Análisis elemental
El análisis elemental es una rama de la química analítica . Es el método para determinar los elementos de los no metales carbono , hidrógeno , oxígeno , nitrógeno y azufre contenidos en compuestos orgánicos e inorgánicos , así como fósforo y halógenos . Se distingue entre la mera determinación de los constituyentes ( análisis elemental cualitativo ) y la determinación del contenido porcentual o fracción de masa de los elementos encontrados ( análisis elemental cuantitativo) ).
En el caso de un compuesto puro, su fórmula molecular se puede determinar a partir del contenido porcentual de los elementos con una masa molecular conocida . El análisis elemental también se utiliza en la investigación y producción de productos químicos para controlar la pureza de sustancias orgánicas e inorgánicas.
historia
Análisis elemental orgánico
El primer aparato para el análisis elemental orgánico fue desarrollado por Antoine Laurent de Lavoisier . Joseph Louis Gay-Lussac y Louis Jaques Thénard mejoraron significativamente el aparato, el aparato se hizo más pequeño y el clorato de potasio , más tarde también se utilizó óxido de cobre (II) (con Döberreiner alrededor de 1815) como agente oxidante, y se utilizaron virutas de cobre para prevenir Errores de medición debidos a óxidos de nitrógeno.
Jöns Jakob Berzelius (1813-1817) fue el primero en utilizar cloruro de calcio anhidro para unir el agua producida durante el proceso de combustión.
Justus von Liebig logró una mejora considerable en el análisis elemental y su descripción se puso a disposición de un gran número de lectores. Liebig utilizó bolas de vidrio en forma de un aparato de cinco bolas , que contenían una solución acuosa de hidróxido de potasio y sirvieron para unir el dióxido de carbono formado, de modo que el contenido de carbono de un compuesto orgánico podría determinarse con este aparato. Liebig también utilizó una estufa de carbón multi-split y un tubo de combustión en forma de bayoneta. El nitrógeno se determinó volumétricamente por separado. Los resultados del análisis fueron muy precisos con este aparato y los análisis requirieron menos tiempo que el aparato anterior.
Las mejoras posteriores al aparato fueron: por Varrentrap y Will (1841), la determinación de nitrógeno como amoníaco, por Glaser, la entrada de oxígeno gaseoso en el tubo de combustión y el almacenamiento de la muestra de sustancia cerca de la boca, por Dennstedt (1900) , el calentamiento eléctrico, de Fritz Pregl (1912-1917), ( Premio Nobel de Química 1923, por el microanálisis de sustancias orgánicas que desarrolló ).
La importancia del análisis elemental orgánico
Una sustancia orgánica debe aislarse primero uniformemente mediante métodos de separación física ( destilación , sublimación , cromatografía , cristalización ) antes de realizar un análisis elemental. El conocimiento de las composiciones elementales de muchos compuestos orgánicos permitió luego hacer suposiciones sobre la fórmula molecular , a veces también la fórmula estructural , de una molécula orgánica.
Sin el análisis de elementos orgánicos no habría sido posible determinar las estructuras de sustancias orgánicas. El análisis elemental fue de crucial importancia en el desarrollo de la química orgánica.
Descripción del análisis elemental anterior
Un aparato anterior para el análisis elemental consistía en un tubo de vidrio difícil de fundir (50 cm de largo), en la parte frontal un pequeño plato de porcelana con la muestra de material pesada con precisión (aprox. 0,5 g) - encerrada por dos tapones de amianto - se colocado, detrás de él, hasta el final del tubo, había óxido de cobre (II). Las sustancias líquidas se introdujeron en una pequeña bola de vidrio con una punta puntiaguda (la sustancia se evapora cuando se calienta). El tubo se cerró en los extremos con tapones perforados que contenían un tubo de vidrio delgado. Se colocó un aparato para generar oxígeno en la parte delantera y un tubo en U equilibrado con cloruro de calcio seco en la parte trasera. Detrás del tubo de cloruro de calcio, el gas resultante se pasó a través de un recipiente equilibrado con una solución concentrada de hidróxido de potasio. Primero se calentó el óxido de cobre, luego se calentó la muestra con un flujo suficiente de oxígeno.
Una vez quemado el material, se determinó el aumento de peso en el tubo de cloruro de calcio. El agua liberada durante la reacción se unió a cloruro de calcio. El hidrógeno del agua proviene del compuesto orgánico. El aumento de peso de la solución de hidróxido de potasio se basa en la absorción de dióxido de carbono. El carbono del dióxido de carbono proviene del compuesto orgánico.
El contenido de hidrógeno del agua cuando se quema la muestra orgánica se puede calcular fácilmente:
Contenido de hidrógeno: 2.02: 18.0 = 0.1119
Este factor tuvo que ser multiplicado por el aumento de peso en el tubo de cloruro de calcio (el agua resultante) después de la combustión para obtener la parte en peso de hidrógeno del compuesto orgánico.
Para el carbono resulta análogamente:
Contenido de carbono: 12.01: 44.0 = 0.2729
Las cantidades de peso multiplicadas se pueden relacionar con el peso inicial, la diferencia da el contenido de oxígeno, nitrógeno, fósforo y halógeno del compuesto.
Para determinar la fórmula de proporción , el peso respectivo de los elementos individuales se dividió por el peso atómico del elemento. Si buscara múltiplos enteros para cada elemento en la fórmula de razón, obtendría la fórmula de la suma o también la fórmula molecular.
Métodos de digestión
Dependiendo del elemento a determinar, se han desarrollado varios métodos de laboratorio; el nitrógeno generalmente se determina como amoniaco por titulación ; existen recipientes de reacción especiales ( matraces Kjeldahl , matraces Fresenius ) con los que se evitan pérdidas que de otro modo falsearían el resultado analítico.
Métodos de combustión
El estado actual de la técnica para el análisis de CHNS en esta área es el denominado análisis de combustión. En este caso, la muestra a determinar primero se pesa con precisión con una balanza y luego se quema catalíticamente con oxígeno puro a altas temperaturas (hasta 1800 ° C mediante exotermas de reacción).
Inmediatamente después, los gases de combustión (productos de oxidación) formados se alimentan con la ayuda de un gas portador (principalmente helio puro) sobre un contacto de cobre o tungsteno (como chips o gránulos) a aproximadamente 600 - 900 ° C y los óxidos de nitrógeno ( NO x ) contenidos en el flujo de gas se añaden completamente nitrógeno molecular (N 2 ) reducido. Los gases de combustión definidos (CO 2 , H 2 O, SO 2 , N 2 ) se separan a continuación en columnas de separación específicas (las denominadas columnas de adsorción / desorción, purga y trampa inglesas ) o mediante cromatografía de gases y, una tras otra, un detector de conductividad térmica (TCD o TCD) suministrado y cuantificado.
Dado que la secuencia de los elementos (cada uno detectado como los llamados picos) en una medición de muestra se define con precisión técnica con este método de medición, esto permite tanto la identificación clara (determinación cualitativa) como las áreas de los picos (integral en el tiempo) de la medición. señales, así como la medición de la cantidad (determinación cuantitativa) de los elementos individuales como C, H, N, S. Con la ayuda del peso conocido, la fracción de masa respectiva (en porcentaje o ppm) de los elementos en la muestra analizada luego se puede calcular con precisión.
Otro método de medición funciona en lugar de la separación completa de gas con detectores específicos de gas (principalmente detectores de infrarrojos) para CO 2 , H 2 O y SO 2 . Aquí también se utiliza un detector de conductividad térmica (TCD o TCD) para determinar el nitrógeno (N 2 ). Los detectores de ionización de llama (FID) también se utilizan con menos frecuencia.
En el análisis de laboratorio, se hace una distinción entre analizadores microelementales, que están optimizados para pesos de sustancias pequeños de alrededor de 0,01-10 mg, y analizadores macroelementales, que están diseñados para pesos de sustancias más altos de hasta aproximadamente 5 g.
Determinación de nitrógeno
Como consecuencia del análisis elemental clásico, también existen analizadores de nitrógeno puro basados en el método Dumas para determinar el contenido de nitrógeno o proteínas. Estos dispositivos se utilizan preferiblemente en el análisis de productos agrícolas, para el análisis de suelos y plantas, así como en el análisis de alimentos . En estos dispositivos, el nitrógeno molecular N 2 (después de la separación y / o absorción de gases interferentes como agua, SO 2 y posiblemente CO 2 ) también se cuantifica en un detector de conductividad térmica (TCD o TCD); no hay más separación de gas o más Se requieren detectores. Como gas portador puede alternativamente z a helio puro aquí. B. También se puede utilizar CO 2 .
Determinación de oxígeno por pirólisis a alta temperatura
A diferencia de la determinación de CHNS, el contenido de oxígeno en una muestra se determina cuantitativamente en condiciones inertes o reductoras (solo helio puro o gas de formación como gas portador) a altas temperaturas (generalmente aproximadamente 1200 a 1400 ° C) en un carbón finamente dividido contacto (hollín de gas) Se forma monóxido de carbono (CO). Al igual que en el análisis CHNS, este CO se separa luego del nitrógeno N 2, que también se produce durante la pirólisis, utilizando una columna de separación específica o columna GC , y se mide y cuantifica en un detector de conductividad térmica (TCD o TCD). Alternativamente, la cuantificación de CO puede, por ejemplo, B. también se puede hacer con un detector de infrarrojos específico de CO.
literatura
- Justus Liebig: Instrucciones para el análisis de cuerpos orgánicos. Vieweg, Braunschweig 1837. Facsímil
- Justus Liebig: Acerca de un nuevo aparato para el análisis de cuerpos orgánicos y la composición de algunas sustancias orgánicas. En: Annals of Physics. Volumen 21, 1831, págs. 1-43. doi : 10.1002 / yp.18310970102
Observaciones
- ↑ Para una mejor delimitación lingüística, se hace una distinción en quím. Análisis en general el término análisis elemental de análisis elemental : medios elementales de análisis de la orgánico elemental análisis de los no-metales CHNS y O se describe aquí , con menos frecuencia P y halógenos, mientras que los medios de análisis elemental el análisis de otros elementos de la tabla periódica ( e .g . Metales) como son z. B. puede registrarse con ICP o AAS en espectroscopía atómica .
- ↑ Dado que el tungsteno puede interferir con la medición de azufre, solo es adecuado como agente reductor para el análisis de CHN. Por lo tanto, el cobre se usa para medir (CHN) S.
- ↑ Esta forma de reducción de óxidos de nitrógeno en un contacto de cobre caliente a N 2 se remonta al trabajo de Jean Baptiste Dumas y también se conoce en análisis como el método Dumas .
Evidencia individual
- ↑ Justus Liebig: Acerca de un nuevo aparato para el análisis de cuerpos orgánicos y la composición de algunas sustancias orgánicas. En: Annals of Physics. Volumen 21, 1831, págs. 1-43. doi : 10.1002 / yp.18310970102