungzur qualitativen chemischen Analyse“ in16 Auflagen von 1841–1895 erschien.Fresenius’ „Anleitung zur quantitativenchemischen Analyse“ (1. Auflage 1845)führte schließlich zur Begründung derAnalytischen Chemie als selbstständigemWissenschaftsgebiet. SeineMethodik undDidaktik blieben bis heute in den Grund-praktika der qualitativen und quanti-tativen anorganisch-chemischen Analyseerhalten. „Die wissenschaftlichen Grund-lagen der Analytischen Chemie“ wurden1894 von dem Physikochemiker W. Ost-wald (1853–1932) in einem eigenständi-gen Lehrbuch behandelt. In der Mitte des19. Jahrhunderts begann auch die Ent-wicklung physikalischer Methoden in derAnalytischen Chemie – z. B. der Spektral-analyse durchR.W. BunsenundG.R. Kirch-hoff (1859).In den meisten Kapiteln und Abschnit-

ten dieses Lehrbuches werden jeweils zuBeginn kurze chemiehistorische Anmer-kungen zur Entwicklung der im Einzelnenvorgestellten Analysenmethoden – auchals Orientierungshilfe zur Einschätzungihres Stellenwertes – zu finden sein.

Definitionen und Stellenwert

Die Analytische Chemie heute ist durcheine schnelle Entwicklung in der Geräte-technologie und durch sich noch immerausweitendeAufgabenstellungen aus allenBereichen der technischen Wissenschaf-ten, Natur- und auch Kulturwissenschaf-ten (z. B. Archäologie, Kunstgeschichteund Buchkunde) gekennzeichnet. In ei-nem „Memorandum der Vertreter deut-scher Hochschulen zur Eingliederung derAnalytischen Chemie als Wahlpflichtfachim Studiengang Chemie“ (Fresenius’ J.Anal. Chem., 216, M 46 (1993) – Mit-teilungsblatt 1’ 93 der Gesellschaft Deut-scher Chemiker, Fachgruppe AnalytischeChemie) ist die Entwicklung der jüngstenZeit wie folgt skizziert:„Die Aufgaben der Analytischen Che-

mie haben sich im letzten Jahrzehnt starkverändert und erweitert. So ist die Ana-lytische Chemie von einer lediglich retro-spektiv betrachtenden zu einer diagnosti-zierend gestaltendenWissenschaft gewor-den und spielt eine immer wichtigere Rol-le bei derCharakterisierung undBeschrei-bung sich ändernder chemischer und bio-logischer Systeme. Durch diese Aufgabenist die Analytische Chemie ein gleichbe-rechtigter Partner der Synthetischen Che-mie. Die Gesellschaft und die ihr dienen-de Technik benötigt analytische Aussagenin allen Bereichen der Naturwissenschaf-ten, im Umweltschutz, in der Biologie,Medizin, Pharmazie, Pharmakokinetik, inden Geowissenschaften, in der chemi-schen und biologischen Prozesskontrolle,den Nahrungswissenschaften, der Foren-sik und den Materialwissenschaften. Dasganze Gebiet, vor allem das der instru-mentellen Analytik, hat sich seit Mitte der50er Jahre dramatisch verändert. So lös-ten sich in den letzten ca. 30 Jahren dieInstrumentengenerationen in Zyklen vonnur 3–4 Jahren ab, und die Fortschritte inder analytischen Forschung, insbesonde-

31.1 AnalytischeChemie heute

re Senkung derNachweisgrenzen, Verkür-zung der Analysenzeiten z. B. durch Au-tomation,VerbesserungderAnalysenqua-lität, Vereinfachung undMiniaturisierungder Instrumentation brachten technischeVerbesserungen im Ausmaß von mindes-tens einer Größenordnung pro Jahrzehnt.“Eine Definition des Fachgebietes Ana-

lytische Chemie in knapper Form wurdevon der Fachgruppe Analytische Chemiein der Gesellschaft Deutscher Chemikerin den 1970er-Jahren wie folgt formuliert:„Chemische Analytik ist die Wissen-

schaft von der Gewinnung und verwer-tungsbezogenen Interpretation von Infor-mationen über stoffliche Systeme mit Hil-fe naturwissenschaftlicher Methoden.“Einen besonders herausragenden Stel-

lenwert hat in den 1960er- und 1970er-Jahren die Spurenanalytik erhalten, de-ren Bedeutung sich wie folgt umschreibenlässt:„Heute sind spurenanalytische Daten

die Grundlage für politische, juristischeund medizinische Entscheidungen, dienicht nur die Wiedergewinnung und Er-haltung derQualität von Luft,Wasser undvon Lebensmitteln, sondern insgesamt diemit Recht so häufig zitierte „Qualität desLebens“ betreffen. Hier ist vor allem dieAnalytik im Umweltschutz mit den Be-reichen Luftreinhaltung, Wasseranalytikeinschließlich der Meeresforschung so-wie der Lebensmittelchemie zu nennen.Auf medizinischen Gebieten sind beson-ders die biochemische Analytik und dieArzneimittelforschung auf spurenanalyti-scheMethoden angewiesen. In der Reinst-stoff-Forschung und in den technischenFächern, etwa in den Werkstoffwissen-schaften, ist die Kenntnis über den Gehaltvon Elementspuren eine wichtige Vor-aussetzung zur Ermittlung physikalischerStoffeigenschaften. Auch so verschiedeneWissenschaften wie die Geologie und dieArchäologie bedienen sich spurenanalyti-scher Methoden, um Probleme ihres Fa-

ches aufzuklären. – Tatsächlich gibt esheute kaum ein Gebiet der experimentel-len Naturwissenschaften, das nicht in ir-gendeiner Weise mit spurenanalytischenFragen befasst ist.“ (H.Monien, E. Hohaus,G. Schwedt: Aspekte der modernen Spu-renanalytik, in: „Entwicklungen der 70erJahre – Studien aus der Gesamthochschu-le Siegen“ 1978, S. 476–488.)Hinzuzufügen sind die Kulturwissen-

schaften, angefangen bei der Archäome-trie bis hin zum Einsatz der möglichstzerstörungsfreien Analytik zu Fragen derRestaurierung alter Handschriften, Inku-nabeln und früher Drucke.Im Rahmen einer internationalen Aus-

schreibung wurden 1992 Definitionen derAnalytischen Chemie in Fresenius’ Jour-nal of Analytical Chemistry veröffentlicht(Vol. 343, S. 812ff), von denen die aufPlatz 1 gesetzte Definition (K. Cammann)in z. T. freier Übersetzung aus dem engli-schen Originaltext wie folgt lautet:„Die Analytische Chemie ist definiert

als eine eigenständige chemische Teildis-ziplin, welche Methoden und das Instru-mentarium zur Gewinnung von Informa-tionen über die Zusammensetzung unddie Struktur von stofflichen Systemen ent-wickelt und zur Verfügung stellt, spezi-ell in Bezug auf Art, Zahl, energetischenZustand und geometrische Anordnungvon Atomen und Molekülen insgesamtoder innerhalb eines gegebenen Proben-volumens. Die moderne Analytische Che-mie kann auch als angewandte Chemiebezeichnet werden. In der AnalytischenChemie werden spezielle Techniken ver-wendet, um die gemessenen chemischenSignale, gewonnen meist aus der spezifi-schen Wechselwirkung zwischen Materieund Energie, in Informationen und neuesWissen umzuwandeln, das dem Bekann-ten zugeordnet werden kann. Deshalb ge-lingt es dieser Disziplin auch immer wie-der, interessante Neuigkeiten und einma-lige Möglichkeiten aufzuzeigen, welche


Abb. 1.1 Zum Stellenwert der Analytischen Chemie heute: Aktionsfelder, Problemstellungen, For-schung und Entwicklung sowie Verknüpfungen mit der Gesellschaft.

ganz wesentlich unsere Kenntnisse überdie materielle Welt durch die Schaffungdreidimensionaler Bilder von dem wah-ren qualitativen und quantitativen chemi-schenZustand einerMaterialprobe erwei-tern. Ihre hohe Leistungsfähigkeit findetauch im Prozess der Kenntniserweiterungund Theorienbildung durch eine Vielzahlvon Naturwissenschaftlern anderer Fach-richtungen eine breite Anwendung.“Andere Definitionen, wie die von M.

Valcarcel (o. g. Literaturstelle, S. 814), wei-sen darüber hinaus auf die Zusammen-hänge zwischen Analytischer Chemie, an-derenWissenschaften und vor allem auchderGesellschaft hin: Proben undAnalyten

sind heute nicht mehr allein die Aufgabender Analytischen Chemie, sondern es sindvielmehr die zugrunde liegenden Proble-me innerhalb eines Bereiches aus sozialenBeziehungen und Forschungs- sowie Ent-wicklungsbeziehungen (Abb. 1.1).

Das EurocurriculumAnalytische Chemie

Über die Ausbildung in der AnalytischenChemie (s. auch Vorwort zur 1. und 2.Auflage) wurde 1991 ein ausführlicher Be-richt von R. Kellner (Wien) et al. gegeben(Mikrochim. Acta 1991 II, 543–565). DieStudiengruppe Education in AnalyticalChemistry derWorking Party of Analytical


Chemistry stellte 1992 auf der Grundla-ge dieser Veröffentlichung ein Eurocurri-culum „Analytische Chemie“ zusammen,das in diesem Lehrbuch weitgehend be-rücksichtigt wurde (Tab. 1.1).

Analytik in Gesetzen, Verordnungenund Normen

Aus Abb. 1.1 wird bereits die Bedeutungder Analytischen Chemie für die heutigeGesellschaft deutlich. Sie zeigt sichweiter-hin durch den noch immer zunehmendenEingang in Gesetze und Verordnungen,in denen nicht nur Richt- und Grenzwer-te, sondern auch Analysenmethoden bzw.-verfahren vorgeschrieben werden. Diefolgende Tab. 1.2 vermittelt einen Über-blick über die Bereiche, in denen Analy-senvorschriften als anerkannte Verfahrengesetzlichen Eingang gefunden haben.Am 7. Mai 1985 schuf die „Entschlie-

ßung des Europäischen Rates zur Harmo-nisierung und Normung“ die Grundlagezur Entwicklung einheitlicher Normung.Die Richtlinien des Rates haben die Auf-gabe, die grundlegenden Anforderungenfestzulegen. Die Erarbeitung technischerDetails wird perMandat der europäischenNormenorganisation CEN/CENELECübertragen. Seit 1990 existiert im CEN(s. Tab. 1.2) das Technische Komitee TC230 „Wasseranalytik“. Bereits 1971 wurdedas ISO TC 147 „Wasserbeschaffenheit“gegründet; beide Gremien arbeiten zurinhaltlichen Abstimmung der Normen-werke zusammen. Der NormenausschussWasserwesen im Deutschen Institut fürNormung (DIN NA 119) hat die Aufga-be, nationale Normen zu erarbeiten undin den europäischen und internationa-len Normenkommissionen mitzuwirken.Die inhaltliche Erarbeitung neuer und dieÜberarbeitung bestehender Normen wirddabei durch den Hauptausschuss I „Ana-lyseverfahren“ der WasserchemischenGesellschaft geleistet.

Die amerikanische Umweltbehörde USEPA (Environmental Protection Agency)entwickelt (im Unterschied zum Umwelt-bundesamt in der BRD) auch normier-te Standardverfahren für die Umwelt-analytik – auf der Grundlage der US-Umweltgesetze. Die US EPA verfügt überentsprechende Weisungsbefugnisse undauch über die erforderlichen finanziellenMittel, um Messprogramme zur Validie-rung von Analysenverfahren durchzufüh-ren. Die Normenserien erfassen die Um-weltanalytik in Böden, Wasser und Luft.Im Bereich der Arbeitssicherheit, der

Gefahrstoffanalytik am Arbeitsplatz, gel-ten zunächst einmal Chemikaliengesetz,Gefahrstoffverordnung und die techni-schen Regeln für Gefahrstoffe (TRGS),die wiederum auf VDI-Richtlinien Be-zug nehmen. Aufgrund der EG-Grenz-wertrichtlinie 88/642/EWG entstand imCEN das Technische Komitee TC 137„Bewertung der Belastungen am Arbeits-platz“. In der BRD sind für diese Bereicheder „Ausschuss für Gefahrstoffe“ (AGS)und der „Arbeitsausschuss Gefahrstof-fe/Arbeitsschutz“ im DIN (DIN AGSA)zuständig. Für die Messverfahren im Be-reich der Luftschadstoffe sind die „Kom-mission Reinhaltung der Luft im VDIund DIN“ sowie das ISO TC 146 AirQuality zu nennen. Umfangreiche Me-thodensammlungen, die auch für Europavon Bedeutung sind, stammen von denUS-Behörden OSHA (Occupational Safe-ty andHealth), NIOSH (National Institutefor Occupational Safety andHealth) sowieder US EPA mit ihren TOC-Serien (ToxicOrganic compounds).Für den Analytiker in der Praxis sind

diese Analysenvorschriften zwar hilfreich,sollten ihn aber nicht dazu verleiten, siekritiklos anzuwenden. Sie sind nur dannwirklich sinnvoll, wenn auch homoge-ne Analysenproben genau derjenigen Artvorliegen, für welche die Verfahren ent-wickelt und erprobt wurden. Normier-


Tab. 1.1 Eurocurriculum „Analytische Chemie“.

Grundlagen ∙ Ziele der analytischen Chemie und ihre Bedeutung für die Gesell-schaft (Gesetze und Verordnungen)

∙ Der analytische Prozess (GLP)∙ Probennahme∙ Probenaufbereitung∙ Bestimmung∙ Ergebnisauswertung

Methoden und ihreAnwendungen

∙ Titrimetrie∙ Gravimetrie∙ Elektroanalyse∙ Trennungsverfahren∙ Thermische Analyse∙ Organische Elementaranalyse∙ Chemische Sensoren und Biosensoren∙ Biochemische Analyse∙ Immunoassay

Chemische Analyse ∙ Einzelschritte (vom Grundprinzip bis zum analytischen Signal)∙ Säure-Base-Reaktion∙ Redox-Systeme∙ Komplexierungsreaktionen∙ Niederschlag und Auflösung∙ Chromatografie∙ Katalyse∙ Kinetik

Physikalische Analyse1. Elementanalyse ∙ Fotometrie

∙ UV/VIS-Spektrometrie freier Atome∙ Atomabsorptions-Spektrometrie∙ Optische Emissions-Spektrometrie∙ Röntgenfluoreszenz-Analyse∙ Aktivierungsanalyse

2. Verbindungs- undmolekülspezifischeAnalyse

∙ UV/VIS-Spektrometrie∙ IR- und Raman-Spektrometrie∙ Massenspektrometrie∙ Kernmagnetische Resonanz-Spektrometrie

3. Mikrostrahl- undOberflächenanalyse

∙ Elektronensonden-Mikroanalyse (ESMA/PMA)∙ Sekundärionen-Massenspektrometrie (SIMS)∙ Auger-Elektronen-Spektroskopie (AES)∙ Röntgenstrahl-Fotoelektronen-Spektroskopie (XPSS)

4. Strukturanalyse ∙ Röntgenbeugung∙ Kombinierte Anwendung physikalischer Methoden

ComputergestützteAnalytische Chemie(COBAC)

∙ Chemometrie∙ Statistik und Leistungstests∙ Signalverarbeitung∙ Optimierung und Experimentaufbau∙ Multivariate Methoden∙ Pattern recognition (Mustererkennung)∙ Clusteranalyse∙ Faktorenanalyse∙ Qualitätssicherung und Qualitätskontrolle


Tab. 1.2 Quellen für anerkannte bzw. empfohlene Analysenverfahren.

Gesetz/Verordnung/Norm/Empfehlung/Einrichtung

Anwendungsbereich(Matrix)

Quelle/Veröffentlichungen

Normenausschuss Wasserwesen im Deut-schen Institut für Normung (DIN NA 119)

Wasser Deutsche Einheitsverfahrenzur Wasser-, Abwasser- undSchlammuntersuchung (Wi-ley-VCH Verlag, Weinheim)DIN-Vorschriften (Beuth-Verlag, Berlin)

Abwasserabgabengesetz Abwässer Bundesgesetzblatt 1990, Nr.61, Teil 1, S. 2433–2438

CEN (Comité Européen de Normalition,Brüssel): ISO (International Organizationfor Standardization/Genf) 1961 gegründet

Wasser ISO-Catalogue (jährlich)ISO TC 230 „Wasseranaly-tik“

US EPA (Environmental ProtectionAgency)

Boden/Wasser/Luft

Kommission Reinhaltung der Luft VDI(Verein Deutscher Ingenieure/Düsseldorf)

Luft VDI-Richtlinien

ISO TC 146 Air Quality LuftOSHA (Occupational Safety and Health,USA) US-Arbeitsschutzbehörde seit 1970

Arbeitsschutz Permissible Exposure Li-mits (PEL) vergleichbar mitMAK-Werten

NIOSH (National Institute for Occupa-tional Safety and Health/USA) unterstehtdem US Department of Health and Hu-man ServicesUS EPA TOC-Serien (Toxic Organic Com-pounds)

Industrieller Ar-beitsschutz

Lebensmittel-, Bedarfsgegenstände- undFuttermittelgesetzbuch (LFBG) – BRD –§64

Lebensmittel- undBedarfsgegenstände

AOAC (Association of Official AnalyticalChemists, Arlington/Virginia, USA)

alle Matrices Official Methods of Analysis,15. Aufl., 1993, Part 1 und 2

Verband Deutscher LandwirtschaftlicherUntersuchungs- und Forschungsanstalten(LUFA) – Methodenbücher

z. B. für Böden,Düngemittel u. a.

Verlag J. Neumann-Neu-damm, Melsungen/Berlin

DFG-Einheitsmethoden zur Untersuchungvon Fetten, Fettprodukten, Tensiden undverwandten StoffenDFG/Deutsche Ges. für Fettwiss. e. V.,(Bearb. Ch. Gertz), Wiss. Verlagsges.,StuttgartHandbuch Forstliche Analytik – ei-ne Loseblatt-Sammlung der Bundes-ministerium Analysenmethoden imForstbereich (Grundwerk Juli 2005)für Verbraucherschutz, (Ergänzungenund Korrekturen über die Internet-Seite Ernährung und Landwirtschaftwww.verbraucherministerium.de)


te (standardisierte) Analysenvorschriftenleisten zwar einen wesentlichen Beitragzur Vergleichbarkeit von Analysenergeb-nissen, gewährleisten jedoch nicht gleich-zeitig auch die Richtigkeit. Bei der An-wendung der standardisierten Analysen-vorschriften, der Normen, ist immer wie-der zu prüfen, ob sie auch tatsächlich inGesetzestexte eingebunden und damit fürspezielle Untersuchungen (z. B. im Rah-men des Abwasserabgabengesetzes) auchzwingend (zur Erzielung „gerichtsfester“Daten) vorgeschrieben sind. Normen sindzunächst einmal freiwillige Vereinbarun-gen, an denen sich Hersteller und Ver-braucher – und hier die Analytiker – ori-entieren können.In den letzten Jahren haben die Samm-

lungen von „anerkannten“ Analysenvor-schriften erheblich an Umfang zugenom-men. Auch haben sie an Bedeutung ge-wonnen, da oftmals Analysenergebnis-se nur bei Anwendung dieser Verfah-ren – mit entsprechender statistischerAbsicherung – allgemein anerkannt wer-den. Vor allem die Arbeitsgruppe „Analy-tischeChemie“ der Senatskommission zurPrüfung gesundheitsschädlicher Arbeits-stoffe hat umfangreiche Ringbuch-Samm-lungen vorgelegt, die hier exemplarischnäher vorgestellt werden sollen. Die Bil-dung dieser Arbeitsgruppe wurde am 10.Oktober 1969 beschlossen, und diese glie-dert sich in die Arbeitskreise Luftanalysenund Analysen in biologischem Material.Der Bereich Luftanalysen umfasst Ana-

lysenverfahren zur Bestimmung gesund-heitsschädlicher Arbeitsstoffe in der Luftdes Arbeitsplatzes. Zur Auswahl der Ver-fahren heißt es in der Vorrede zur 13.Lieferung (2003) u. a.: „Der Arbeitskreis,Luftanalysen‘ verfolgt das Ziel, eine um-fassende Aktualisierung der Ringbuch-sammlung ,Analytische Methoden zurPrüfung gesundheitsschädlicher Arbeits-stoffe‘ durchzuführen. Unter Berücksich-tigung der technischen Bedeutung, der

durch die TRGS 402 und der DIN EN 482vorgegebenen Anforderungen der Qua-litätssicherung und des messtechnischenFortschritts wurde nach eingehender Dis-kussion und Prüfung eine Liste überholterLuftanalysenverfahren erstellt . . . “ Zu den„überholten“Analysenverfahrenwird aus-geführt:„Bedingt durch die Entwicklung des

technischen Fortschritts in der Analysen-und Probennahmetechnik und neue ar-beitsmedizinische Erkenntnisse mit dar-aus ggf. resultierenden Neufestsetzungender Luftgrenzwerte kommt es dazu, dassfür einzelne Stoffe mehrere Analysenme-thoden vorliegen. (. . . ) Analysenmetho-den, die (. . . ) als überholt gekennzeich-netwerden, können natürlich auchweiter-hin angewendet werden. Es ist dann abervom Anwender in der Regel eine erneuteValidierung durchzuführen, um insbeson-dere sicherzustellen, dass eine Überwa-chung des Luftgrenzwertes entsprechendden Anforderungen des technischen Re-gelwerkes und der europäischen Nor-mung gesichert ist.“Der Bereich Analysen in biologischem

Material umfasst „Methoden zur Bestim-mung von Metaboliten, deren Reaktions-produkte[n] mit Körperbausteinen underfasst somit auchdadurchbedingteFunk-tionsänderungen (z. B. Veränderungenvon Enzymaktivitäten) sowie unveränder-te Arbeitsstoffe in Urin und Blut“ (Vorre-de zur 3. Lieferung). Weiter heißt es imVorwort zur 1. bis 9. Lieferung: „Bei derAuswahl der Methoden zur Schadstoff-bestimmung am Arbeitsplatz wurde demPrinzip der repräsentativen Erfassung desEinwirkungsprofils am Arbeitsplatz Vor-rang vor Gesichtspunkten der Einfachheitund Wirtschaftlichkeit gegeben; dies inkonsequenterVerfolgungdesArbeitsprin-zips der Kommission, den Arbeitsschutzmehr durch wissenschaftliche Begrün-dung denn durch administrative Verein-fachung zu optimieren. Bei der Auswahl


der Analysenmethoden von biologischemMaterial wurde besonderer Wert auf de-ren arbeitsmedizinischen Aussagewertgelegt.“ Die Sammlung ist sowohl nachStoffen (alphabetisch) gegliedert als auchmit einem Methodenverzeichnis (von derFotometrie über AAS, ICP, Voltammetriebis zur GC-MS) versehen.Eine weitere Ringbuchsammlung zur

Gefahrstoffanalytik trägt den Unterti-tel „Messtechnische Überwachung vonMAK- und TRK-Werten. Emissionskon-trolle. Prozessgasanalyse“. Berücksichtigtwerden hier auch berufsgenossenschaftli-che Analysenverfahren, Analysenverfah-ren der NIOSH, Kriterien der Organisa-tion Internationale de Métrologie Légale(OIML), der OSHA (Occupational Safetyand Health Administration), DIN-ISO-Analysenverfahren (einschließlich CEN-TC 264, Europäische Normen zur „Luft-beschaffenheit“), VDI-Richtlinien und diePrüfröhrchen-Messtechnik. Die Verfah-ren erstrecken sich von der Probennahmeüber Emissions-Untersuchungsverfahren,spezielle Messplanungen für Bodenluft-Untersuchungsverfahren bis zur Luftqua-lität in Innenräumen (indoor air quali-ty). Außerdem werden auch „RechtlicheGrundlagen für die Messung und Beur-teilung von Gefahrstoffen in der Luft“und „Technische Regeln für Gefahrstoffe“(TRGS) in Band 4 veröffentlicht. Band 5enthält u. a. „Stellungnahmen offiziellerinternationaler Organisationen“.

Literatursuche

Die älteste analytische Fachzeitschrift –Fresenius’ Zeitschrift für analytische Che-mie (seit 2002 Analytical and Bioanalyti-cal Chemistrymit Publikationen nur nochin englischer Sprache – s. Tab. 1.3) –erschien erstmalig 1862. Unter dem Ti-tel Industrial and engineering chemis-try. Analytical edition begann die Ge-schichte der renommiertesten englisch-

sprachigen ZeitschriftAnalytical Chemis-try im Jahre 1929. Seit 1954 wurden vonder Royal Society of Chemistry in Eng-land die Analytical Abstracts als Supple-ment zur Zeitschrift Analyst herausgege-ben, seit 2013 sind diese nur noch on-line unter http://www.rsc.org/Publishing/CurrentAwareness/AA/ verfügbar.Eine Suche nach Analysenmethoden

und -verfahren ist selbstverständlich auchüber die Chemical Abstracts (abgekürztC.A. oder Chem. Abstr.), Web of Sci-ence oder Scopus möglich. Überschauba-rer und auch selektiver sind jedoch dieRegister der Analytical Abstracts, obwohlauch hier den verwendeten Keywords kei-ne einheitliche Nomenklatur zugrundeliegt. Trotz vieler Versuche einer Verein-heitlichung in den Begriffen, z. B. durchdie IUPAC (International Union of Pu-re and Applied Chemistry, Oxford), derenwesentliche Aufgabe in der Erarbeitunginternational gültiger Nomenklatur undTerminologie besteht, sind die Erfolge bis-her eher gering. 1978 erschien ein IUPACCompendium of Analytical Nomenclature(2. Aufl. 1987), auf welches, soweit sinn-voll, zurückgegriffen wird. Neuere No-menklaturvorschläge werden regelmäßigin der Zeitschrift Pure and Applied Che-mistry veröffentlicht. Weitere verbreite-te Zeitschriften zum Gesamtgebiet derAnalytischen Chemie (Spezialzeitschrif-ten werden in den entsprechenden Kapi-teln ebenso wie Hinweise zur Literatursu-che aufgeführt) sind in Tab. 1.3 genannt.In der Zeitschrift Analytical Chemis-

try erscheinen alle zwei Jahre Fundamen-tal Reviews zu den wichtigsten Analysen-methoden sowie Applications Reviews (inden Jahren mit ungeraden Zahlen) zu An-wendungsgebieten wie der Wasseranaly-tik, der Klinischen Chemie, der Umwelt-analytik und anderen Bereichen (s. auchKap. 10).Für den Analytiker interessante Mo-

nografienreihen werden von den Verla-


Tab. 1.3 Internationale analytisch-chemische Fachzeitschriften und deutschsprachige Labor-Zeit-schriften.

Name der Zeitschrift Erscheinungsort

Analyst Cambridge (seit 1875)Analytical Chemistry Washington (seit 1929)Analytica Chimica Acta Amsterdam (seit 1947)Fresenius’ Journal of Analytical Chemistry Berlin/Heidelberg (seit 1862)(ab Vol. 372/2002: Analytical and Bioanalytical che-mistry – A Merger of Fresenius’ Journal of AnalyticalChemistry, Analusis and Quimica Analitica)Microchemical Journal New York (seit 1957)Mikrochimica Acta Wien (seit 1938, 1938–1953 in

Mikrochemie)Chromatographia WiesbadenJournal of Chromatographic Science Niles/Il. (USA)Journal of Chromatography Amsterdam u. a.

∙ A: Including electrophoresis, mass spectrometryand other separation and detection methods (withBibliography Section)

∙ B: Analytical technologies in the biomedical andlife sciences

Amsterdam

Journal of Electroanalytical Chemistry AmsterdamPure and Applied Chemistry. Official Journal of theInternational Union of Pure and Applied Chemistry

Research Triangle, Park, NC(USA)

Labor-Zeitschriften in DeutschlandCLB Chemie in Labor und Biotechnik Gaiberg bei HeidelbergGIT Labor-Fachzeitschrift DarmstadtLABO Magazin für Labortechnik + Life Science DarmstadtLaborPraxis – Journal für Labor, Analytik und LifeSciences

Würzburg

gen Ellis Horwood/Chichester (Series inAnalytical Chemistry), John Wiley/NewYork (Chemical Analysis. A series ofmono-graphs on analytical chemistry and its ap-plication), Elsevier/Amsterdam (Studiesin analytical chemistry) und M. Dek-ker/New York herausgegeben. Seit 1980erscheint (fast) jährlich das Analytiker-Taschenbuch im Springer-Verlag, Berlin,Heidelberg, New York mit Übersichts-beiträgen zu den Grundlagen-Methoden-Anwendungen und seit Band 7 (1988) miteinem Verzeichnis von Monografien im

sogenannten Basisteil (Anhang) – geglie-dert nach Sachgebieten (Methoden undAnalyse bestimmter Matrices).Zunehmend werden Literaturrecher-

chen auch als Online-Recherchen in demSTN- (Scientific-Technical-Information-Network-)System über Satellit in Colum-bus/Ohio durchgeführt. Das STN-Systementhält mehrere Datenbanken und auchden Chemical Abstracts File oder denAnalytical Abstracts File. Recherchen inDatenbanken ermöglichen einen Dialogdes Benutzers mit dem Computer, so-

111.2 Von der Problemstellung zur Analysenstrategie

dass Eingrenzungen der Fragestellung,Überprüfungen des Rechercheprofils u. ä.möglich sind. Aber auch hier werden dieGrenzen aufgrund oft fehlender Verein-heitlichung in den analytischen Begriffenimmer wieder sichtbar (Beispiele für Auf-schlussverfahren – decomposition, diges-tion; für Anreicherungsverfahren – pre-concentration, enrichment, trace-concen-tration).

Elektronische Bibliotheken

Unter dem Begriff Elektronische Biblio-theken werden alle von wissenschaftli-chen Bibliotheken angebotenen Online-Serviceleistungen zusammengefasst. Aufihren Internet-Seiten bieten Universi-tätsbibliotheken u. a. „Online Disserta-tionen“, den Katalog der elektronischenVolltexte im GBV (Gemeinsamer Biblio-theksverbund), elektronische Lehrbü-cher, Nachschlagewerke (z. B. Landolt-Börnstein – Zahlen und Funktionen ausNaturwissenschaften und Technik) undLinks z. B. zu „virtuellen Fachbibliothe-ken“ sowie Literaturrecherchen (Auf-tragsrecherchen in Fachdatenbanken –bibliografischen, numerischen, Patent-,Volltext-, Spektren- oder Struktur-Daten-banken) an. Die Möglichkeiten der ein-zelnen Bibliotheken sind jeweils am Ortzu recherchieren.Im Internet besteht seit November 1997

das Portal Analytik-News (www.analytik-news.de). Von dort werden monatlichauch kostenlos Analytik-Newsletter ver-schickt. Die Homepage www.analytik.deenthält neben der Vorstellung interessan-ter Webseiten auch Produktinformatio-nen. ImAnalytiker-Forum können FragenzuAnalysenmethoden, Laborgeräten oderauch Anwendererfahrungen geklärt wer-den (s. LABO Oktober 2002, S. 82–84).Eine Produktdatenbank ist unter www.laborprodukte.de zugänglich. In der Ru-brik SOPs können Muster-Arbeitsanlei-

tungen als PDF-Datei zum Download ab-gerufen werden.

1.2Von der Problemstellung zurAnalysenstrategie

Inhalt

Aufgaben der chemischen Analytik:Gehalts-, Elementspezies-, Verteilungs-,Prozess- und Strukturanalyse sowie Bio-analytik. Klassifikation von Methodenund Verfahren. Prinzip, Methode, Verfah-ren. Test, Alternativverfahren, Teststäb-chen, Gasprüfröhrchen. Screening, Nach-weis, Bestimmung. Systematik der Ana-lysenmethoden. Arbeitsbereiche. Ver-gleich von Methoden, Selektivität. Di-rekt-/Verbundverfahren, Kopplungstech-niken. Analysenstrategien.

Aufgaben der chemischen Analytik

In der klassischen Chemie hatte dieAnalytik (Analytische Chemie) lediglichdie Aufgabe, die Zusammensetzung vonStoffen und Stoffgemischen zu ermitteln(s. auch Abschn. 1.1). Heute besitzt sie ei-nerseits eine Dienstleistungsfunktion, diesich weit über die Chemie hinaus auf fastalle Gebiete der Naturwissenschaften, derMedizin und Technik bis zu den Kultur-wissenschaften (wie Archäologie, Kunst-geschichte, Buchmalerei u. ä. – s. auchAbschn. 1.1) erstreckt. Andererseits stelltdie chemische Analytik eine eigenständi-ge Teildisziplin der Chemie dar, mit en-gen Beziehungen zur Physik, zur Mess-technik und zu den Informationswissen-schaften. Sinnvoll (d. h. bewertend) ein-gesetzt, bedarf sie einer interdisziplinärenZusammenarbeit zwischen dem analyti-schen Chemiker (Analytiker) und Fach-wissenschaftlern aus den genannten Be-reichen. Ergebnisse chemischer Analy-


Abb. 1.2 Gehaltsanalyse. (a) Qualitativ, (b) quantitativ, (c) qualitativ und quantitativ.

sen führen zu technologischen, medizini-schen und auch juristischen Entscheidun-gen (z. B. im Umweltbereich), wodurchauch die hohe Verantwortung des Analy-tikers charakterisiert ist.

Gehaltsanalyse

Die Gehalts- oder Konzentrationsana-lyse beinhaltet die klassische qualitativeund quantitative Analyse. Die qualitativeAnalyse verwendet Fällungs-, Komplex-bildungs-, Redox-, Gasentwicklungs- undNeutralisationsreaktionen: Charakteris-tische Niederschläge, die selektive Auflö-sung von Niederschlägen, Farbänderun-gen oder Gasentwicklungen dienen demErkennen sowohl anorganischer als auchorganischer Stoffe. Nasschemische Ein-zelreaktionen sind Identifizierungsreak-tionen. Die klassische, qualitative anor-ganisch-chemische Analyse beginnt nacheiner Charakterisierung der Analysen-substanz (nach Art, Menge, Aggregatzu-stand, Farbe, Geruch u. ä.) mit Vorpro-ben wie der Flammenfärbung, dem Er-hitzen der Ursubstanz im Glühröhrchen,selektiven Nachweisreaktionen (anstellevon Vorprobe richtiger als Test bezeich-net, s. weiter unten) wie z. B. der Marsh-schen Probe (auf Arsen neben Antimon),Farbreaktionen in der Borax- oder Phos-phorsalzperle, der Ätzprobe zum Nach-weis auf Fluoride, der Oxidationsschmel-

ze zum Nachweis von Chrom (als Chro-mat) oder Mangan (als Permanganat) undder Leuchtprobe auf Zinn. Die qualitativeAnalyse ermittelt nicht nur die Art einesStoffes (z. B. eines Elementes bzw. Ions),sondern beinhaltet auch eine quantitativeAussage – durch die Angabe von Grenz-konzentration und Erfassungsgrenze füreine Nachweisreaktion: DieGrenzkonzen-tration (GK) gibt an, in wie viel Millilitern(Wasser oder eines anderen Lösungs-mittels) ein Gramm eines Stoffes nochnachweisbar ist. Die Grenzkonzentrati-on als negativer dekadischer Logarith-mus – analog dem pH-Wert – wird alspD-Wert (= − logGK) bezeichnet. Die Er-fassungsgrenze beinhaltet keine Konzen-trations-, sondern eine Mengenangabe.Sie stellt die absolut nachweisbare Mengedar, wobei meist ein Lösungstropfen vonz. B. 0,05mL zugrunde gelegt wird. Bei ei-nem pD-Wert von z. B. 6,0 (1 g in 106 mL;GK = 10−6) beträgt die Erfassungsgrenze0,05 μg.Die quantitative Analyse bestimmt die

Konzentration, den Gehalt eines Stoffesin einem stofflichen System, auch Ma-trix genannt: Er wird z. B. in mg/L, mol/L(molare Stoffmengenkonzentration) oderin g/kg (mg/g) angegeben. In einer gra-fischen Darstellung bildet die qualitativeAnalyse mit verschiedenen Stoffen (z) ei-ne Dimension, die quantitative Analyseals Gehaltsanalyse kann sowohl ein- als

georg schwedt, torsten c. schmidt und oliver j. schmitz ... · analyischet chemie grundlagen,...

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