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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