Quelle Nummer 369
Rubrik 19 : CHEMIE Unterrubrik 19.00 : CHEMIE
PHOTOMETRIE
FRITZ UMLAND
THEORIE UND PRAKTISCHE ANWENDUNG VON KOMPLEXBILD-
NERN, METHODEN DER ANALYSE IN DER CHEMIE BAND 9
FRANKFURT 1971, S. 344-
001 CHELATBILDNER IN DER
002 PHOTOMETRIE. Anwendungsbereiche
003 photometrischer Analysenverfahren. Mit Hilfe der Photometrie
004 ist es möglich geworden, Konzentrationsbereiche zu untersuchen,
005 die bisher durch die klassischen Verfahren nicht oder nur mit
006 erheblichem Aufwand analysiert werden konnten. Die Bedeutung der
007 Photometrie liegt also nicht wesentlich darin, daß sie ältere
008 Verfahren ersetzt hat, sie ist deshalb so wichtig, weil sie den
009 ständig anspruchsvoller werdenden Forderungen der Technik nach
010 genauer Erfassung sehr geringer Gehalte auf oft recht einfache
011 Weise nachkommt. Dennoch ist die Anwendung der Photometrie nicht
012 auf die Spurenanalyse, also auf Gehalte unter 0,01
013 % beschränkt. Bei Routineuntersuchungen ist man dazu
014 übergegangen, auch höhere Gehalte entweder durch Anwendung der
015 Präzisionsphotometrie oder nach Verdünnung der
016 Ausgangslösungen photometrisch zu analysieren. Bei
017 Spurenbestimmungen liegen Bruchteile eines Prozentes von einem
018 Element vor, das neben einem hundertfachen bis
019 millionenfachen Überschuß anderer Elemente zu bestimmen ist.
020 Aus dieser Problemstellung ergibt sich die Forderung nach
021 möglichst großer Empfindlichkeit und hoher
022 Selektivität bei möglichst großer Zuverlässigkeit,
023 also kleinen Standardabweichungen des Verfahrens. Auf das
024 LAMBERT-BEERsche Gesetz (Formel) bezogen, ergibt sich
025 für Spurenbestimmungen, daß bei sehr kleinem c eine möglichst
026 große Schichtdicke d der Küvetten verwendet werden soll, der
027 Extinktionskoeffizient *ye möglichst hoch und die Messung der
028 Extinktion gut reproduzierbar sein soll. In den folgenden
029 Abschnitten wird ausgeführt, welche Maßnahmen dazu im einzelnen
030 nötig sind. Die Messung der Extinktion. Geräte,
031 mit denen Extinktionsmessungen durchgeführt werden, bezeichnet man
032 als Photometer. Sie sind nach dem Schema von Abb. 15
033 aufgebaut: (Abb.). Zur Ausführung der Messung benötigt man
034 eine Küvette mit der Lösung, deren Extinktion bestimmt werden
035 soll (Probelösung), und eine Küvette, die das gleiche
036 Lösungsmittel enthält wie die Probelösung
037 (Vergleichslösung). In den meisten Fällen - vor allem bei
038 den in der Serienanalyse hauptsächlich eingesetzten
039 Einstrahlphotometern - bringt man nach der (elektrischen)
040 Nullpunktseinstellung die Vergleichslösung in den Strahlengang,
041 öffnet denn die Blende so weit, daß das Anzeigegerät auf 100
042 % Durchlässigkeit steht, und mißt in Extinktionseinheiten
043 die Schwächung des Lichtstrahls, die eintritt, wenn die
044 Vergleichslösung durch die Probelösung ersetzt wird. Die
045 Auswertung der Messungen geschieht durch Ablesen der
046 Konzentration aus einer Eich-Kurve oder
047 Einmeß-Kurve (Extinktion gegen Konzentration
048 aufgetragen), die mit bekannten Gehalten erstellt worden ist.
049 Wenn die Eichkurve eine Gerade ist, kann die Konzentration auch
050 durch Multiplikation der Extinktion mit einem Faktor (Formel) berechnet
051 werden, der sich aus dem Extinktionskoeffizienten - ggf. einem
052 empirischen Faktor für die betreffende Methode - und der
053 Schichtdicke erbibt. Bei der Extraktion des gesuchten
054 Elementes in Form von Ionenassoziaten ist zu beachten, daß diese
055 in geringem Maße auch in der organischen Phase dissoziiert sind
056 ((Formel)). Liegen spektrale Unterschiede zwischen Assoziat und seinen
057 Dissoziationsprodukten vor, was meistens der Fall ist, so kann
058 eine direkte photometrische Bestimmung sehr kleiner Konzentrationen
059 des Dissoziates in der organischen Phase fehlerhaft oder unmöglich
060 werden. Die Eichkurve ist dann bei sehr kleinen Konzentrationen
061 gekrümmt und läuft nicht durch den Nullpunkt. Eine Aufstellung
062 der Eichkurve bei höheren Konzentrationen und Extrapolation auf
063 den Nullpunkt darf bei Ionenassoziaten auf keinen Fall
064 durchgeführt werden, weil diese Fehlermöglichkeit dann übersehen
065 wird. Gegebenenfalls ist das extrahierte Ionenassoziat mit einem
066 anderen Reagens zur photometrischen Bestimmung umzusetzen.
067 Zeitliche Konstanz der Extinktion. Bei der Prüfung eines
068 photometrischen Analysenverfahrens ist die Feststellung der
069 Zeitabhängigkeit der Extinktion der Probelösungen unerläßlich.
070 Viele Chelatbildungsreaktionen gehen nicht augenblicklich vor
071 sich, und eine Gleichgewichtseinstellung - gleichbedeutend mit
072 konstanter Extinktion - wird erst nach einigen Minuten oder sogar
073 Stunden erreicht. In einigen Fällen nimmt die Extinktion nach
074 Erreichen eines Maximalwertes wieder ab. Bei derartigen
075 Reaktionen ist eine sehr genaue Einhaltung einer bestimmten
076 Stand-Zeit, nach deren Ablauf die Proben gemessen werden
077 müssen, Voraussetzung für reproduzierbare Ergebnisse.
078 Einfluß der Temperatur. Im allgemeinen ist der Einfluß der
079 Temperatur auf die Extinktion gering. Natürlich nimmt die
080 Extinktion einer Lösung mit steigender Temperatur etwas ab, da
081 das Volumen der Lösung größer und damit die Konzentration des
082 gelösten farbigen Stoffes geringer wird. Doch sind die Fehler
083 bei den in der Praxis vorkommenden Temperaturdifferenzen von (math.Op.) 5^
084 C klein gegenüber anderen Störungen. Allerdings ist die
085 Einhaltung einer bestimmten Temperatur in all den Fällen von
086 Bedeutung, wo eine Temperaturerhöhung die Einstellung eines
087 chemischen Gleichgewichtes beeinflußt. Es ist z. B.
088 möglich, daß eine höhere Temperatur die
089 Reaktionsgeschwindigkeit soweit erhöht, daß unterschiedliche
090 Extinktionen, etwa bei 20 oder 25^ C, gemessen werden. Der
091 Grund liegt meist darin, daß sich bei der niedrigeren Temperatur
092 noch kein Gleichgewicht einstellt und die Reaktionsgeschwindigkeit
093 so gering ist, daß keine Zunahme der Extinktion beobachtet wird.
094 In diesen Fällen wird ein kurzes Erwärmen der Reaktionspartner
095 oft die Temperaturabhängigkeit der Extinktion beseitigen. Eine
096 andere Ursache kann darin liegen, daß die farbigen Moleküle in
097 zwei verschiedenen Modifikationen auftreten, die sich nur langsam
098 ineinander umwandeln. Ein Beispiel dafür sind bestimmte
099 Heteropolysäuren. Streuung des Lichtes. Eine weitere
100 Voraussetzung für störungsfreies Messen der Extinktion ist die
101 Abwesenheit irgendwelcher Trübungen, d. h.
102 feinverteilter fester oder flüssiger Stoffe, wie beispielsweise
103 durch ein Filter durchgelaufener Anteile eines Niederschlages,
104 Filterpapierfasern oder Tröpfchen einer anderen flüssigen Phase,
105 wie es häufig nach Verteilungsreaktionen vorkommt. Die
106 Störung durch derartige Trübungen ist um so größer, je kleiner
107 die Wellenlänge (Formel) des Lichtes ist, bei der gemessen wird.
108 Nach der von RAYLEIGH entwickelten Theorie der
109 TYNDALL-Streuung ist die Intensität I des
110 Streulichtes proportional (Formel). (Formel). N Zahl der streuenden
111 Teilchen pro Volumeneinheit, V Volumen des einzelnen Teilchens,
112 (Formel) Eingestrahlte Lichtintensität, (Formel) Entfernung vom
113 beleuchteten Volumenelement. Fehler durch Streuverluste sind
114 also besonders bei Extinktionsmessungen im UV zu erwarten. Das
115 ist einer der Gründe, weshalb man für photometrische
116 Bestimmungen Chelate vorzieht, welche im Sichtbaren absorbieren.
117 Die bei extraktionsphotometrischen Bestimmungen häufig auftretende
118 Aufgabe, Tröpfchen von organischer Phase aus wäßrigen
119 Lösungen oder Wassertröpfchen aus organischen Lösungsmitteln zu
120 entfernen, kann auf verschiedene Weise gelöst werden: Die
121 einfachste Methode ist Filtration durch ein trockenes
122 Filter und Verwerfen der ersten durchgelaufenen Anteile. Ein
123 mit Wasser benetztes Papierfilter hält Tröpfchen der organischen
124 Phase zurück, ein mit dem organischen Lösungsmittel benetztes
125 Filter hält Wassertropfen zurück. Konzentrationsänderungen
126 durch Adsorption des Lösungsmittels oder des gelösten Stoffes
127 treten nur in den ersten Anteilen auf; die Störung durch
128 Papierfasern ist gering und muß nur bei Messungen im UV
129 berücksichtigt werden. Oft führt in solchen Fällen
130 Zentrifugieren der Lösungen vor der Messung zum Ziel.
131 Stört ein Verbleiben kleiner Restmengen der zweiten Phase nicht,
132 so kann jede Emulsion durch Zugabe von Lösungsvermittlern,
133 meist Methanol oder Aceton, homogenisiert werden.
134 Wassertropfen aus organischen Lösungsmitteln, wie (Formel) kann man
135 durch Zugabe von etwas wasserfreiem (Formel) beseitigen.
136 " Feuchtes " (Formel) setzt sich in (Formel) rasch flockig zu Boden, ohne
137 eine merkliche Resttrübung zu hinterlassen. Gelegentlich wird
138 jedoch eine Adsorption des farbigen Chelates am (Formel) beobachtet.
139 Für sehr genaue Bestimmungen wird in solchen Fällen ein
140 Auswachsen des (Formel) empfohlen. Fehler bei
141 Extinktionsmessungen. Die Fehler, die bei
142 Extinktionsmessungen nicht durch die Beschaffenheit der Lösungen,
143 sondern durch den apparativen Aufbau des Photometers bedingt sind,
144 waren schon Gegenstand zahlreicher Untersuchungen. Ist (Formel) die
145 kleinste noch meßbare Änderung der Extinktion, so sollte der
146 Ausdruck (Formel) für anspruchsvolle Messungen möglichst klein sein
147 und sich über einen größeren Meßbereich wenig ändern. Für
148 PbS-Zellen durchläuft der Wert für den relativen Fehler
149 (Formel) prop. (Formel) - unter der Voraussetzung, daß (Formel) konstant und
150 unabhängig vom absoluten Wert von I ist - bei E = 0,434
151 (bzw. der Durchlässigkeit D = 36,8 %) ein Minimum.
152 Wichtig für die Praxis ist der Verlauf der Kurve (Formel) bzw. (Formel)
153 in Abhängigkeit von E. Aus der Abb. 16 (Kurve b) kann
154 entnommen werden, daß der günstigste Bereich für photometrische
155 Messungen zwischen E = 0,2 und E = 0,8 liegt. Oberhalb
156 und besonders unterhalb dieses Bereiches steigen die Fehler bei
157 Extinktionsbestimmungen so stark an, daß beim Aufstellen der
158 Eichkurve nur Werte innerhalb von 0,1 bis 0,9
159 Extinktionseinheiten berücksichtigt werden sollten. Ist bei
160 Messungen mit Sekundärelektronenvervielfachern (SEV) der
161 Fehler nur auf das Rauschen des Empfängers zurückzuführen und
162 sind alle anderen Fehlerquellen wie Galvanometerablesung,
163 Verstärkerschwankungen u. a. kleiner als dieser Effekt,
164 gilt die Abhängigkeit (Formel) bzw. (Formel) von E entsprechend Kurve a
165 in Abb. 16. Es können dann auch Extinktionen (Formel) mit geringem
166 Fehler gemessen werden. Reagenzien in der Photometrie.
167 Wenn man von den wenigen anorganischen Reagenzien, wie z.B.
168 Thiocyanaten und Jodiden, absieht, so sind die in der
169 Photometrie verwendeten Reagenzien, mit Ausnahme einiger
170 Farbstoffe, wie etwa Methylenblau und Rhodamin B, nahezu
171 ausschließlich Chelatbildner. Der Grund für die bevorzugte
172 Anwendung dieser organischen Reagenzien liegt in der oft recht
173 guten Selektivität und in der meist sehr hohen Empfindlichkeit der
174 Chelatbildungsreaktionen. Etwa ein Viertel aller erscheinenden
175 analytischen Arbeiten befaßt sich mit der Verwendung von Chelaten
176 in der photometrischen Analyse. Praktische Gesichtspunkte bei
177 der Auswahl von Reagenzien In der Praxis ist der Analytiker
178 oft vor die Aufgabe gestellt, Reagenzien auszuwählen, die sich
179 für die Durchführung einer bestimmten analytischen Untersuchung
180 am besten eignen. Für die Auswahl sind Selektivität und
181 Empfindlichkeit die wichtigsten Kriterien neben dem
182 Zeitbedarf für ein Verfahren und der zu erwartenden
183 Streuung der Analysenergebnisse. Der Zeitbedarf kann aus der
184 Arbeitsvorschrift abgeschätzt werden, und die Streuung der Werte
185 ist aus der Standardabweichung zu ersehen. Selektivität und
186 Empfindlichkeit sind in erster Linie durch die Eigenschaften der
187 Reagenzien bedingt. Selektivität. Da bei den meisten
188 Analysen das zu bestimmende Element neben einer Anzahl anderer
189 Elemente vorliegt, wird man bestrebt sein, Reagenzien einzusetzen,
190 die ausschließlich mit dem gefragten Element reagieren.
191 Reaktionen (oder Reagenzien), die unter definierten
192 experimentellen Bedingungen nur einen einzigen Stoff anzeigen,
193 werden spezifisch genannt, während diejenigen, die eine
194 verhältnismäßig kleine Gruppe von Stoffen anzeigen, als
195 selektiv bezeichnet werden. Spezifische Reaktionen (Reagenzien)
196 sind recht selten. Meist kommen Reaktionen zur Anwendung, die
197 mehr oder weniger selektiv sind. Je selektiver eine Reaktion eines
198 Chelatbildners mit einem Metallion ist, desto weniger
199 Trennoperationen sind nötig, um das zu bestimmende Element von
200 störenden Ionen zu befreien. Man wird also immer bestrebt sein,
201 möglichst ein Reagens zu verwenden, das nach dem Lösen der
202 Probe, gegebenenfalls Zusatz eines Maskierungsmittels, und
203 Einstellen des (Formel)-Wertes zugegeben werden kann, ohne daß
204 weitere Manipulationen erforderlich sind. Die Bestimmung des
205 Kupfers in legierten und unlegierten Stählen mit (Formel)-
206 Bichinolin ist dafür ein ausgezeichnetes Beispiel. Eine
207 auffallende Selektivität zeigen auch die *ya-Dioxime
208 für Ni und Pd. Die Selektivität wird einerseits bestimmt durch
209 die funktionellen Gruppen des Reagensmoleküls, die an der
210 Chelatbildung beteiligt sind, und kann andererseits in vielen
211 Fällen durch Einführen von Substituenten in das
212 Molekül des Chelatbildners erhöhrt werden. Beispiele dafür
213 finden sich in den Kapiteln bis. Liegt kein ausreichend
214 selektives Reagens vor, so können noch folgende einfache und oft
215 recht wirksame Maßnahmen zur Ausschaltung von Störungen durch
216 Fremdionen eingesetzt werden: Wahl des (Formel)-Wertes,
217 bei dem die Reaktion am wenigsten gestört wird; Zugabe eines
218 oder mehrerer Maskierungsmittel und Wechsel der
219 Oxydationsstufe des störenden Elementes. Ist trotzdem eine
220 Trennung erforderlich, so haben sich für photometrische
221 Bestimmungen Verteilungsverfahren besonders bewährt, die
222 meist sehr schnell durchgeführt werden können und oftmals - durch
223 Messung in organischen Lösungsmitteln - eine
224 Empfindlichkeitssteigerung bewirken. Wenn immer möglich,
225 sollte man Trennungsoperationen vorziehen, die das zu bestimmende
226 Element selektiv aus der Masse der Störionen abtrennen. Auch
227 hierzu ist am besten die Extraktion geeignet. Das umgekehrte
228 Verfahren, die Extraktion der Störelemente, führt
229 selten für alle gleichzeitig zum Ziel, ist häufig
230 umständlich und bewirkt merkliche Fehler, wenn mehrfach und mit
231 größeren Flüssigkeitsvolumina geschüttelt werden muß.
232 Vortrennungen durch Fällung der Störelemente sind
233 dagegen möglichst zu vermeiden, da hierdurch meistens
234 Minderbefunde durch Adsorption und Okklusion des zu bestimmenden
235 Spurelementes hervorgerufen werden. Empfindlichkeit
236 Die Empfindlichkeit der Bestimmungsverfahren muß genau
237 bekannt sein, da man erst mit der Kenntnis der Anwendungsgrenzen
238 beurteilen kann, ob ein Verfahren für die jeweils vorliegenden
239 Konzentrationsverhältnisse einsetzbar ist. Für jedes analytische
240 Verfahren gibt es eine Nachweisgrenze oder
241 Bestimmungsgrenze. An der Nachweisgrenze liegt die
242 Grenzkonzentration vor, das ist die Mindestkonzentration in
243 Gramm des nachzuweisenden Stoffes pro Milliliter, bei der ein
244 positiver Nachweis gerade noch zu erkennen ist. Ein Nachweis ist
245 dann noch mit 99,7 % iger Sicherheit als positiv zu
246 bezeichnen, wenn sich der Meßwert x an der Nachweisgrenze
247 um die Größe (Formel) von den Blindwerten unterscheidet: (Formel), wobei
248 (Formel) der Mittelwert und (Formel) die wahre Standardabweichung der
249 Blindwerte ist. Jeder Wert der Extinktionsdifferenz (Formel)
250 entspricht nach dem LAMBERT-BEERschen Gesetz
251 einer bestimmten Konzentration, und zwar in diesem Fall der
252 Grenzkonzentration. Bei hoher Grenzkonzentration wird ein
253 Verfahren als wenig empfindlich bezeichnet und umgekehrt. Es
254 ergibt sich also, daß die Empfindlichkeit direkt proportional dem
255 Extinktionskoeffizienten und der Schichtdicke und umgekehrt
256 proportional der Extinktionsdifferenz (Formel) ist. Bezieht man die
257 Empfindlichkeit nicht auf die Grenzkonzentration, sondern auf die
258 kleinste Substanzmenge, die noch nachgewiesen werden kann,
259 dann folgt unter Berücksichtigung dieser Volumenabhängigkeit,
260 daß eine Erhöhung der Empfindlichkeit photometrischer
261 Bestimmungen zur Erfassung immer geringerer Spurenmengen durch
262 Verringerung der Streuung der Blindwerte, durch Verwendung
263 eines möglichst kleinen Endvolumens, durch die Vergrößerung
264 der Schichtdicke der Küvetten und durch die Wahl von
265 Reaktionen, die zu hohen Extinktionskoeffizienten führen, zu
266 erreichen ist. In erster Linie wird die Empfindlichkeit durch die
267 Größe des Extinktionskoeffizienten bestimmt. Die
268 üblicherweise verwendeten Metallchelate haben
269 Extinktionskoeffizienten in der Größenordnung von (Formel) bis (Formel).
270 Durch Veränderung des Chelatbildners, etwa durch Ersatz von
271 Sauerstoff durch Schwefel als Ligandatom, kann man den
272 Extinktionskoeffizienten der Chelate eines gegebenen Metalles etwa
273 um den Faktor 2 bis 3 erhöhen. Nur bei sehr wenigen Chelaten
274 wird jedoch der theoretisch mögliche Maximalwert von (Formel) je
275 Elektronenübergang annähernd erreicht. Systematische
276 Untersuchungen über eine Erhöhung der Extinktionskoeffizienten
277 für spurenanalytische Zwecke liegen bisher noch nicht vor. Es
278 wurden jedoch in den letzten Jahren zahlreiche sehr empfindliche
279 Reagenzien gefunden, so daß in der Praxis für nahezu jedes
280 Element Reaktionen zur Verfügung stehen, die die Erfassung
281 geringer Mengen erlauben. Eine interessante Möglichkeit, die
282 Empfindlichkeit einer Reaktion zu steigern, ist durch eine
283 stöchiometrische chemische " Vervielfachung " gegeben, wie
284 sie zur Bestimmung kleiner Mengen Phosphat vorgeschlagen wurde.
285 Dazu wird P als Dodekamolybdatophosphorsäure extrahiert und das
286 Molybdän an Stelle des Phosphors photometrisch bestimmt. Die
287 Vervielfachung beträgt exakt (Formel).
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