Elemi elemzés

Az elemanalízis az analitikai kémia egyik ága . Ez a módszer a szerves és szervetlen vegyületekben található nemfém szén , hidrogén , oxigén , nitrogén és kén , valamint a foszfor és a halogének elemének meghatározására . Különbséget tesznek az összetevők puszta meghatározása ( kvalitatív elemanalízis ) és a talált elemek százalékos tartalmának vagy tömegének meghatározása között ( kvantitatív elemanalízis)).

Abban az esetben, egy tiszta vegyület, akkor meghatározza a molekula általános képletű a százalékos tartalma elemek egy ismert molekulatömegű . Az elemanalízist a vegyi termékek kutatásában és gyártásában is felhasználják a szerves és szervetlen anyagok tisztaságának szabályozására.

történelem

Szerves elemelemzés

Az első szerves elemzési készüléket Antoine Laurent de Lavoisier fejlesztette ki . Joseph Louis Gay-Lussac és Louis Jaques Thénard jelentősen javította a készüléket, a készüléket kisebbre készítették és kálium-klorátot , később szintén réz (II) -oxidot (Döberreinerrel 1815 körül), oxidálószerként használtak , és rézforgácsot használtak fel. megakadályozzák a nitrogén-oxidok miatti mérési hibákat.

Jakob Berzelius Jöns (1813–1817) elsőként használta vízmentes kalcium-kloridot az égési folyamat során keletkezett víz megkötésére.

Justus von Liebig jelentős javulást ért el az elemi elemzésben , és leírását nagy olvasóközönség rendelkezésére bocsátották. Liebig ötgolyós készülék formájában üveggömböket használt , amelyek vizes kálium-hidroxid-oldatot tartalmaztak és a képződött szén-dioxid megkötésére szolgáltak, így egy szerves vegyület széntartalmát ezzel a készülékkel meg lehetett állapítani. Liebig egy többszörösen osztott szénkályhát és egy szurony alakú égési csövet is használt. A nitrogént volumetrikusan külön-külön határoztuk meg. Az elemzési eredmények nagyon pontosak voltak ezzel a készülékkel, és az elemzések kevesebb időt igényeltek, mint az előző készülék.

A készülék későbbi fejlesztései a következők voltak: Varrentrap és Will (1841), a nitrogén ammóniaként történő meghatározása Glaser által, oxigéngáz bejutása az égőcsőbe és az anyagminta tárolása a száj közelében, Dennstedt (1900) , az elektromos fűtés, Fritz Pregl (1912–1917) ( Nobel-kémiai díj 1923, az általa kifejlesztett szerves anyagok mikroanalíziséért ).

A szerves elemanalízis fontossága

A szerves anyagokat először fizikai elválasztási módszerekkel ( desztilláció , szublimálás , kromatográfia , kristályosítás ) el kell különíteni , mielőtt elemi elemzést végeznének. Ismerete elemi készítmények számos szerves vegyület lehetővé tette, hogy a későbbiekben feltételezések molekuláris képlet , néha még a szerkezeti képlet , egy szerves molekula.

A szerves elemelemzés nélkül nem lehetett volna meghatározni a szerves anyagok szerkezetét. Az elemanalízis döntő jelentőségű volt a szerves kémia fejlődésében.

A korábbi elemelemzés leírása

Egy korábbi elemelemző berendezés egy nehezen olvadó (50 cm hosszú) üvegcsőből állt, amelynek elülső részén egy kis porcelán tál volt a pontosan kimért anyagmintával (kb. 0,5 g) - két azbesztdugóval elzárva. elhelyezve, mögötte - a cső végéig - réz (II) -oxid volt. A folyékony anyagokat hegyes hegyű kis üveggolyóba töltöttük (az anyag melegítés közben elpárolog). A csövet végein átlyukasztott dugókkal zártuk, amelyek vékony üvegcsövet tartalmaztak. Az elülső részhez oxigéntermelő berendezést, a hátsó részhez pedig szárított kalcium-kloriddal ellátott, kiegyensúlyozott U-csövet erősítettek. A kalcium-klorid cső mögött a keletkező gázt kiegyensúlyozott edényen vezetjük át tömény kálium-hidroxid-oldattal. Először a réz-oxidot melegítették, majd a mintát megfelelő oxigénárammal melegítették.

Az anyag elégetése után meghatároztuk a tömeg növekedését a kalcium-klorid csövön. A reakció során felszabaduló vizet kalcium-klorid kötötte meg. A vízben lévő hidrogén a szerves vegyületből származik. A kálium-hidroxid-oldat súlygyarapodása a szén-dioxid felvételén alapul. A szén-dioxidban lévő szén a szerves vegyületből származik.

A szerves minta elégetésekor a víz hidrogén-tartalma könnyen kiszámítható:

Hidrogéntartalom: 2,02: 18,0 = 0,1111

Ezt a tényezőt kellett felhasználni a kalcium-klorid csőben (a keletkező vízben) az égés utáni súlygyarapodás megsokszorozásához, hogy megkapjuk a szerves vegyület tömeg% hidrogén részét.

A szén esetében ez analóg módon alakul:

Széntartalom: 12,01: 44,0 = 0,2729

A megtöbbszörözött tömegmennyiség ekkor a kezdeti tömeghez kapcsolható, a különbség megadja a vegyület oxigén-, nitrogén-, foszfor- és halogéntartalmát.

Annak megállapításához, a aránya képlet , a megfelelő súlya az egyes elemek elosztottuk a atomsúlya elem. Ha az arányképlet egyes elemeinek egész számát keresné , megkapná az összegképletet vagy a molekulaképletet is.

Emésztési módszerek

A meghatározandó elemtől függően különféle laboratóriumi módszereket fejlesztettek ki, például a nitrogént általában titrálással ammóniaként határozzák meg ; vannak olyan speciális reakcióedények ( Kjeldahl-lombikok , Fresenius-lombikok ), amelyekkel elkerülhetők a veszteségek, amelyek egyébként meghamisítanák az analitikai eredményt .

Égési módszerek

A CHNS-elemzés jelenlegi állása ezen a területen az úgynevezett égésanalízis. Ebben az esetben a meghatározandó mintát először pontosan lemérjük mérleggel, majd tiszta oxigénnel katalitikusan elégetjük magas hőmérsékleten (1800 ° C-ig reakció exotermek alkalmazásával).

Közvetlenül ezután a képződött égési gázokat (oxidációs termékeket) hordozógáz (többnyire tiszta hélium) segítségével táplálják réz vagy volfrám érintkezéssel (forgácsként vagy granulátumként), körülbelül 600–900 ° C-on, és a nitrogén-oxidokat ( NO _x ) tartalmazott, a gáz áramlási vannak teljesen hozzáadunk molekuláris nitrogén (N ₂ ) csökken. A meghatározott égési gázokat (CO ₂ , H ₂ O, SO ₂ , N ₂ ) ezután külön elválasztó oszlopokban (úgynevezett adszorpciós / deszorpciós oszlopok, angol nyelvű öblítés és csapda ) vagy gázkromatográfiával választják szét, és egymás után: egy termikus vezetőképesség-detektorral (TCD vagy TCD) szállított és mennyiségileg.

Mivel a mintamérés során az elemek sorrendje (mindegyik úgynevezett csúcsként detektálva) technikailag pontosan meg van határozva ezzel a mérési módszerrel, ez lehetővé teszi a mérés egyértelmű azonosítását (minőségi meghatározása) és a csúcsterületeit (időbeli integráltsága) jelek, valamint az egyes elemek C, H, N, S egyidejű mennyiségi meghatározása (kvantitatív meghatározása). Az ismert tömeg segítségével az elemek megfelelő tömegaránya (százalékban vagy ppm-ben) az elemzett minta ezután pontosan kiszámolható.

Egy másik mérési módszer a teljes gázelválasztás helyett működik a CO ₂ , H ₂ O és SO ₂ gázspecifikus detektorokkal (többnyire IR detektorokkal) . Hővezető detektor (TCD vagy TCD) segítségével itt határozható meg a nitrogén (N ₂ ). A lángionizációs detektorokat (FID) szintén ritkábban használják.

A laboratóriumi elemzés során megkülönböztetnek mikroelem-analizátorokat, amelyeket 0,01-10 mg körüli kis anyagtömegekre optimalizáltak, és makroelementanalizátorokat, amelyeket nagyobb, legfeljebb 5 g-os anyagtömegre terveztek.

Nitrogén meghatározása

A klasszikus elemanalízis eredményeként léteznek tiszta nitrogén-analizátorok is, amelyek a Dumas-módszeren alapulnak a nitrogén- vagy fehérjetartalom meghatározására. Ezeket az eszközöket előnyösen a mezőgazdasági termékek elemzéséhez, talaj- és növényanalízishez, valamint élelmiszer- elemzéshez használják. Ezekben az eszközökben a molekuláris nitrogén N ₂ (szétválasztás után és / vagy felszívódását zavaró gázokat, mint például a víz, SO ₂ és esetleg CO ₂ ) is mennyiségileg egy termikus vezetőképesség-detektorral (TCD vagy TCD), nincs további gáz elválasztó vagy pótlólagos detektorokra van szükség. Mint egy hordozó gáz alternatív Z, hogy tiszta héliumot itt. B. CO ₂ is használható.

Oxigén meghatározása magas hőmérsékletű pirolízissel

A CHNS-meghatározással ellentétben a mintában az oxigéntartalmat kvantitatívan határozzuk meg inert vagy reduktív körülmények között (csak tiszta hélium vagy képzőgáz hordozógázként) magas hőmérsékleten (általában kb. 1200–1400 ° C) finom eloszlású szénnel érintkezés (gázkorom) Szén-monoxid (CO) keletkezik. A CHNS-analízishez hasonlóan ezt a CO-t ezután elválasztják a nitrogén-nitrogéntől _, amely szintén a pirolízis során keletkezik, egy speciális elválasztó oszlop vagy GC-oszlop alkalmazásával , és hővezető-detektoron (TCD vagy TCD) mérik és mennyiségileg meghatározzák. Alternatív megoldásként a CO mennyiségi meghatározása pl. A B. CO-specifikus IR detektor segítségével is elvégezhető.

irodalom

• Justus Liebig: Utasítások a szerves testek elemzéséhez. Vieweg, Braunschweig 1837. Fax
• Justus Liebig: A szerves testek és néhány szerves anyag összetételének elemzésére szolgáló új készülékről. In: A fizika évkönyvei. 1831. évi 21. évfolyam, 1–43. doi : 10.1002 / andp.18310970102

Megjegyzések

1. Better A jobb nyelvi lehatárolás érdekében megkülönböztetik a kem. Elemzés általában a kifejezés elemanalízis a elemanalízis : elemi analízis segítségével a szerves elemi analízise a nemfémek CHNS és O itt leírt , ritkábban P és halogének, míg elemi analízis segítségével az elemzés a többi eleme a periódusos ( e (pl . fémek) mivel ezek z. B. atomi spektroszkópiával rögzíthető az ICP vagy az AAS segítségével .
2. ↑ Mivel a volfrám megzavarhatja a kén mérését, ezért csak redukálószerként alkalmas a CHN elemzésére. Ezért rézet használnak az (CHN) S mérésére.
3. ↑ A nitrogén-oxidok redukciójának ez a formája forró réz érintkezéskor az N ₂ -val Jean Baptiste Dumas munkájára vezethető vissza, és az analitikában Dumas módszerként is ismert .

Egyéni bizonyíték

1. ↑ Justus Liebig: A szerves testek és néhány szerves anyag elemzésének új készülékéről. In: A fizika évkönyvei. 1831. évi 21. évfolyam, 1–43. doi : 10.1002 / andp.18310970102