Die Ausbildung in jedem der fünf Bereiche der Chemie bietet eine einzigartige Perspektive für das Studium der Chemie. Chemiestudiengänge und Lehrbücher sind mehr als eine Sammlung von Fakten; sie sind eine Art Lehre. In diesem Sinne stellt dieses Kapitel das Gebiet der analytischen Chemie vor und hebt die einzigartigen Perspektiven hervor, die analytische Chemiker in das Studium der Chemie einbringen.

Beginnen wir mit einer täuschend einfachen Frage. Was ist analytische Chemie? Wie alle Bereiche der Chemie ist auch die analytische Chemie zu umfangreich und zu aktiv, als dass wir sie vollständig definieren könnten. In diesem Kapitel werden wir daher versuchen, ein wenig darüber zu sagen, was analytische Chemie ist, und auch ein wenig darüber, was analytische Chemie nicht ist.

Die analytische Chemie wird oft als der Bereich der Chemie beschrieben, der für die Charakterisierung der Zusammensetzung von Materie verantwortlich ist, sowohl in qualitativer (Ist in dieser Probe Blei vorhanden?) als auch in quantitativer Hinsicht (Wie viel Blei ist in dieser Probe?). Wie wir sehen werden, ist diese Beschreibung irreführend.

Die meisten Chemiker führen routinemäßig qualitative und quantitative Messungen durch. Aus diesem Grund behaupten einige Wissenschaftler, dass die analytische Chemie kein eigener Zweig der Chemie ist, sondern einfach die Anwendung chemischer Kenntnisse.1 Tatsächlich haben Sie wahrscheinlich in anderen Chemiekursen quantitative und qualitative Analysen durchgeführt.

Die Definition der analytischen Chemie als Anwendung von chemischem Wissen ignoriert die einzigartige Perspektive, die analytische Chemiker in das Studium der Chemie einbringen. Das Handwerk der analytischen Chemie besteht nicht in der Durchführung einer Routineanalyse an einer Routineprobe, die passender als chemische Analyse bezeichnet wird, sondern in der Verbesserung etablierter Analysemethoden, in der Erweiterung bestehender Analysemethoden auf neue Arten von Proben und in der Entwicklung neuer Analysemethoden zur Messung chemischer Phänomene.2

Hier ist ein Beispiel für diese Unterscheidung zwischen analytischer Chemie und chemischer Analyse. Bergbauingenieure bewerten den Wert eines Erzes, indem sie die Kosten für den Abbau des Erzes mit dem Wert seines Inhalts vergleichen. Um den Wert des Erzes zu schätzen, analysieren sie eine Probe des Erzes. Die Entwicklung und Validierung einer geeigneten quantitativen Analysemethode liegt in der Verantwortung des analytischen Chemikers. Nach der Entwicklung ist die routinemäßige, tägliche Anwendung der Analysemethode Aufgabe des chemischen Analytikers.

Ein weiterer Unterschied zwischen analytischer Chemie und chemischer Analyse besteht darin, dass analytische Chemiker daran arbeiten, etablierte Analysemethoden zu verbessern und zu erweitern. Beispielsweise wird die quantitative Analyse von Nickel in Erzen durch mehrere Faktoren erschwert, darunter die ungleiche Verteilung von Nickel im Erz, die komplexe Matrix des Erzes aus Silikaten und Oxiden sowie das Vorhandensein anderer Metalle, die die Analyse stören können. Abbildung \(\PageIndex{1}\) zeigt eine schematische Darstellung einer Standardanalysemethode, die im späten neunzehnten Jahrhundert verwendet wurde.3 Die Notwendigkeit vieler Reaktionen, Aufschlüsse und Filtrationen macht diese Analysemethode sowohl zeitaufwändig als auch schwierig, sie genau durchzuführen.

Abbildung \(\PageIndex{1}\): Fresenius‘ analytisches Schema für die gravimetrische Analyse von Ni in Erzen. Man beachte, dass die Masse des Nickels nicht direkt bestimmt wird. Stattdessen werden Co und Ni isoliert und gewogen (Masse A), und dann wird Co isoliert und gewogen (Masse B). Die Zeitleiste zeigt, dass es nach dem Aufschluss einer Probe etwa 44 Stunden dauert, bis eine Analyse abgeschlossen ist. Dieses Schema ist ein Beispiel für eine gravimetrische Analyse, bei der die Masse die wichtigste Messgröße ist. Weitere Informationen über gravimetrische Verfahren finden Sie in Kapitel 8.

Abbildung \(\PageIndex{2}\): Dimethylglyoxim

Die Entwicklung von Dimethylglyoxim (dmg), einem Reagenz, das selektiv \(\ce{Ni^{2+}}) und \(\ce{Pd^{2+}}) ausfällt, führte 1905 zu einer verbesserten analytischen Methode für die quantitative Analyse von Nickel.4 Die daraus resultierende Analyse, wie sie in Abbildung \(\PageIndex{3}\) dargestellt ist, erfordert weniger Manipulationen und weniger Zeit nach Abschluss der Probenauflösung. In den 1970er Jahren löste die Flammen-Atomabsorptionsspektrometrie die Gravimetrie als Standardmethode für die Analyse von Nickel in Erzen ab,5 was zu einer noch schnelleren Analyse führte. Heute wird als Standardanalyseverfahren ein optisches Emissionsspektrometer mit induktiv gekoppeltem Plasma verwendet.

Abbildung \(\PageIndex{3}\): Gravimetrische Analyse für Ni in Erzen durch Ausfällung von Ni(dmg)2. Die Zeitleiste zeigt, dass nach dem Aufschluss der Probe etwa vier Stunden für eine Analyse benötigt werden, was 10-mal kürzer ist als bei der Methode in Abbildung \(\PageIndex{1}\). Der Faktor 0,2301 in der Gleichung für %Ni berücksichtigt den Unterschied in den Formelgewichten für Ni und Ni(dmg)2; siehe Kapitel 8 für weitere Einzelheiten.

Eine angemessenere Beschreibung der analytischen Chemie ist „die Wissenschaft der Erfindung und Anwendung von Konzepten, Prinzipien und…Strategien zur Messung der Eigenschaften chemischer Systeme.“6 Analytische Chemiker arbeiten in der Regel an den äußersten Rändern der Analyse und erweitern und verbessern die Fähigkeit aller Chemiker, aussagekräftige Messungen an kleineren Proben, an komplexeren Proben, auf kürzeren Zeitskalen und an Spezies, die in niedrigeren Konzentrationen vorliegen, durchzuführen. Im Laufe ihrer Geschichte hat die analytische Chemie viele der Werkzeuge und Methoden zur Verfügung gestellt, die für die Forschung in den anderen traditionellen Bereichen der Chemie notwendig sind, und sie hat auch die multidisziplinäre Forschung in der medizinischen Chemie, der klinischen Chemie, der Toxikologie, der forensischen Chemie, der Materialwissenschaft, der Geochemie und der Umweltchemie gefördert, um nur einige zu nennen.

Sie werden in diesem Lehrbuch zahlreiche Beispiele für analytische Methoden finden, von denen die meisten Routinebeispiele der chemischen Analyse sind. Es ist jedoch wichtig, sich daran zu erinnern, dass nicht-routinemäßige Probleme analytische Chemiker dazu veranlasst haben, diese Methoden zu entwickeln.

Wenn Sie das nächste Mal in der Bibliothek sind, schauen Sie sich eine aktuelle Ausgabe einer analytisch orientierten Zeitschrift an, z. B. Analytische Chemie. Achten Sie auf die Titel und Zusammenfassungen der Forschungsartikel. Auch wenn Sie vielleicht nicht alle Begriffe und Analysemethoden wiedererkennen, werden Sie beginnen, die Frage „Was ist analytische Chemie?“