Analytische Chemie

Der "Otto" hat sich zu einem Standardwerk für Studenten der Chemie, Pharmazie, Lebensmittelchemie und anderer chemischer Disziplinen entwickelt, das auch von Nicht-Chemikern und Chemieingenieuren wegen seines didaktischen Aufbaus und seiner klaren Darstellung geschätzt wird. In fünfter, nochmals aktualisierter und um neueste Analysemethoden ergänzter Auflage, wird das gesamte Analytik-Wissen auf Bachelor-Niveau dargestellt. Mit dem Blick für das Wesentliche erklärt der Autor, worauf es bei den vielen heute gebräuchlichen Analysemethoden wirklich ankommt. Von den Grundlagen der qualitativen und quantitativen Analyse bis zu modernen Hochdurchsatz-Analysegeräten und der Qualitätssicherung wird die gesamte Bandbreite der modernen Analytik vorgestellt. Die fünfte Auflage bietet noch mehr Aufgaben und Lösungen zur Selbstkontrolle, außerdem zahlreiche Beispielrechnungen. Die Begriffe und Konstanten sind nach harmonisierten IUPAC-Definitionen aktualisiert. Eine blaue Schmuckfarbe wird im Buch verwendet, um einen noch effizienteren Lernprozess zu ermöglichen.

Matthias Otto ist seit 1987 Professor für Analytische Chemie an der TU Bergakademie Freiberg. Er ist gebürtiger Dresdner und studierte Chemie an der Universität Leipzig. In den vergangenen zwei Jahrzehnten hat er im Rahmen der Studiengänge Chemie, Angewandte Naturwissenschaft und Geoökologie Lehrveranstaltungen zu zahlreichen Aspekten der Analytischen Chemie gehalten. Darüber hinaus gibt er regelmäßig Kurse in Chemometrie und hat zu diesem Thema auch ein Buch verfasst.

Abkürzungen xi Symbole xv 1 Grundlagen der Analytischen Chemie 1 1.1 Gegenstand und Bedeutung in der Gesellschaft 1 1.1.1 Historisches 1 1.1.2 Der Analytiker als wissenschaftlicher Detektiv 2 1.1.3 Aufgabenbereiche der Analytik 3 1.2 Der analytische Prozess 7 1.2.1 Probenahme 9 1.2.2 Probenvorbereitung 13 1.2.3 Messung 16 1.2.4 Auswertung und Bericht 17 1.3 Analytische Kenngrößen, statistische Bewertung und Qualitätssicherung 17 1.3.1 Kalibrierung eines Analysenverfahrens 17 1.3.2 Statistische Bewertung 20 1.3.3 Selektivität 24 1.3.4 Aufwand, Zeit und Kosten 24 1.3.5 Qualitätssicherung 25 2 Methoden auf der Grundlage chemischer Reaktionen 33 2.1 Chemisches Gleichgewicht und Elektrolyte 33 2.1.1 Chemisches Gleichgewicht 33 2.1.2 Reaktionstypen 35 2.1.3 Elektrolyte 37 2.1.4 Qualitative und quantitative Analysen 38 2.2 Säure-Base-Reaktionen und Titrationen 39 2.2.1 Säure-Base-Theorie nach Brönsted 39 2.2.2 Beschreibung von Protolysegleichgewichten 40 2.2.3 Säure-Base-Titrationen 56 2.2.4 Titrationen in nicht wässrigen Lösungsmitteln 65 2.3 Fällungsreaktionen für Gravimetrie, Titrimetrie und Maskierungen 67 2.3.1 Beschreibung von Fällungs- und Lösungsgleichgewichten 67 2.3.2 Anwendungen 74 2.4 Komplexbildungsreaktionen und Komplexometrie 78 2.4.1 Typen von Komplexverbindungen 78 2.4.2 Komplexstabilität 80 2.4.3 Kombination mit Fällungsreaktionen 81 2.4.4 Kombination mit Säure-Base-Reaktionen 83 2.4.5 Komplexometrische Titrationen 85 2.5 Reduktions-Oxidations-Reaktionen und Redoxtitrationen 90 2.5.1 Beschreibung von Redoxreaktionen 90 2.5.2 Beeinflussung von Redoxreaktionen durch die Reaktionsbedingungen 92 2.5.3 Anwendungen 95 2.6 Extraktion und Ionenaustausch 100 2.6.1 Extraktion 101 2.6.2 Ionenaustausch 111 2.7 Kinetische Methoden 115 2.7.1 Zeitgesetze 116 2.7.2 Beeinflussung der Reaktionsgeschwindigkeit 118 2.7.3 Anwendungen 120 2.8 Thermische Methoden 121 2.8.1 TG - Thermogravimetrie 122 2.8.2 DTA - Differenzthermoanalyse 123 2.8.3 DSC - Differential Scanning Calorimetry 124 3 Spektroskopie 133 3.1 Grundlagen der Spektroskopie 133 3.1.1 Elektromagnetisches Spektrum und spektroskopische Methoden 134 3.1.2 Instrumentierung für die optische Spektroskopie 139 3.2 Atomspektroskopie 150 3.2.1 Theorie 150 3.2.2 Spektrenarten 151 3.2.3 Atomabsorptionsspektrometrie 158 3.2.4 Atomemissionsspektroskopie 171 3.2.5 Röntgen- und Elektronenspektroskopie 182 3.3 Optische Molekülspektroskopie 196 3.3.1 Infrarot- und Raman-Spektroskopie 196 3.3.2 UV/VIS-Spektroskopie 226 3.3.3 Lumineszenzspektroskopie 242 3.4 Magnetische Resonanzspektroskopie 249 3.4.1 NMR 249 3.4.2 EPR 269 3.5 Massenspektrometrie 272 3.5.1 Aufbau eines Massenspektrometers 273 3.5.2 Massenspektren von unterschiedlichen Ionenquellen 282 3.5.3 Anwendungen 289 3.6 Radiometrische Methoden 296 3.6.1 Grundlagen 296 3.6.2 Messung radioaktiver Strahlung 299 3.6.3 Anwendungen 300 4 Elektroanalytik 311 4.1 Grundlagen elektroanalytischer Verfahren 312 4.1.1 Elektroden und galvanische Zellen 312 4.1.2 Transportarten in der Lösung 316 4.1.3 Elektrolytische Leitfähigkeit 317 4.2 Konduktometrie 322 4.3 Potenziometrie 325 4.3.1 Direktpotenziometrie 326 4.3.2 Potenziometrische Titrationen 336 4.4 Voltammetrie 337 4.4.1 Elektrochemische Prozesse 338 4.4.2 Aufzeichnung der Strom-Potenzial-Kurven 341 4.4.3 Polarographie 342 4.4.4 Rotierende Festelektroden 348 4.4.5 Variationen voltammetrischer Methoden 349 4.4.6 Amperometrie und Voltametrie 353 4.5 Coulometrie 359 4.5.1 Potenziostatische Coulometrie 360 4.5.2 Galvanostatische Coulometrie: coulometrische Titration 361 5 Chromatographie 365 5.1 Grundlagen chromatographischer Trennverfahren 365 5.1.1 Überblick 366 5.1.2 Entwicklung eines Chromatogramms 367 5.1.3 Kenngrößen eines Chromatogramms 369 5.1.4 Die chromatographische Theorie 372 5.1.5 Die Auflösung Rs als Maß für die Peaktrennung 377 5.1.6 Qualitative Analyse 379 5.1.7 Quantitative Analyse 381 5.2 Gaschromatographie 381 5.2.1 Retentionsdaten und Verteilungskoeffizient 381 5.2.2 Trennungen in der Gasphase 383 5.2.3 Aufbau eines Gaschromatographen 384 5.2.4 Stationäre Phasen für die Gas-Flüssig-Chromatographie 391 5.2.5 Anwendungen der Gas-Flüssig-Chromatographie 394 5.2.6 Adsorptionschromatographie 399 5.3 Flüssigchromatographie 401 5.3.1 Hochleistungsflüssigchromatographie (HPLC) 401 5.3.2 Adsorptionschromatographie 419 5.3.3 Ionenchromatographie 420 5.3.4 Gelchromatographie 426 5.3.5 Dünnschichtchromatographie 431 5.4 Superkritische Flüssigchromatographie 436 5.4.1 Instrumentierung 438 5.4.2 Stationäre und mobile Phase 439 5.4.3 Detektoren 439 5.4.4 Leistungsparameter der SFC 439 5.4.5 Anwendungen 441 5.5 Elektrophorese 441 5.5.1 Klassische Elektrophorese 442 5.5.2 Weiterentwicklungen elektrophoretischer Methoden 443 5.5.3 Kapillarelektrophorese 445 5.6 Kopplungen von Chromatographie und Spektroskopie 448 5.6.1 GC/MS-Kopplung 449 5.6.2 LC/MS-Kopplung 451 5.6.3 GC/IR-Kopplung 454 5.6.4 Weitere Kopplungen 455 5.6.5 Mehrdimensionale Trennverfahren 456 6 Chemometrie 467 6.1 Statistische Grundlagen 467 6.1.1 Die Verteilung von Zufallsdaten 467 6.1.2 Statistische Prüfverfahren oder das Testen von Hypothesen 471 6.2 Signalanalyse 479 6.2.1 Signal-Rausch-Verhältnis 479 6.2.2 Analoge und digitale Filter 480 6.2.3 Signaltransformationen zur Datenfilterung 482 6.3 Multivariate Methoden 485 6.3.1 Modellierung analytischer Daten 485 6.3.2 Mustererkennung und Klassifizierung 490 7 Automatisierung und Prozessanalytik 501 7.1 Labormechanisierung 501 7.1.1 Diskrete Analysatoren 503 7.1.2 Kontinuierliche Analysatoren 506 7.1.3 Elementaranalysatoren 512 7.1.4 Laborroboter 513 7.2 Chemische Sensoren 514 7.2.1 Anforderungen und Wirkprinzipien 515 7.2.2 Elektrochemische und mikroelektronische Sensoren 517 7.2.3 Optische Sensoren 525 7.2.4 Thermische (kalorimetrische) Sensoren 533 7.2.5 Massensensitive Sensoren 534 7.2.6 Mehrkanalsensoren 535 7.3 Automatisierte Prozesskontrolle 536 7.3.1 Gebiete der Prozessanalytik 537 7.3.2 Nicht selektive Analysenprinzipien 540 7.3.3 IR-Analysatoren 543 7.3.4 Sauerstoffanalysatoren 545 7.3.5 Prozesschromatographie 545 8 Bioanalytik 549 8.1 Proteinanalytik 549 8.1.1 Proteinreinigung 550 8.1.2 Trennungen von Proteinen 554 8.1.3 Enzymatische Methoden 562 8.1.4 Immunoassays 569 8.1.5 Proteinsequenzanalyse 574 8.1.6 Massenspektrometrie 576 8.1.7 MALDI-MS 578 8.1.8 ESI-MS 582 8.2 Nucleinsäureanalytik 584 8.2.1 Reinigung von Nucleinsäuren 585 8.2.2 Gelelektrophorese von Nucleinsäuren 586 8.2.3 DNA-Sequenzierung 587 8.2.4 LC/MS von DNA 589 8.2.5 DNA-Chip 589 9 Umwelt- und Werkstoffanalytik 595 9.1 Umweltanalytik 595 9.1.1 Einführung 595 9.1.2 Individuenanalytik 596 9.1.3 Schnelltests und Langzeitexpositionsmessungen 598 9.1.4 Summen- und Gruppenparameter 599 9.1.5 Kompartimentierung und Spezifizierung 601 9.2 Werkstoffanalytik 604 9.2.1 Grundlagen 604 9.2.2 Methoden der Werkstoffanalytik 606 Anhang 619 Lösungen ausgewählter Aufgaben 633 Stichwortverzeichnis 639