Technisch-chemisches Praktikum - Exam.pdf

Aufgabe 1)

Du führst im Rahmen des Technisch-chemischen Praktikums ein Experiment zur Bestimmung der Säurekonstanten einer schwachen Säure (HA) durch. Dein Experiment umfasste mehrere Schritte, einschließlich der Titrierung der schwachen Säure mit einer starken Base (NaOH). Die ermittelten Messwerte und Beobachtungen müssen präzise notiert, berechnet und analysiert werden, um schlüssige Schlussfolgerungen zu ziehen.

a)

Sicherheitsvorschriften: Erläutere, welche Sicherheitsvorschriften während der Durchführung der Titration beachtet werden müssen und warum sie wichtig sind. Berücksichtige dabei den Umgang mit Chemikalien, wie z.B. NaOH und die schwache Säure.

Lösung:

Sicherheitsvorschriften: Hier sind die wichtigen Sicherheitsvorschriften, die während der Durchführung der Titration mit NaOH und der schwachen Säure beachtet werden müssen:

• Schutzkleidung: Trage immer einen Laborkittel, eine Schutzbrille und Handschuhe, um Deine Haut und Augen vor chemischen Spritzern und Dämpfen zu schützen.
• Belüftung: Arbeite in einem gut belüfteten Bereich oder unter einem Abzug, um eine Exposition gegenüber potenziell gefährlichen Dämpfen, insbesondere von konzentrierten Basen wie NaOH, zu vermeiden.
• Sachgemäße Handhabung von Chemikalien: Verdünne konzentrierte Säuren und Basen vorsichtig und fülle sie niemals direkt über offene Flammen oder Hitzequellen. Beachte dabei die korrekte Reihenfolge beim Mischen von Säuren und Basen (immer Säure zu Wasser, nie umgekehrt).
• Umgang mit verschütteten Chemikalien: Halte geeignete Neutralisationsmittel (wie Zitronensäure für NaOH) und Reinigungsmaterial bereit, um verschüttete Flüssigkeiten sofort und sicher zu neutralisieren und zu entfernen.
• Erste-Hilfe-Maßnahmen: Sei mit den Erste-Hilfe-Maßnahmen vertraut, die nötig sind, falls Chemikalien auf die Haut, in die Augen oder in den Mund gelangen. Dies schließt das sofortige Spülen mit viel Wasser und das Aufsuchen medizinischer Hilfe ein.
• Entsorgung von Chemikalien: Entsorge Chemikalienentsorgung sicher und gemäß den geltenden Vorschriften. Überschüssige Lösungen sollten neutralisiert und entsprechend entsorgt werden.
• Notfallkontakte: Halte eine Liste mit Notrufnummern und wichtigen Kontakten griffbereit, falls ein Unfall passiert.

Diese Sicherheitsvorschriften sind wichtig, um Verletzungen und gesundheitliche Schäden zu vermeiden und eine sichere Arbeitsumgebung während des Experiments zu gewährleisten.

b)

Berechnung der Stoffmenge: Erkläre und berechne die Stoffmenge der schwachen Säure (HA), wenn Du 50 mL einer 0.1 M HAc-Lösung verwendet hast. Zeige dabei alle notwendigen Schritte und Formeln.

Lösung:

Berechnung der Stoffmenge:

Hier sind die Schritte zur Berechnung der Stoffmenge der schwachen Säure (HA), wenn Du 50 mL einer 0.1 M HAc-Lösung (Essigsäurelösung) verwendet hast:

• Die allgemeine Formel zur Berechnung der Stoffmenge (n) lautet:

= c × V

• Dabei ist: - c die Konzentration der Lösung (in Mol/L) - V das Volumen der Lösung (in Litern)

Gegeben:

• c = 0.1 M (Molarität der Essigsäurelösung)
• V = 50 mL = 0.050 L (Umwandlung von Milliliter in Liter)

Berechnung:

Setze die gegebenen Werte in die Formel ein:

= 0.1 mol/L × 0.050 L

Berechne das Produkt:

= 0.005 mol

Ergebnis: Die Stoffmenge der verwendeten schwachen Säure (HA) beträgt 0.005 Mol.

Diese Berechnung ist wichtig, um weitere Schritte und Analysen zur Bestimmung der Säurekonstanten durchzuführen.

c)

Ergebnisse grafisch darstellen: Zeichne ein Titrationsdiagramm (pH gegen zugegebene Menge NaOH) auf Basis von vorgegebenen Daten:

• pH = 3.5 bei 0 mL NaOH
• pH = 4.8 bei 10 mL NaOH
• pH = 6.0 bei 25 mL NaOH
• pH = 9.0 bei 50 mL NaOH

Lösung:

Ergebnisse grafisch darstellen: Hier sind die Schritte zur grafischen Darstellung eines Titrationsdiagramms und zur Interpretation der Ergebnisse.

Schritte zur Erstellung des Titrationsdiagramms:

• Zeichne ein Koordinatensystem mit der Volumenachse (in mL NaOH) auf der x-Achse und der pH-Achse auf der y-Achse.
• Trage die gegebenen Datenpunkte ein:
• (0 mL, pH = 3.5)
• (10 mL, pH = 4.8)
• (25 mL, pH = 6.0)
• (50 mL, pH = 9.0)
• Verbinde die Punkte, um die Titrationskurve zu zeichnen.

Interpretation des Diagramms:

Die pH-Werte steigen zunächst langsam an, dann schneller, bis sie einen sprunghaften Anstieg zeigen, wenn die Menge an zugegebener NaOH 50 mL erreicht. Dies ist typisch für die Titration einer schwachen Säure mit einer starken Base.

Der Äquivalenzpunkt ist der Punkt, an dem die Menge der zugegebenen starken Base (NaOH) vollständig mit der ursprünglichen Menge der schwachen Säure (HA) reagiert hat, und liegt in der Nähe des sprunghaften Anstiegs des pH-Wertes, normalerweise in der Mitte des steilsten Abschnitts der Kurve.

In diesem Fall zeigt die Titrationskurve einen klaren sprunghaften Anstieg bei einem Volumen von etwa 50 mL NaOH, was den Äquivalenzpunkt markiert.

Bestimmung des Äquivalenzpunktes:

Der Äquivalenzpunkt liegt bei etwa 50 mL NaOH, da hier der stärkste pH-Anstieg auftritt.

Um das Diagramm zu visualisieren, kannst Du die folgenden Punkte zur Erstellung eines Grafen nutzen:

 Datenpunkte: (0 mL, pH = 3.5), (10 mL, pH = 4.8), (25 mL, pH = 6.0), (50 mL, pH = 9.0)  - Zeichne die x-Achse (Volumen NaOH in mL) und die y-Achse (pH-Wert).  - Markiere die Datenpunkte und verbinde sie, um die Titrationskurve zu erhalten.  - Identifiziere den Äquivalenzpunkt bei 50 mL NaOH.

d)

Fehleranalyse und Diskussion: Diskutiere mögliche Fehlerquellen bei der Durchführung und Messung der Titration. Wie könnten diese Fehler deine Ergebnisse beeinflussen, und wie kannst Du diese in zukünftigen Experimenten minimieren? Bringe Beispiele aus dem durchgeführten Experiment ein und beziehe Dich auf theoretische Grundlagen.

Lösung:

Fehleranalyse und Diskussion: Bei der Durchführung und Messung einer Titration gibt es mehrere mögliche Fehlerquellen, die die Genauigkeit und Präzision der Ergebnisse beeinflussen können. Hier sind einige dieser Fehlerquellen, sowie ihre möglichen Auswirkungen und Strategien zu ihrer Minimierung:

• Volumenmessfehler: Diese Fehler können durch unsachgemäßes Ablesen der Messgeräte, wie Buretten und Pipetten, entstehen. Schon kleine Abweichungen können die Berechnung der Stoffmenge und die Bestimmung des Äquivalenzpunktes beeinflussen.
  • Beispiel im Experiment: Wenn 50 mL NaOH abgemessen werden sollten, aber nur 48 mL oder 52 mL verwendet wurden, sind die pH-Werte und der Äquivalenzpunkt fehlerhaft.
  • Minimierung: Verwende hochwertige, kalibrierte Volumenmessgeräte und lies die Skalen immer auf Augenhöhe ab. Führe Messungen mehrfach durch und nimm den Durchschnittswert zur Fehlerreduktion.
• Unvollständige Reaktion: Wenn die Säure-Base-Reaktion nicht vollständig abläuft, kann dies zu falschen Schlussfolgerungen bezüglich der Konzentration und der Säurekonstanten führen.
  • Beispiel im Experiment: Falls die Säure nicht vollständig mit der hinzugefügten Base reagiert, zeigt der pH-Wert möglicherweise nicht den äquivalenten Punkt korrekt an.
  • Minimierung: Stelle sicher, dass die Reaktionslösung gut durchmischt ist und genug Zeit zur Reaktion gegeben wird. Füge eine Indikatorlösung hinzu, um das Ende der Reaktion klar zu erkennen.
• pH-Messfehler: pH-Messungen können durch die Kalibrierung des pH-Meters oder durch kontaminierte Elektroden beeinflusst werden.
  • Beispiel im Experiment: Eine fehlerhafte pH-Elektrode könnte falsche Werte anzeigen, die zu falschen Berechnungen führen.
  • Minimierung: Kalibriere das pH-Meter vor jeder Verwendung mit Standardpufferlösungen und reinige die Elektrode gründlich nach jeder Messung.
• Temperaturschwankungen: Da die Reaktionsgeschwindigkeit und der pH-Wert temperaturabhängig sind, können Schwankungen die Ergebnisse beeinflussen.
  • Beispiel im Experiment: Variationen in der Raumtemperatur während der Titration könnten zu unterschiedlichen pH-Messwerten führen, selbst bei gleichen Volumina NaOH.
  • Minimierung: Führe das Experiment bei konstanter Raumtemperatur durch und notiere die Temperatur während der Messungen.
• Vorbereitung der Lösungen: Ungenauigkeiten beim Herstellen der Lösungen können die Konzentrationswerte verändern und somit die Berechnungen beeinflussen.
  • Beispiel im Experiment: Wenn die 0.1 M HAc-Lösung nicht exakt hergestellt wird, stimmen die verwendeten Werte zur Berechnung nicht mit der Realität überein.
  • Minimierung: Verwende präzise Waagen und volumetrische Glasgeräte, um Lösungen exakt herzustellen und überprüfe die Konzentrationen gegebenenfalls durch Titration mit einer Standardlösung.

Theoretische Grundlagen: Diese Fehlerquellen und Minimierungsstrategien basieren auf den Prinzipien der analytischen Chemie. Genauigkeit und Präzision sind entscheidend für korrekte Ergebnisse und fundierte Schlussfolgerungen.

Letztendlich kannst Du durch sorgfältige Planung, Durchführung und Dokumentation des Experiments diese Fehlerquellen minimieren und die Genauigkeit Deiner Ergebnisse erhöhen.

Aufgabe 2)

In einem chemischen Labor ist die Sicherheit von größter Bedeutung. Es ist wichtig, die entsprechenden Schutzmaßnahmen und Vorschriften zu kennen und zu befolgen, um sich selbst und die Umgebung vor chemischen Gefahren zu schützen. Dazu gehören das Tragen geeigneter Schutzkleidung wie Laborkittel, Schutzbrille und Handschuhe, das Beachten der Gefahrenstoffkennzeichnung sowie die korrekte Nutzung und Lagerung von Chemikalien. Abzugshauben sollten verwendet werden, um gefährliche Dämpfe abzuführen, und Notfallausrüstungen wie Augendusche, Notdusche und Feuerlöscher müssen griffbereit sein. Zudem ist darauf zu achten, dass keine Lebensmittel im Labor konsumiert werden und Sonderabfälle fachgerecht entsorgt werden. Gute Belüftung des Labors durch regelmäßiges Lüften ist ebenfalls unerlässlich. Erste-Hilfe-Kenntnisse und Wissen über Notfallmaßnahmen und deren Standorte sind ebenfalls essenziell.

a)

• Beschreibe die notwendigen Schritte, die Du unternehmen würdest, wenn eine Chemikalie in Deine Augen gelangt. Gehe dabei auf die Notfallausrüstung ein, die Du verwenden würdest, und erkläre den Grund für jede Maßnahme.
• Ein Laborant bemerkt, dass sich eine Chemikalie in einem Lagerraum ohne ausreichende Belüftung befindet. Führe eine Risikoanalyse durch und erläutere, welche Sicherheitsmaßnahmen sofort ergriffen werden sollten. Berücksichtige dabei die Gefahrenstoffkennzeichnung und deren Bedeutung.

Lösung:

Im Kontext der chemischen Sicherheit sind präventive Maßnahmen sowie schnelle und effektive Reaktionen bei Unfällen entscheidend. Betrachten wir die Lösung der beiden Teilaufgaben im Detail:

• Schritte bei Chemikalienkontakt mit den Augen:Falls eine Chemikalie in Deine Augen gelangt, solltest Du folgende Schritte unternehmen:
• Sofortige Spülung: Gehe sofort zur Augendusche und betätige sie. Halte Deine Augen mindestens 15 Minuten lang offen und spüle sie gründlich aus. Der Grund hierfür ist, dass das Spülen die Chemikalie verdünnt und entfernt, um Schädigungen zu minimieren.
• Kontaktlinsen entfernen: Falls Du Kontaktlinsen trägst, entferne diese nach Beginn der Spülung, um sicherzustellen, dass die Chemikalie vollständig ausgespült werden kann.
• Notfall informieren: Lasse jemanden den Notfall melden und externe medizinische Hilfe rufen. Es ist wichtig, dass professionelle Behandlung schnellstmöglich erfolgt.
• Sicherheitsdatenblatt (SDB) bereitstellen: Trage das SDB der betreffenden Chemikalie zur medizinischen Behandlung bei. Es enthält wichtige Informationen über die Chemikalie und hilft den medizinischen Fachkräften, die richtige Behandlung durchzuführen.
• Risikoanalyse und Maßnahmen bei schlechter Belüftung im Chemikalienlager:Ein Laborant stellt fest, dass eine Chemikalie in einem Lagerraum ohne ausreichende Belüftung aufbewahrt wird. In diesem Fall sollten folgende Schritte unternommen werden:
• Gefahrenstoffkennzeichnung überprüfen: Beachte die Gefahrenstoffkennzeichnung der Chemikalie (Piktogramme, H- und P-Sätze). Sie gibt wichtige Hinweise auf die spezifischen Gefahren (z.B. toxisch, entzündbar) und Schutzmaßnahmen.
• Sicherheitsmaßnahmen ergreifen: Sorge dafür, dass der Lagerraum sofort gut belüftet wird. Öffne Türen und Fenster und aktiviere gegebenenfalls mechanische Belüftungssysteme.
• Persönliche Schutzausrüstung (PSA) tragen: Stelle sicher, dass alle sich im Lagerraum befindlichen Personen geeignete PSA wie Atemschutzmasken, Schutzbrillen und Handschuhe tragen, um sich vor möglichen Dämpfen zu schützen.
• Kontakt mit der Chemikalie vermeiden: Vermeide direkten Hautkontakt und Inhalation der Dämpfe. Falls notwendig, evakuieren den Raum, bis er ausreichend belüftet ist.
• Lagerung der Chemikalie: Überprüfe die richtige Lagerung der Chemikalie gemäß den Angaben im SDB. Bei Bedarf, verlagere die Chemikalie in einen besser belüfteten Raum oder speziellen Sicherheitsbehälter.
• Regelmäßige Kontrolle und Wartung: Stelle sicher, dass die Belüftungssysteme im Lagerraum regelmäßig gewartet und auf ihre Funktionstüchtigkeit überprüft werden, um zukünftige Risiken zu minimieren.

Durch diese systematischen Schritte kannst Du im Notfall schnelle Hilfe leisten und Risiken im Labor effektiv minimieren.

Aufgabe 3)

Du arbeitest an der Strukturanalyse einer unbekannten organischen Verbindung und hast Zugriff auf Daten aus UV/VIS-, IR- und NMR-Spektroskopie.

a)

UV/VIS-Spektroskopie: Du erhältst einen UV/VIS-Spektrum, das eine starke Absorption bei 300 nm und eine weitere Absorption bei 220 nm zeigt. Identifiziere mögliche funktionelle Gruppen und erläutere, welche Art von Konjugation diese Absorptionsbanden verursachen könnte.

Lösung:

UV/VIS-Spektroskopie: Du erhältst einen UV/VIS-Spektrum, das eine starke Absorption bei 300 nm und eine weitere Absorption bei 220 nm zeigt. Identifiziere mögliche funktionelle Gruppen und erläutere, welche Art von Konjugation diese Absorptionsbanden verursachen könnte.

b)

IR-Spektroskopie: Das IR-Spektrum der Verbindung zeigt signifikante Peaks bei 3400 cm^-1, 1700 cm^-1 und 1600 cm^-1. Identifiziere die funktionellen Gruppen, die diese Peaks verursachen, und beschreibe ihre charakteristischen Schwingungen.

Lösung:

IR-Spektroskopie: Das IR-Spektrum der Verbindung zeigt signifikante Peaks bei 3400 cm^-1, 1700 cm^-1 und 1600 cm^-1. Identifiziere die funktionellen Gruppen, die diese Peaks verursachen, und beschreibe ihre charakteristischen Schwingungen.

• Peak bei 3400 cm^-1: Dieser Peak ist typisch für die O-H-Streckschwingung in Hydroxylgruppen (Alkohole) oder N-H-Streckschwingung bei Aminen. In den meisten Fällen deutet ein solcher Peak auf das Vorhandensein einer Hydroxylgruppe hin. Die Schwingung ist breit und stark, was durch die Bildung von Wasserstoffbrückenbindungen verursacht werden kann.
• Peak bei 1700 cm^-1: Dieser Peak liegt im Bereich der C=O-Streckschwingungen und ist charakteristisch für Carbonylgruppen, wie sie in Ketonen, Aldehyden, Carbonsäuren und Estern vorkommen. Die genaue Lage des Peaks kann genutzt werden, um die spezifische Art der Carbonylverbindung zu identifizieren.
• Peak bei 1600 cm^-1: Dieser Peak kann auf die C=C-Streckschwingung hindeuten, die typischerweise in Alkenen vorkommt. Alternativ kann dieser Peak auch Anzeichen für aromatische C=C-Streckschwingungen sein, die häufig in aromatischen Ringen auftreten.

c)

NMR-Spektroskopie: Das ¹H-NMR-Spektrum zeigt Signale bei δ 7.2 (multiplet), δ 3.4 (singlet) und δ 1.2 (triplet) ppm. Bestimme die möglichen Strukturen oder Fragmente des Moleküls anhand der chemischen Verschiebungen und der Kopplungsmuster. Berechne außerdem die Kopplungskonstanten J für das Triplet.

Lösung:

NMR-Spektroskopie: Das ¹H-NMR-Spektrum zeigt Signale bei δ 7.2 (multiplet), δ 3.4 (singlet) und δ 1.2 (triplet) ppm. Bestimme die möglichen Strukturen oder Fragmente des Moleküls anhand der chemischen Verschiebungen und der Kopplungsmuster. Berechne außerdem die Kopplungskonstanten J für das Triplet.

• Signal bei δ 7.2 ppm (multiplet): Diese chemische Verschiebung liegt im Bereich aromatischer Protonen. Ein multiplet bedeutet, dass es sich um ein aromatisches System handeln könnte, das durch unterschiedliche Protonen in nahegelegenen Positionen kompliziert ist. Wahrscheinlich ist dies ein Hinweis auf ein Benzolringfragment oder ein aromatischer Ring mit Substitution.
• Signal bei δ 3.4 ppm (singlet):Diese Verschiebung deutet auf Protonen hin, die an eine Elektronen-abziehende Gruppe gebunden sind, wie z.B. eine Hydroxylgruppe, ein Ether oder ein Ester. Da es ein Singlet ist, gibt es keine Kopplung mit benachbarten Protonen, was darauf hinweist, dass es keine direkten Nachbarprotonen gibt.
• Signal bei δ 1.2 ppm (triplet):Diese chemische Verschiebung ist typisch für Alkylprotonen, möglicherweise von einer Methylgruppe, die drei benachbarte Protonen hat, weshalb es ein Triplet ist. Ein klassisches Beispiel wäre die -CH₂-CH₃ Gruppe eines Ethylfragments.

Berechnung der Kopplungskonstanten J für das Triplet:

Um die Kopplungskonstante J zu berechnen, benötigen wir die Frequenzdifferenz zwischen den einzelnen Peaks des Triplets. Nehmen wir an, die gemessene Frequenzabweichung zwischen den Peaks beträgt Δν Hz.

Die Kopplungskonstante J wird berechnet mittels:

J = Δν / (n+1)

Für ein Triplet haben wir n = 2:

J = Δν / 2

Falls die Frequenzabweichung (Δν) 7 Hz beträgt:

J = 7 Hz / 2 = 3.5 Hz

Daher wäre die Kopplungskonstante J für das Triplet in diesem Beispiel 3.5 Hz.

Aufgabe 4)

Chromatographische Techniken: HPLC und GCDu arbeitest in einem Labor, das sowohl HPLC (High Performance Liquid Chromatography) als auch GC (Gaschromatographie) zur Analyse von Substanzmischungen verwendet. Dein aktuelles Projekt besteht darin, die Vor- und Nachteile beider Methoden zu bewerten und geeignete Analyseprotokolle für verschiedene Substanzklassen zu entwickeln.

• HPLC:
  • Mobile Phase: Flüssigkeit
  • Stationäre Phase: Säule gefüllt mit feinem Feststoff
  • Vielseitig für polare und nicht-polare Verbindungen
  • Anwendung: Pharma, Biochemie
• GC:
  • Mobile Phase: Gas
  • Stationäre Phase: Säule beschichtet mit Flüssigkeit oder Feststoff
  • Eignet sich für flüchtige und thermisch stabile Verbindungen
  • Anwendung: Umweltanalytik, Petrochemie

a)

Erkläre den Hauptunterschied in der mobilen Phase zwischen HPLC und GC und wie diese Unterschiede die Wahl der Methode für verschiedene Substanzklassen beeinflusst. Nenne konkrete Beispiele, wo HPLC und wo GC vorteilhaft ist.

Lösung:

Chromatographische Techniken: HPLC und GC

Du arbeitest in einem Labor, das sowohl HPLC (High Performance Liquid Chromatography) als auch GC (Gaschromatographie) zur Analyse von Substanzmischungen verwendet. Dein aktuelles Projekt besteht darin, die Vor- und Nachteile beider Methoden zu bewerten und geeignete Analyseprotokolle für verschiedene Substanzklassen zu entwickeln.

• HPLC:
  • Die mobile Phase bei der HPLC ist eine Flüssigkeit.
  • Diese Flüssigkeit kann polare oder nicht-polare Lösungen enthalten, wodurch die Methode sehr vielseitig für die Analyse verschiedenster Verbindungen ist.
• GC:
  • Die mobile Phase bei der GC ist ein Gas.
  • Das Gas muss inert sein (z.B. Stickstoff, Helium), da es nur als Träger dient und nicht mit den zu analysierenden Verbindungen reagieren darf.

• HPLC:
  • Wird bevorzugt für Substanzklassen, die thermisch nicht stabil sind und bei hohen Temperaturen zerfallen würden.
  • Ideal für polare und nicht-polare Verbindungen im pharmazeutischen und biochemischen Bereich, wie z.B. Proteine, Peptide, Nukleinsäuren.
• GC:
  • Eignet sich besonders gut für Verbindungen, die flüchtig und thermisch stabil sind, da die Analyse üblicherweise bei hohen Temperaturen durchgeführt wird.
  • Häufig von Vorteil in der Umweltanalytik und Petrochemie, um z.B. Lösungsmittel, Aromaten und andere kohlenwasserstoffbasierte Verbindungen zu analysieren.

• HPLC vorteilhaft bei:
  • Analyse von pharmazeutischen Wirkstoffen: Untersuchung und Reinheitskontrolle von Arzneimittelsubstanzen.
  • Biochemische Analysen: Trennung und Identifizierung von Makromolekülen wie Proteinen und Enzymen.
• GC vorteilhaft bei:
  • Umweltanalytik: Detektion von Pestiziden in Wasser oder Bodenproben.
  • Petrochemie: Analyse von Benzin- und Dieselbestandteilen zur Qualitätskontrolle.

b)

Beschreibe den Einfluss der stationären Phase auf die Separationseffizienz und Trennleistung in HPLC und GC. Wie würde sich die Wahl der stationären Phase ändern, wenn das Ziel die Trennung von polaren versus nicht-polaren Verbindungen ist? Nenne je ein Beispiel für eine geeignete stationäre Phase für beide Fälle.

Lösung:

Chromatographische Techniken: HPLC und GC

Du arbeitest in einem Labor, das sowohl HPLC (High Performance Liquid Chromatography) als auch GC (Gaschromatographie) zur Analyse von Substanzmischungen verwendet. Dein aktuelles Projekt besteht darin, die Vor- und Nachteile beider Methoden zu bewerten und geeignete Analyseprotokolle für verschiedene Substanzklassen zu entwickeln.

• HPLC:
  • In der HPLC verwendet man als stationäre Phase typischerweise eine Säule, die mit feinem Feststoff gefüllt ist. Der Feststoff besteht meistens aus porösen Partikeln wie Kieselgel, die mit unterschiedlichen funktionellen Gruppen modifiziert werden können.
  • Die Wahl der stationären Phase beeinflusst direkt die Selektivität und Auflösung der Trennung. Eine gute Trennleistung wird erreicht, wenn die Interaktionen zwischen den Analyten und der stationären Phase optimal sind.
• GC:
  • Bei der GC besteht die stationäre Phase entweder aus einer dünnen Flüssigkeitsschicht, die auf die Innenwand der Säule aufgebracht ist, oder aus einer feststoffbeschichteten Säule.
  • Die Trennleistung hängt von der Art der Interaktion zwischen den Analyten und der stationären Phase ab. Eine gut gewählte stationäre Phase optimiert die Retentionszeiten der Verbindungen und verbessert die Trennschärfe.

• HPLC:
  • Polare Verbindungen: Für die Trennung polarer Verbindungen verwendet man oft eine stationäre Phase, die polar ist, wie z.B. Kieselgel (SiO₂). Dies ermöglicht starke Wechselwirkungen zwischen den polaren Analyten und der stationären Phase.
  • Nicht-polare Verbindungen: Für nicht-polare Verbindungen ist eine stationäre Phase mit unpolaren Modifikatoren wie modifiziertes Kieselgel, das mit C18-Gruppen (Octadecyl) beschichtet ist, geeignet. Die hydrophoben Wechselwirkungen fördern die Trennung dieser Verbindungen.
• GC:
  • Polare Verbindungen: Eine stationäre Phase mit einer polaren Flüssigkeit wie Polyethylenglykol (PEG) wird eingesetzt, um die Trennung polarer Verbindungen durch starke intermolekulare Wechselwirkungen zu verbessern.
  • Nicht-polare Verbindungen: Nicht-polare stationäre Phasen wie Polydimethylsiloxan (PDMS) sind geeignet, da sie hauptsächlich mit hydrophoben Wechselwirkungen arbeiten, um die Trennung nicht-polaren Substanzen zu erreichen.

• HPLC:
  • Polare Verbindungen: Einer der gebräuchlichen Säulenfüllstoffe ist reines Kieselgel (SiO₂).
  • Nicht-polare Verbindungen: Eine häufig verwendete Säule ist mit Octadecylsilan (ODS) oder C18-modifiziertem Kieselgel beschichtet.
• GC:
  • Polare Verbindungen: Eine stationäre Phase bestehend aus Polyethylenglykol (PEG) oder Carbowax 20M.
  • Nicht-polare Verbindungen: Säulenbeschichtung mit Polydimethylsiloxan (PDMS).

d)

Angenommen, Du hast eine unbekannte Substanz, die sowohl in der Biochemie als auch in der Umweltanalytik vorkommen kann. Beschreibe ein allgemeines Experiment zur Identifikation der Substanz unter Verwendung sowohl von HPLC als auch von GC. Welche Detektionsmethoden würdest Du anwenden und warum?

Lösung:

Chromatographische Techniken: HPLC und GC

Du arbeitest in einem Labor, das sowohl HPLC (High Performance Liquid Chromatography) als auch GC (Gaschromatographie) zur Analyse von Substanzmischungen verwendet. Dein aktuelles Projekt besteht darin, die Vor- und Nachteile beider Methoden zu bewerten und geeignete Analyseprotokolle für verschiedene Substanzklassen zu entwickeln.

Um eine unbekannte Substanz zu identifizieren, die sowohl in der Biochemie als auch in der Umweltanalytik vorkommen kann, wäre es sinnvoll, beide chromatographischen Techniken, HPLC und GC, zu verwenden. Dies ermöglicht eine umfassendere Analyse, da jede Methode spezifische Vorteile bietet.

• Vorbereitung der Probe: Bereite die Probe so auf, dass sie sowohl für die HPLC- als auch für die GC-Analyse geeignet ist. Dies kann Schritte wie Filtration und Verdünnung umfassen.
• HPLC-Analyse:
  • Verwende eine geeignete Säule und mobile Phase basierend auf der vermuteten Natur der Substanz (polar oder nicht-polar).
  • Führe die HPLC-Analyse durch und sammle die Chromatogrammdaten.
  • Detektionsmethode: Ein UV-VIS-Detektor (für Verbindungen mit chromophoren Gruppen) oder ein Fluoreszenzdetektor (für fluoreszierende Verbindungen) kann verwendet werden. Diese Detektoren sind in der Biochemie weit verbreitet, da sie empfindlich und spezifisch für viele biochemische Substanzen sind.
• GC-Analyse:
  • Verwende eine geeignete Säule und mobile Phase (Trägergas) entsprechend der thermischen Stabilität und Flüchtigkeit der Substanz.
  • Führe die GC-Analyse durch und sammle die Chromatogrammdaten.
  • Detektionsmethode: Ein Flammenionisationsdetektor (FID) ist weit verbreitet für organische Materialien, während ein Elektroneneinfangdetektor (ECD) für halogenierte Verbindungen geeignet ist. Ein Massenspektrometer (MS) Detektor kann ebenfalls verwendet werden, da dies eine hochspezifische Identifikation ermöglicht und oft in der Umweltanalytik genutzt wird.
• Vergleich und Interpretation der Ergebnisse:
  • Vergleiche die Retentionszeiten und Peaks aus den HPLC- und GC-Chromatogrammen mit bekannten Standards, um Hinweise auf die Identität der Substanz zu erhalten.
  • Verwende die Massenspektrometrie-Daten aus der GC-Analyse für eine detaillierte Strukturaufklärung und Bestätigung der Substanzidentität.

• UV-VIS-Detektor: Gut geeignet für die Detektion von Substanzen, die im UV- oder sichtbaren Bereich absorbieren, besonders häufig in biologischen Proben.
• Fluoreszenzdetektor: Sehr empfindlich und spezifisch für fluoreszierende Verbindungen, oft in biochemischen Anwendungen.
• FID und ECD: Häufige GC-Detektoren, die gut für die Detektion organischer und halogenierter Substanzen geeignet sind.
• Massenspektrometer (MS): Bietet detaillierte Informationen über die Molekülstruktur und wird häufig zur definitiven Identifikation von Verbindungen in der Umweltanalytik verwendet.