Chemie von Säureaufschlüssen

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Saure Aufschlüsse, sei es offen oder geschlossen als Druckaufschluss, werden mit verschiedensten Reagenzien durchgeführt. Neben den verschiedenen Mineralsäuren kommen Reagenzien wie Wasserstoffperoxid, Kaliumperoxodisulfat, Borsäure u.v.a. zum Einsatz. Die Auswahl der Reagenzien bzw. Zusammenstellung einer Reagenzienmischung hängt von der zu zersetzenden Probe ab.

Probenmaterialien können generell wie folgt unterschieden werden:

Organische Stoffe

Als organische Stoffe werden Stoffe bezeichnet, die aus Kohlenstoff in Verbindung mit Wasserstoff gebildet werden. Die Stoffe sind meist natürlichen Ursprungs. Dazu zählen vorwiegend Umweltproben, Proben aus der Lebensmittel- oder Kosmetik/Pharmaindustrie, Agrarwissenschaften und Proben aus der klinischen Analytik. Daneben werden auch Polymere, oder Pestizide als organische Proben betrachtet. Im Allgemeinen werden oxidierende Substanzen oder Mischungen verwendet. Dazu zählen Salpetersäure, auch in Mischung mit Wasserstoffperoxid bzw. Schwefelsäure.

Anorganische Stoffe

Im Vergleich zu organischen Proben enthalten anorganische Proben in der Regel keinen Kohlenstoff. Aufgrund der komplexen Zusammensetzung werden hier alle Proben aus der Materialkunde, Geologie oder auch Metallindustrie betrachtet. In Abhängigkeit der Probenzusammensetzung können hier unterschiedliche Säuremischungen eingesetzt werden.

  • Reine Metalle: HCl, Königswasser, auch in Kombination mit HF
  • Oxide: H2SO4/HCl, H3PO4/HCl, H2SO4/H3PO4 auch in Kombination mit HF
  • Schwer aufschließbare Proben bei hohen Aufschlusstemperaturen: Zugabe von H2SO4 oder H3PO4 notwendig um Dampfdruck der Gesamtsäuremischung zu reduzieren
  • Oxide (besonders Aluminate): Aufschlussbedingungen abhängig von Modifikation. α-Al2O3 durch H2SO4/HCl oder H3PO4/HCl auch in Kombination mit HF unter Verwendung hoher Aufschlusstemperaturen und Aufschlusszeiten. In diesem Fall wird die Verwendung eines konventionellen Druckaufschluss-Systems empfohlen (ähnlich auch für Kohlenstoff).

Bei der Auswahl einer geeigneten Methode ist die Art der Probe und deren Zusammensetzung entscheidend. Neben organischen und anorganischen Proben kann man nach festen und flüssigen oder auch wasserlöslichen und unlöslichen Proben unterscheiden. Grundsätzlich sollte man vor dem Aufschluss (v.a. bei unbekannten Proben) so viele Informationen wie möglich zusammenzutragen und die Probe anhand ihrer Beschaffenheit analysiert werden.

Organische Probenmaterialien werden generell mit Hilfe oxidierender Säuren (v.a. Salpetersäure) und Reagenzien (v.a. Wasserstoffperoxid) zu Kohlendioxid zersetzt und vollständig mineralisiert. Kunststoffe werden vor dem oxidativen Angriff häufig in situ durch Zugabe von Schwefelsäure dehydratisiert. Vorsicht ist beim Aufschluss von reaktiven Proben geboten, d.h. Materialien (Fette, Öle etc.) die unter diesen Bedingungen exotherm zersetzt werden. Durch langsame Aufheizraten oder Heizen in verschiedenen Temperaturstufen können auch solche Proben sicher zersetzt werden.

`(CH2)x + 2 HNO3 —> CO2 + 2 NO + 2 H2O`

Kontrolle von exothermen Reaktionen

Alle Reaktionen, die Energie in Form von Wärme an die Umgebung abgeben werden als exotherme Reaktionen bezeichnet. Beispielsweise reagieren Lösungsmittel, Fette und Öle stark exotherm wenn sie aufgeschlossen werden. Die Reaktivität unterscheidet sich hier durch die Art und Anzahl der gesättigten oder ungesättigten Fettsäuren. Ungesättigte Fettsäuren, die Mehrfachbindungen enthalten benötigen in der Regel etwas höhere Aufschlusstemperaturen. Dabei sind auch stärkere exotherme Reaktionen zu erwarten. Die Energiefreisetzung macht sich durch einen spontanen Temperaturanstieg bemerkbar. Um solche Reaktionen zu kontrollieren und eine sichere Reaktionsführung zu gewährleisten ist die Temperaturüberwachung mit geeigneten Temperatursensoren notwendig. Durch die Wahl des geeigneten Temperaturprogrammes und die Überwachung dieses kann übermäßiger Materialstress vorgebeugt werden.

Das Spektrum anorganischer Probenmaterialien ist demgegenüber bedeutend vielfältiger. Selbst Bedingungen der Probenvorbehandlung, z.B. ob eine Keramik bei geringerer oder höherer Temperatur gebrannt wurde, können einen Einfluss darauf haben, ob eine Probe leicht oder schwer aufschließbar ist. Generell sollen jedoch auch anorganische Proben vollständig mineralisiert und gelöst werden. Hierzu werden Säuremischungen mit Salzsäure und/oder Flusssäure-Anteilen eingesetzt. Damit die Lösungen über einen längeren Zeitraum stabil bleiben, ist die Löslichkeit der gebildeten Salze ist zu beachten.

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