Elektroanalytik - LinkFang.de





Elektroanalytik


Die Elektroanalytik, auch elektroanalytische Chemie oder elektrochemische Analytik genannt, ist ein Teilbereich der analytischen Chemie und der Elektrochemie. Dabei werden elektrochemische Methoden verwendet, vor allem die Messung von Strömen und/oder Spannungen. Damit soll ein analytisches Ziel erreicht werden, z. B. können Aussagen zur Art der Bestandteile einer Lösung getroffen werden (qualitative Analyse) oder es wird eine Konzentration bestimmt (quantitative Analyse). Einige elektroanalytische Methoden haben eine große praktische Bedeutung und werden weltweit routinemäßig angewandt, beispielsweise bei der Blutuntersuchung in klinischen Laboratorien (z. B. zur Bestimmung von Ca2+). Viele weitere elektroanalytische Methoden kommen in der elektrochemischen Forschung zum Einsatz.

Die Vielzahl elektroanalytischer Methoden wird in verschiedene Kategorien eingeteilt, je nachdem, welche physikalische Größe der elektrochemischen Zelle kontrolliert und welche gemessen wird. Hauptkategorien sind die Potentiometrie, bei der eine Differenz in den Potentialen zweier Elektroden als Spannung gemessen wird, die Amperometrie, bei der ein Strom gemessen wird, die Coulometrie, bei der eine Ladung bestimmt wird, und die Voltammetrie, bei der ein Strom gemessen wird, während das Potential einer Elektrode geändert wird. Außerdem zählen auch die Konduktometrie und die Elektrogravimetrie zu den elektroanalytischen Methoden.

Potentiometrie

Hauptartikel: Potentiometrie

Potentiometrie mit ionenselektiven Elektroden

Hauptartikel: Ionenselektive Elektrode

Die in vielen Laboren verwendete Messung des pH-Wertes mit Hilfe einer Glaselektrode zählt zu den bekanntesten Messverfahren, bei denen eine Konzentration (genauer: eine Aktivität) anhand einer elektrischen Spannung ermittelt wird. Dabei wird die Spannung der Glaselektrode gegen eine Referenzelektrode gemessen; diese ist oft in die Glaselektrode eingebaut (Einstabmesskette). Aufgrund der Spannungsmessung handelt es sich um ein Verfahren der Potentiometrie. Analog sind alle Messungen mit ionenselektiven Elektroden potentiometrische Bestimmungen von Konzentrationen bzw. Aktivitäten. Mit Hilfe von ionenselektiven Elektroden werden die Konzentrationen medizinisch bedeutsamer Ionen (Chlorid, H+ und Kationen von Natrium, Kalium und Calcium) im Blut und im Urin bestimmt. Daher ist die Potentiometrie auch für die klinische Analytik bedeutsam, aber auch für die Wasser- und Umweltanalytik, z. B. mit der fluoridselektiven Elektrode.

Die Potentialmessung erfolgt in diesen Fällen praktisch stromlos, so dass die untersuchte Lösung kaum verändert wird. Geeignete Messgeräte können statt der gemessenen Spannung auch den pH-Wert bzw. die errechnete Konzentration ausgeben.

Chronopotentiometrie

Die Chronopotentiometrie besteht in der Messung des Elektrodenpotentials in Abhängigkeit von der Zeit, wobei ab Beginn der Messung ein konstanter Strom zur Elektrode fließt.[1] Damit können Diffusionsparameter eines an der Elektrode reagierenden Lösungsbestandteils bestimmt werden,[1] wie 1879 von Heinrich Friedrich Weber vorgeschlagen worden war.[2]

Coulometrie

Hauptartikel: Coulometrie

Bei der Coulometrie wird mit Hilfe eines Stromes eine zu bestimmende Spezies möglichst vollständig von einem Oxidationszustand in einen anderen überführt. Durch die Bestimmung der Gesamtladung kann die Gesamtmenge errechnet werden. Dazu wird mit den Faradayschen Gesetze die Ladung in eine Stoffmenge oder -masse umgerechnet. Wird ein konstanter Strom verwendet (galvanostatische Coulometrie), ergibt sich die Ladung einfach aus dem Produkt aus Strom und Zeit. Es kann auch ein konstantes Potential genutzt werden (potentiostatische Coulometrie), um sicherzustellen, dass nur die zu bestimmende Spezies reagiert. Dann wird die Stromstärke über die Zeit integriert, um die Ladung zu erhalten.

Zu den wichtigsten und häufig benutzten coulometrischen Bestimmungen zählt die coulometrische Variante des Karl-Fischer-Verfahrens, die immer dann angewandt wird, wenn kleine Wassergehalte, z. B. in Lösungs- oder Arzneimitteln, genau bestimmt werden müssen.

Amperometrie

Hauptartikel: Amperometrie

Zur Amperometrie zählen die Verfahren, bei denen ein Strom (Einheit: Ampere) gemessen wird. Ist das Elektrodenpotential festgelegt, handelt es sich um die potentiostatische Amperometrie. Im einfachsten Fall ist der Strom dann proportional zur Konzentration des Analyten. Wird der Zeitverlauf des Stromes ausgewertet, wird das Verfahren Chronoamperometrie genannt.

Die potentiostatische Amperometrie hat eine hohe praktische Bedeutung, beispielsweise wird sie in Deutschland in jedem öffentlichen Schwimmbad zur Regulierung des Chlorgehalts des Schwimmbadwassers genutzt. Der Sauerstoffgehalt von Wasser, z. B. bei der biologischen Reinigung von Abwasser, wird oft mit Hilfe von amperometrischen Sauerstoffsensoren überwacht, z. B. mit der sogenannten Clark-Elektrode.

Voltammetrie

Hauptartikel: Voltammetrie

Bei der Voltammetrie wird – in der Regel in einer Drei-Elektroden-Zelle und mit Hilfe eines Potentiostaten – das Potential einer Elektrode geändert und der hervorgerufene Strom gemessen. Für jede Oxidation oder Reduktion ergibt sich dann ein Maximum bzw. ein Minimum des Stromes. Anhand der Peaklage kann auf die Art des Analyten geschlossen werden, während die Peakfläche von seiner Konzentration abhängt. So können in einfachen Fällen z. B. mehrere verschiedene Metallionen nebeneinander identifiziert und bestimmt werden. Wird das Elektrodenpotential dabei schnell genug geändert, bleibt die an einer kleinen Elektrode umgesetzte Stoffmenge klein, so dass die Zusammensetzung der Lösung praktisch unverändert bleiben kann. Die Cyclovoltammetrie ist ein voltammetrisches Messverfahren, das in der technischen Analytik kaum genutzt wird, das aber in der elektrochemischen Grundlagenforschung zu den wichtigsten Routineverfahren zählt. Da ein Strom gemessen wird, kann man die Voltammetrie auch zu den amperometrischen Verfahren zählen.

Polarographie

Hauptartikel: Polarographie

Die Polarographie ist ein Verfahren der Voltammetrie, das eine Quecksilbertropfelektrode als Arbeitselektrode nutzt. Durch die hohe Überspannung des Wasserstoffs an Quecksilber lassen sich viele Metallionen ohne störende Wasserstoffentwicklung bestimmen.

Historisches

Schon 1801, direkt nach der Entdeckung der Elektrolyse, schlug William Cruickshank vor, dass die Elektrolyse auch zum Nachweis von Metallionen, z. B. des Kupfers, genutzt werden könne.[3] Danach wurde die Elektrolyse als Hilfsmittel bei der qualitativen chemischen Analyse benutzt.[3] Wenn eine Abtrennung bestimmter Metallionen für die Analyse hilfreich war, wurden diese Metallionen kathodisch reduziert. Das entstandene Metall wurde dann in Salpetersäure gelöst und nach wie vor auf nasschemischem Wege nachgewiesen.[3] Ab 1860 führte Oliver Wolcott Gibbs die Elektrogravimetrie als erste quantitative elektroanalytische Methode ein. 1890 veröffentlichte Edgar Fahs Smith ein erstes Lehrbuch der Elektroanalytik; dieses wurde mehrfach neu aufgelegt (1894, 1902, 1907). Ab 1921 entwickelte Jaroslav Heyrovský die Polarographie. Dafür erhielt er 1959 den Nobelpreis für Chemie. Seit August 1959 erscheint bei Elsevier das Journal of Electroanalytical Chemistry, seit Januar 1989 die Zeitschrift Electroanalysis bei John Wiley & Sons.

Literatur

  • Joseph Wang: Analytical electrochemistry. 3. Auflage. John Wiley & Sons, Chichester 2006, ISBN 978-0-471-67879-3.
  • Hubert H. Girault: Analytical and Physical Electrochemistry. EPFL Press/Marcel Dekker, Inc, Lausanne 2004, ISBN 2-940222-03-7 (eingeschränkte Vorschau in der Google-Buchsuche [abgerufen am 1. Januar 2016]).
  • Kenneth I. Ozomwna (Hrsg.): Recent Advances in Analytical Electrochemistry 2007. 1. Auflage. Transworld Research Network, 2007, ISBN 978-81-7895-274-1.
  • Edouard Albert Marie Fernand Dahmen: Electroanalysis. Theory and Applications in Aqueous and Non-Aqueous Media and in Automated Chemical Control (= Techniques and Instrumentation in Analytical Chemistry. Band 7). Elsevier Science Publishing, Amsterdam Oxford New York Tokyo 1986, ISBN 978-0-444-42534-8 (eingeschränkte Vorschau in der Google-Buchsuche [abgerufen am 1. Januar 2016]).

Weblinks

Einzelnachweise

  1. 1,0 1,1 Branko N. Popov: Chronopotentiometry. In: Advanced Topics in Electrochemical Science & Corrosion Engineering ECHE 789b, Theory and Applications, Fall 2003. 25. April 2002, Chapter 7 (Skript online [PDF; abgerufen am 31. Dezember 2015] pdf-Datei).
  2. Heinrich Friedrich Weber: Untersuchungen über das Elementargesetz der Hydrodiffusion. am 25. Nov. 1878 mitgetheilt. In: Gustav Heinrich Wiedemann (Hrsg.): Annalen der Physik und Chemie. Band 243, Nr. 7. Verlag von Johann Ambrosius Barth, Leipzig 1879, S. 469–487, doi:10.1002/andp.18792430708 (pdf-Datei online auf den Seiten der Thüringer Universitäts- und Landesbibliothek Jena (ThULB); online auf den Seiten von GallicaBibliothèque nationale de France).
  3. 3,0 3,1 3,2 Edgar Fahs Smith: Electro-Analysis. P. Blakiston's Son & Co., Philadelphia 1907, 4. Historical, S. 19–32 (online auf den Seiten des Internet Archive [abgerufen am 2. Januar 2016]).

Kategorien: Keine Kategorien vorhanden!

Quelle: Wikipedia - http://de.wikipedia.org/wiki/Elektroanalytik (Vollständige Liste der Autoren des Textes [Versionsgeschichte])    Lizenz: CC-by-sa-3.0

Änderungen: Alle Bilder mit den meisten Bildunterschriften wurden entfernt. Ebenso alle zu nicht-existierenden Artikeln/Kategorien gehenden internen Wikipedia-Links (Bsp. Portal-Links, Redlinks, Bearbeiten-Links). Entfernung von Navigationsframes, Geo & Normdaten, Mediadateien, gesprochene Versionen, z.T. ID&Class-Namen, Style von Div-Containern, Metadaten, Vorlagen, wie lesenwerte Artikel. Ansonsten sind keine Inhaltsänderungen vorgenommen worden. Weiterhin kann es durch die maschinelle Bearbeitung des Inhalts zu Fehlern gerade in der Darstellung kommen. Darum würden wir jeden Besucher unserer Seite darum bitten uns diese Fehler über den Support mittels einer Nachricht mit Link zu melden. Vielen Dank!

Stand der Informationen: August 201& - Wichtiger Hinweis: Da die Inhalte maschinell von Wikipedia übernommen wurden, ist eine manuelle Überprüfung nicht möglich. Somit garantiert LinkFang.de nicht die Richtigkeit und Aktualität der übernommenen Inhalte. Sollten die Informationen mittlerweile fehlerhaft sein, bitten wir Sie darum uns per Support oder E-Mail zu kontaktieren. Wir werden uns dann innerhalb von spätestens 10 Tagen um Ihr Anliegen kümmern. Auch ohne Anliegen erfolgt mindestens alle drei Monate ein Update der gesamten Inhalte.