Die Elementaranalyse befasst sich mit der Bestimmung der in organischen und anorganischen Verbindungen enthaltenen Elemente. Als Teilbereich der Analytischen Chemie ermöglicht sie es, die elementare Zusammensetzung von Substanzen zu bestimmen. Dabei werden insbesondere die Nichtmetalle Kohlenstoff, Wasserstoff, Sauerstoff, Stickstoff, Schwefel sowie Phosphor und die Halogene untersucht. Die Elementaranalyse spielt eine wichtige Rolle in verschiedenen Bereichen wie der Umweltanalytik, der Lebensmittelkontrolle und der pharmazeutischen Industrie.
Sie umfasst sowohl die qualitative Bestimmung der Bestandteile in einer Probe als auch die quantitative Bestimmung des prozentualen Gehalts oder Massenanteils der gefundenen Elemente. Es ist wichtig, die Elementaranalyse von der Analyse einzelner Elemente zu unterscheiden, bei der eine Auswahl von Elementen (vom Bor bis zum Uran) beispielsweise mittels Röntgenfluoreszenzanalyse untersucht wird.
Bei reinen Verbindungen kann anhand des prozentualen Gehalts der Elemente und der bekannten Molekülmasse die Summenformel bestimmt werden. Die Elementaranalyse wird auch in der Forschung und Produktion chemischer Produkte eingesetzt, um die Reinheit organischer und anorganischer Substanzen zu kontrollieren.
Organische Elementaranalyse
Antoine Laurent de Lavoisier entwickelte die ersten Apparaturen für eine organische Elementaranalyse. Joseph Louis Gay-Lussac und Louis Jaques Thénard verbesserten die Apparatur deutlich. Sie verkleinerten die Apparatur und setzten Kaliumchlorat als Oxidationsmittel ein. Um 1815 setzte Döberreiner auch Kupfer(II)-oxid ein. Zur Verhinderung von Messfehlern durch Stickstoffoxide verwendeten sie Kupferspäne.
Jöns Jakob Berzelius (1813–1817) nutzte erstmals wasserfreies Calciumchlorid, um das beim Verbrennungsprozess entstehende Wasser zu binden.
Justus von Liebig erreiche eine erhebliche Verbesserung der Elementaranalyse. Er benutzte Glaskugeln in Form eines Fünf-Kugel-Apparates, gefüllt mit einer wässrigen Kaliumhydroxidlösung. Sie dienten zur Bindung des entstehenden Kohlendioxids, so dass mit diesem Apparat der Kohlenstoffanteil einer organischen Verbindung gut bestimmt werden konnte. Ferner verwendete Liebig einen mehrfach geteilten Kohleofen und ein bajonettförmiges Verbrennungsrohr. Die Bestimmung des Stickstoff erfolgte getrennt volumetrisch. Die Analyseergebnisse waren mit dieser Apparatur sehr präzise und Analysen benötigten weniger Zeitaufwand als die früheren Apparaturen.
Spätere Verbesserungen der Apparatur waren: Durch Varrentrap und Will (1841), die Bestimmung des Stickstoffs als Ammoniak, durch Glaser, der Eintritt von Sauerstoffgas in das Verbrennungsrohr und die Lagerung der Substanzprobe nahe der Mündung, durch Dennstedt (1900), die elektrische Heizung, durch Fritz Pregl (1912–1917), (Nobelpreis für Chemie 1923, für die von ihm entwickelte Mikroanalyse organischer Substanzen).
Die frühere Elementaranalyse
Frühere Apparaturen zur Elementaranalyse verwendeten ein Glasrohr mit einem Porzellanschälchen für die Stoffprobe und Kupfer(II)-oxid. Flüssige Stoffe wurden in einer ausgezogenen Glaskugel verdampft. Das Rohr wurde mit Stopfen verschlossen und an den Enden befanden sich eine Sauerstoffquelle und ein U-Rohr mit Calciumchlorid zur Trocknung. Das entstehende Gas wurde durch Kaliumhydroxid-Lösung geleitet. Die Verbrennung der Probe erfolgte nach dem Erhitzen des Kupferoxids unter ausreichendem Sauerstoffstrom.
Die Erfassung des freigesetzten Wassers erfolgte durch die Messung der Gewichtszunahme des Calciumchloridrohrs. Der Wasserstoff des Wassers stammt aus der organischen Verbindung. Die Aufnahme von Kohlendioxid ließ Rückschlüsse auf die Gewichtszunahme der Kaliumhydroxid-Lösung zu. Der Kohlenstoff des Kohlendioxids stammt aus der organischen Verbindung. Diese Methoden ermöglichten die Bestimmung der Elementzusammensetzung in der Probe.
Der Wasserstoffanteil des Wassers bei der Verbrennung der organischen Probe lässt sich leicht berechnen:
Wasserstoffanteil: 2,02:18,0 = 0,1119
Mit diesem Faktor musste die Gewichtszunahme im Calciumchloridrohr (das entstandene Wasser) nach der Verbrennung multipliziert werden, um den Gewichtsteil von Wasserstoff der organischen Verbindung zu erhalten.
Für Kohlenstoff ergibt sich analog: Kohlenstoffanteil: 12,01 : 44,0 = 0,2729
Werden die multiplizierten Gewichtsmengen dann in Relation zur Einwaage gesetzt, ergibt die Differenz den Sauerstoff-, Stickstoff-, Phosphor-, Halogenanteil der Verbindung.
Die jeweilige Gewichtsmasse der Einzelelemente dividiert durch das Atomgewicht des Elementes ergibt der Verhältnisformel. Suchte man nun nach ganzzahligen Vielfachen für jedes Element in der Verhältnisformel, so erhielt man die Summenformel oder auch Molekülformel.
Aufschlussmethoden
Je nach zu bestimmenden Element stehen verschiedene Labormethoden zur Verfügung. So wird Stickstoff meist als Ammoniak durch Titration bestimmt. Dazu gibt es spezielle Reaktionsgefäße (Kjeldahl-Kolben, Fresenius-Kolben), mit denen Verluste vermieden werden, welche das Analysenergebnis sonst verfälschen würden.
Verbrennungsmethoden
Die aktuelle Technik für die CHNS-Analytik (Analyse von Kohlenstoff, Wasserstoff, Stickstoff und Schwefel) basiert auf der Verbrennungsanalytik. Dabei wird die Probe genau gewogen und anschließend bei hohen Temperaturen (bis zu 1800 °C) mit reinem Sauerstoff katalytisch verbrannt.
Die entstehenden Verbrennungsgase werden durch einen Kupfer- oder Wolframkontakt geführt, der Stickoxide (NOx) zu molekularem Stickstoff (N2) reduziert. Danach werden die spezifischen Verbrennungsgase (CO2, H2O, SO2, N2) in Trennsäulen oder gaschromatographisch separiert und mit einem Wärmeleitfähigkeitsdetektor quantifiziert.
Die Reihenfolge der Elemente in den Messungen erlaubt die eindeutige Identifizierung und die Bestimmung der Elementmengen. Der Massenanteil der Elemente in der Probe wird mit Hilfe der bekannten Einwaage genau berechnet.
Eine andere Methode verwendet gasspezifische Detektoren wie IR-Detektoren für CO2, H2O und SO2 sowie einen Wärmeleitfähigkeitsdetektor für Stickstoff (N2). Flammenionisationsdetektoren werden seltener eingesetzt.
Es gibt Mikro-Elementaranalysatoren, optimiert für kleine Substanzeinwaagen von etwa 0,01-10 mg, und Makro-Elementaranalysatoren, die für höhere Substanzeinwaagen von bis zu ca. 5 g ausgelegt sind.
Stickstoffbestimmung
Als Ableger der klassischen Elementaranalyse gibt es auch reine Stickstoffanalysatoren nach der Dumas-Methode zur Bestimmung des Gehaltes an Stickstoff bzw. Protein. Diese Geräte finden bevorzugt in der Analytik landwirtschaftlicher Produkte, für Boden- und Pflanzenanalytik sowie in der Lebensmittelanalytik Verwendung.
Sauerstoffbestimmung durch Hochtemperaturpyrolyse
Im Gegensatz zur CHNS-Bestimmung wird zur Bestimmung des Sauerstoffsgehaltes in einer Probe unter inerten bzw. reduktiven Bedingungen (nur reines Helium oder Formiergas als Trägergas) bei hohen Temperaturen (meist ca. 1200 bis 1400 °C) an einem feinverteilten Kohlekontakt (Gasruß) quantitativ Kohlenstoffmonoxid (CO) gebildet. Dieses CO wird anschließend, wie bei der CHNS-Analyse, über eine spezifische Trennsäule oder GC-Säule vom ebenfalls bei der Pyrolyse entstehenden Stickstoff N2 getrennt und an einem Wärmeleitfähigkeitsdetektor (WLD bzw. TCD) gemessen und quantifiziert. Alternativ kann die CO-Quantifizierung z. B. auch über einen CO-spezifischen IR-Detektor erfolgen.
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