In der analytischen Chemie ist eine Standardlösung ( Titrant oder Titrator ) eine Lösung mit genau bekannter Konzentration . Standardlösungen werden üblicherweise hergestellt, indem ein gelöster Stoff bekannter Masse in einem Lösungsmittel bis zu einem präzisen Volumen gelöst oder eine Lösung bekannter Konzentration mit mehr Lösungsmittel verdünnt wird. [ 1 ] Idealerweise weist eine Standardlösung einen hohen Reinheitsgrad auf und ist so stabil, dass die Konzentration auch nach langer Lagerung noch genau gemessen werden kann. [ 2 ]
Die Herstellung einer Standardlösung erfordert größte Sorgfalt, um jegliches Kontaminationsrisiko auszuschließen, das die Genauigkeit der Konzentrationsbestimmung beeinträchtigen könnte. Aus diesem Grund werden für die Präparationsschritte hochpräzise Glasgeräte wie Messkolben , Messpipetten , Mikropipetten und automatische Pipetten verwendet. Das verwendete Lösungsmittel muss zudem rein sein und den gelösten Stoff vollständig in einer homogenen Lösung auflösen. [ 2 ]
Standardlösungen werden für verschiedene volumetrische Verfahren verwendet, beispielsweise zur Bestimmung der Konzentration von Lösungen unbekannter Konzentration bei Titrationen . Die Konzentrationen von Standardlösungen werden üblicherweise in Mol pro Liter (mol/L, oft abgekürzt M für Molarität ), Mol pro Kubikdezimeter (mol/dm³ ) , Kilomol pro Kubikmeter (kmol/m³ ) , Gramm pro Milliliter (g/mL) oder in Einheiten angegeben, die sich auf die in bestimmten Titrationen verwendeten Einheiten beziehen (z. B. Titer ).
Arten von Standardlösungen
Standardlösungen lassen sich nach der Art des zu ihrer Herstellung verwendeten Analyten kategorisieren . Diese analytischen Standards können entweder Primärstandards oder Sekundärstandards sein.
Primärstandards
Primärstandards sind Verbindungen mit bekannter Stöchiometrie , hoher Reinheit und hoher Stabilität unter Standardbedingungen. Die Verbindung darf nicht hygroskopisch sein , damit ihre Masse beim Wiegen die exakte Stoffmenge (in Mol) genau wiedergibt. Diese Eigenschaften machen Primärstandards zuverlässig für die Herstellung von Standardlösungen mit genauer Konzentration, da lediglich die eingesetzte Menge an Verbindung und Lösungsmittel bekannt sein muss. Primärstandardlösungen werden häufig zur Bestimmung der Konzentration von Sekundärstandardlösungen durch Titration verwendet . Ein Beispiel für einen Primärstandard ist Kaliumdichromat . [ 3 ]
Sekundärstandards
Sekundärstandards erfüllen nicht die Anforderungen an einen Primärstandard. [ 4 ] Die Konzentration einer aus einem Sekundärstandard hergestellten Standardlösung kann ohne stöchiometrische Analyse anhand eines Primärstandards nicht genau bestimmt werden. Ein Beispiel für einen Sekundärstandard ist Natriumhydroxid , eine hygroskopische Verbindung, die stark mit ihrer Umgebung reagiert. Die Konzentration einer mit Natriumhydroxid hergestellten Standardlösung kann aufgrund der Instabilität der Verbindung im Laufe der Zeit schwanken, weshalb vor der Verwendung eine Kalibrierung mit einem Primärstandard erforderlich ist. [ 3 ] [ 5 ]
Standardisierungsmethoden
Standardlösungen werden häufig für Standardisierungsprozesse in der quantitativen Analyse verwendet, um Fehler zu minimieren und die Genauigkeit der Ergebnisse zu gewährleisten.
Externe Standards
Dies ist die gebräuchlichste Standardisierungsmethode, die einen oder mehrere Standards mit jeweils bekannter Konzentration desselben Analyten erfordert . Externe Standards werden, anders als bei anderen Standardisierungsmethoden, getrennt von der Probe analysiert, daher der Name „extern“. Trägt man die Konzentrationen einer Reihe externer Lösungen gegen einen Messwert, wie beispielsweise die Absorption jeder externen Lösung, auf, erhält man eine Kalibrierkurve . Mithilfe dieser Kalibrierkurve können dann mehrere Proben mit unbekannten Konzentrationen analysiert werden, was sie zu einem nützlichen Werkzeug macht. Die externe Standardisierungsmethode kann zu einem bestimmten Fehler führen, wenn sich die Matrix der unbekannten Lösung stark von der des externen Standards unterscheidet. Dieses Problem lässt sich durch die Nachbildung der Matrix der unbekannten Lösung im externen Standard beheben, ein Verfahren, das als „Matrixanpassung“ bezeichnet wird. [ 3 ] [ 6 ]
Interne Standards
Eine Reihe interner Standards enthält die gleiche Konzentration einer Chemikalie, des sogenannten internen Standards, und unterschiedliche Konzentrationen des Analyten. Der interne Standard sollte chemisch dem Analyten ähnlich sein, damit beide während der Messung gleich behandelt werden. Interne Standards werden verwendet, um Analytverluste während der Probenvorbereitung zu korrigieren, beispielsweise wenn sich der Analyt in einem flüchtigen Lösungsmittel befindet. Wenn sowohl der interne Standard als auch der Analyt proportional Lösungsmittel verlieren, bleiben ihre Signale identisch, und das Verhältnis ihrer Signale kann gemessen werden.
Die Auftragung des Verhältnisses des Analytsignals zum Signal des internen Standards gegen die Analytkonzentration ergibt eine Kalibrierkurve. Ähnlich wie die externe Kalibrierkurve ermöglicht auch die interne Kalibrierkurve die Berechnung der Analytkonzentration in einer unbekannten Probe. [ 7 ]
Standardzusätze
Bei der Standardadditionsmethode wird eine Standardlösung bekannter Konzentration in steigenden Schritten zu einer Reihe von Lösungen mit demselben unbekannten Analyten hinzugegeben. Da die Matrix dieser Lösungen identisch ist, wird der Matrixeffekt , der das Messsignal des Analyten beeinflussen könnte, eliminiert. Daher ergibt die Kalibrierkurve einen linearen Verlauf. Die Konzentration des unbekannten Analyten kann anschließend durch Bestimmung des x-Achsenabschnitts gemessen werden. [ 8 ]
Anwendungen
Titration
Bei Titrationen kann die Konzentration eines Analyten in Lösung durch Titration der Standardlösung mit der Analytlösung bestimmt werden, um die Neutralisationsschwelle zu ermitteln. [ 9 ] Um beispielsweise die Konzentration von Chlorwasserstoff zu berechnen , wird eine Standardlösung bekannter Konzentration, wie z. B. 0,5 M Natriumhydroxid, mit der Chlorwasserstofflösung titriert.
Bestimmung der Konzentration mithilfe einer Kalibrierkurve
Standardlösungen werden häufig verwendet, um die Konzentration einer Analytspezies mithilfe einer Kalibrierkurve zu bestimmen . Eine Kalibrierkurve wird durch Messung einer Reihe von Standardlösungen bekannter Konzentrationen erstellt. Mithilfe dieser Kurve kann die Konzentration einer unbekannten Probe mittels linearer Regressionsanalyse bestimmt werden . [ 10 ] Beispielsweise kann durch Vergleich der Absorptionswerte einer Lösung unbekannter Konzentration mit einer Reihe von Standardlösungen unterschiedlicher Konzentrationen die Konzentration der unbekannten Probe mithilfe des Lambert-Beer'schen Gesetzes bestimmt werden .
Jede Form der Spektroskopie kann auf diese Weise eingesetzt werden, sofern die Analytspezies eine signifikante Absorption im Spektrum aufweist. Die Standardlösung dient als Referenz zur Bestimmung der Molarität unbekannter Spezies.
Der Matrixeffekt kann die Effizienz einer Kalibrierkurve aufgrund von Wechselwirkungen zwischen Matrix und Analytsignal negativ beeinflussen. Der Matrixeffekt kann durch Zugabe interner Standards zu den Standardlösungen oder durch Anwendung der Standardadditionsmethode reduziert werden . [ 11 ]
Chromatographie
Interne Standards werden in GC/MS und LC/MS verwendet, um die durch Injektion, Probenvorbereitung und Matrixeffekte bedingte Variabilität zu kontrollieren. Das Verhältnis der Peakflächen zwischen internem Standard und Analyt wird zur Bestimmung der Analytkonzentration berechnet. [ 12 ] Ein gängiger interner Standard ist ein isotopenmarkiertes Analogon des Analyten, das ein oder mehrere Atome von 2H , 13C , 15N und 18O in seine Struktur einbaut. [ 13 ]
Beispiel für die Herstellung einer Reihe von Standardlösungen
Angenommen, die Glutaminkonzentration in einer unbekannten Probe soll gemessen werden. Dazu wird eine Reihe von Standardlösungen mit Glutamin hergestellt, um eine Kalibrierkurve zu erstellen. Eine Tabelle, die eine Methode zur Herstellung dieser Lösungen zusammenfasst, ist unten dargestellt:
| Konzentration der Glutamin-Stammlösung (g/mL): | 7,50 × 10 −3 | ||
|---|---|---|---|
| Lösung | Glutamin zugesetzt (ml) | Zum Markieren verdünnen mit: | Resultierende Konzentration (g/mL) |
| 1 (leer) | 0 | Deionisiertes Wasser in 25 ml Messkolben | 0 |
| 2 | 1 | 3,00 × 10 −4 | |
| 3 | 2 | 6,00 × 10 −4 | |
| 4 | 3 | 9,00 × 10 −4 | |
| 5 | 4 | 1,20 × 10 −3 | |
Hierbei wird eine Glutamin-Stammlösung mit einem hochpräzisen Messgerät schrittweise zugegeben und in Messkolben auf das gleiche Volumen verdünnt. Das Ergebnis sind vier Standardlösungen mit unterschiedlichen, bekannten Konzentrationen (sowie eine Blindprobe zur Gerätekalibrierung). Die Endkonzentration jeder Lösung wird mithilfe der Formel für die molare Konzentration berechnet .
Referenzen
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