Elementaranalyse

Unter dem Begriff quantitative Elementaranalyse versteht man in der Chemie die quantitative Bestimmung der Elemente Kohlenstoff (C) und Wasserstoff (H) als Hauptbestandteil aller organischen Stoffe, wie auch der wichtigsten Heteroatome: Stickstoff (N), Sauerstoff (O), Schwefel (S), seltener auch Phosphor (P) und die Halogene (F, Cl, Br, I).

Kommerziell verfügbare Geräte der  CHNS Elementaranalyse arbeiten nach dem Prinzip der sogenannten Verbrennungsanalytik. Dabei wird eine genau abgewogene Probenmenge über eine Probenschleuse in ein Verbrennungsrohr überführt und bei Dauertemperaturen von bis zu ~1400 °C (aufgrund exothermer Reaktionen kurzzeitig bis zu 1800 °C) unter Zugabe von reinem Sauerstoff (O2) verbrannt. Die freiwerdenden gasförmigen Oxidationsprodukte (Analysengase) werden anschließend mit Hilfe eines inerten Trägergases durch den kompletten Analysator geleitet. Um die bei der Verbrennung gebildeten Stickoxide (NOx) zu Stickstoff (N2) zu reduzieren und eventuelle O2-Überschüsse aus dem Analysengas zu entfernen wird das Analysengas anschließend durch eine Packung aus heißem Kupfer (Späne o. Granulat) geleitet. Dadurch verbleiben im He-Trägergasstrom nur noch die Analysengase N2, CO2, H2O und SO2. An diesem Punkt werden für die selektive und quantitative Bestimmung von Kohlenstoff (als CO2) und Schwefel (als SO2) der ULTRA.sens und der INFRA.sens eingesetzt . In der nachfolgenden Prinzip-Darstellung ist ein solcher Aufbau zu sehen.

Principle Eelental Analyser

 

ICARUS2      ICARUS Tiegel 2

Analyseautomat ICARUS (Bruker Elemental GmbH)        Eine Metallprobe wird in die Schleuse eingebracht

 

Berechnung

Anhand eines Beispiels, soll im Folgenden die prinzipielle Berechnungsgrundlage für eine Elementaranalyse aufgezeigt werden. Die Einwaage der unbekannten Probe soll  m1 = 0,1754 g betragen. Nehmen wir an,  das der Schwefel-Anteil in diesem Beispiel  cS = 0,178% beträgt. Mit Gl. 1 lässt sich dann die Masse berechnen:

Gl.1

Probe enthält somit  mS = 0,0003122g S. Das Verhältnis der molaren Massen von Schwefel und Schwefeldioxid beträgt ca. 2, so dass folgende Beziehung für die Masse an Schwefeldioxid besteht die sich aus einer gegeben Masse von Schwefel ergibt:

Gl.2

Aus 0,0003122 g S entstehen somit  ≈0,0006244g SO2. Die molare Masse von SO2 beträgt ≈ 64 g/mol. Unter Normalbedingungen nehmen 64 g SO2 ein Volumen von 22,4 L ein. Daraus ergibt sich dann das SO2 Volumen (=0,000219L) in der Gasphase:

Gl.3

Der O2-Volumestrom VO2  (z.B. 4L/min.) führt in der Zeit des Peakverlaufs  (tpeak =20s) zu einem Gesamtvolumen  VN2 in dem  sich das gesamte SO2 Volumen befindet:

Gl.4

In der nachfolgen Graphik ist dieser Zusammenhang dargestellt. Mit Gl. 4 wird also der gelbe, rechteckige Verlauf beschrieben. Das Integral ist in beiden Fällen identisch.

Peak

Die SO2 Konzentration in der Gasphase, die vom Sensor erfasst wird, lässt sich dann mit  VSO2<<VO2  wie folgt berechnen:

Gl.5

Setzt man nun in Gl. 5 die Ausdrücke aus Gl. 1-4 ein, so erhält man einen Zusammenhang zwischen der Konzentration in der Gasphase und dem  S-Gehalt in der Feststoffprobe:

Gl.6

Da bei dieser Analgenmethode von der Konzentration in der Gasphase auf die Konzentration in der Feststoffprobe zurückgeschlossen werden soll, muss diese Gleichung dann nach der gesuchten Größe umgestellt werden. Es ergibt sich dann folgender Zusammenhang:

Gl.7

Die konstanten Größen, bzw geregelten Größen lassen sich zu einem Gerätefaktor bzw. Kalibrier-Faktor f zusammenfassen, der experimentell bestimmt wird. Dazu werden zertifizierte Feststoffproben genutzt.

Calculation

Literatur:

Paplewski, P.: Gasanalyse von Metallproben (C, S, H, N, O). Kap. 15.7 aus  Gasmesstechnik in Theorie und Praxis (Wiegleb, G.) Springer-Vieweg Verlag 2016 S. 1057-1075

Wiegleb, G.: A novel fast response, low level gas sensor system for detection of SO2 and CO2, based on combined NDIR- and NDUV-technology. PEFTEC Conference 2015 (19. Nov.) in Antwerpen PEFTEC 2015