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Elementaranalyse




Abbildung: Heutige Geräte zur Elementaranalyse decken insbesondere den rechten oberen Bereich der Hauptgruppenelemente des Periodensystems ab, namentlich Kohlenstoff, Stickstoff, Sauerstoff, Schwefel, Chlor sowie Wasserstoff.
Elementaranalyse

Die uns umgebende Welt ist aus Materie aufgebaut, die sich uns in Form von festen, flüssigen und gasförmigen Stoffen und Stoffgemischen offenbart. Fokussiert man den Blick auf Details, so wird eine Feinstruktur aus Atomen sichtbar. Die Form, das Aussehen und die Eigenschaften der Materie erweist sich dabei im Wesentlichen abhängig vom Verhältnis der Atome zueinander, deren Art und ihrer Affinität untereinander.

In vielen Bereichen der Forschung, der chemischen Industrie, der Fertigung - und damit indirekt auch im alltäglichen Leben - ist das Wissen um die genaue Zusammensetzung von Gegenständen, Materialien, Werkstoffen, Naturstoffen, Lebensmitteln, Hilfsstoffen usw. von Bedeutung - sei es, um unerwünschte Stoffe zu beurteilen, Rezepturen zu verbessern, chemische Verbindungen und Mixturen zu charakterisieren, Umwelteinflüsse zu beurteilen oder auch Qualitätskontrollen in der Produktion zu ermöglichen.

Die Beurteilung und Bewertung der Zusammensetzung von Materie aus den einzelnen Atomen, die ihrer jeweiligen Art nach als chemisches Element bezeichnet werden, ist unter anderem Gegenstand der Analytischen Chemie. Die Bestimmung der einzelnen Elemente einer gegebenen Probe wird als Elementaranalyse bezeichnet. Sie kann qualitativ erfolgen, wenn lediglich eine Aussage über die vorhandenen Elemente gemacht werden soll, oder quantitativ, wenn die genaue Zusammensetzung der Massenanteile bzw. die prozentuale Zusammensetzung gefragt ist.

Moderne chemische Analysegeräte zur Bestimmung der nicht-metallischen Elemente Kohlenstoff, Wasserstoff, Stickstoff, Sauerstoff und Schwefel - so genannte CHNOS-Elementaranalysatoren - sind für die verschiedensten Anwendungen im Handel erhältlich. Diese Geräte, so wie die unter http://www.elementar.de/ aufgeführten Modelle, zeigen eine kompakte Bauform, leichte Handhabung und exakte Ergebnisse bei der chemischen Analyse anorganischer und organischer Verbindungen. Anwendungsbereiche sind - neben der Analytik - unter anderem die Umweltanalytik, die Analyse von Brennstoffen, Verbrauchsmaterialien, verschiedenster Materialien für die industrielle Produktion und Weiterverarbeitung, Proben aus dem Agrar-, Futtermittel- und Lebensbereich und viele andere. Spezielle Ausführungen erlauben darüber hinaus eine Bestimmung der Isotope durch die Stabilisotopenverhältnisanalyse.

Ein typisches Laborgerät zur C-, H-, N- und S-Bestimmung beispielsweise vereinigt in einem Modul Komponenten zum Aufschluss bei hohen Temperaturen, zur Trennung von Gaskomponenten und Detektor-Einheiten. Die zu testenden Proben werden hierzu - gegebenenfalls mit geeigneten Zusätzen - in das Gerät gegeben und bei hohen Temperaturen in einer sauerstoffreichen Atmosphäre explosionsartig verbrannt und dadurch aufgeschlossen. Im einzelnen entstehen bei der Verbrennung:

 

Elementaranalyse Verbrennung

 

Die bei der Oxidation entstehenden Stickstoffoxide und das Schwefeltrioxid werden zusätzlich durch Überleiten über ein Kupfer-Netz zu Stickstoff bzw. Schwefeldioxid reduziert. Die gasförmigen Verbrennungsprodukte gelangen nun in eine Kaskade von Adsorptionssäulen, die - ähnlich einem Gaschromatographen - das Gasgemisch in die einzelnen Gase auftrennt und einer Detektoreinheit zuführen. Hier erfolgt schließlich die Messung mittels Wärmeleitfähigkeitsdetektoren und die elektronische Auswertung der einzelnen Bestandteile.

Die Elementaranalyse war schon immer eine häufig verwendete Labormethode in der Analytischen Chemie. Heute stehen dem Chemiker - neben den angesprochenen Elementaranalysatoren - eine Vielzahl verschiedener Instrumente und Apparaturen wie Massenspektrometern, Spektroskopen, Chromatografen usw. zur Verfügung stehen. In früheren Zeiten dagegen mussten die zu analysierende Proben in aufwendigen chemischen und physikalischen Verfahren und Laboroperationen in ihre elementaren Bestandteile zerlegt werden. Neben den analytischen Aspekten diente die Elementaranalyse häufig auch zur Ermittlung der empirischen Formel (Verhältnisformel) einer chemischen Verbindung; dazu wird für jedes einzelne Element X die Stoffmenge n aus der Masse M (dem Ergebnis der Elementaranalyse) und der Molmasse M bestimmt:

 

Stoffmenge n

 

Die Verhältnisformel ergibt sich schließlich aus dem Quotienten der Stoffmenge n und der kleinsten ermittelten Stoffmenge n(X).

 

Qualitative Elementaranalyse

Die qualitative Elementaranalyse bestimmt das Vorhandensein eines chemischen Elements in einer Probe, ohne weitere Aussagen über die Menge, das Verhältnis der einzelnen Bestandteile oder die Art der Zusammensetzung zu treffen.

Neben dem Einsatz von Elementaranalysatoren sind auch andere Verfahren, wie zum Beispiel die Massenspektrometrie, die Spektroskopie oder auch chemische Nachweisreaktionen, geeignet, um das Vorhandensein eines Grundstoffs nachzuweisen.

 

Quantitative Elementaranalyse

Die quantitative Bestimmung der einzelnen Elemente und der chemischen Zusammensetzung einer zu prüfenden Substanz erfordert einen gewissen Aufwand.

 


Kategorie: Terminologie

Aktualisiert am 17. Januar 2017.



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