Inhaltsverzeichnis

1.  AUFGABENSTELLUNG  4

2.  THEORIE  4

2.1  EIGENSCHAFTEN VON FLUOR  4

2.2  “BIOLOGISCHE BEDEUTUNG“  4

2.3  VORKOMMEN  5

2.4  IONENSELEKTIVE ELEKTRODE  5

2.5  ELEKTRODENMATERIAL  6

2.6  MESSPRINZIP DER STANDARDADDITION (ISE)  6

2.7  GRUNDLAGEN DER PHOTOMETRIE  6

2.8  MESSPRINZIP FÜR DIE FLUORIDBESTIMMUNG  7

2.9  MESSPRINZIP DER STANDARDADDITION (KÜVETTENTEST)  7

3.  GERÄTE, HILFSMITTEL UND CHEMIKALIEN  9

3.1  GERÄTE, HILFSMITTEL UND CHEMIKALIEN FÜR DIE IONENSELEKTIVE ELEKTRODE  9

3.1.1  GERÄTE UND HILFSMITTEL  9

3.1.2  VOLUMENMESSGERÄTE (AUS PLASTIK)  9

3.1.3  CHEMIKALIEN  9

3.2  GERÄTE, HILFSMITTEL UND CHEMIKALIEN FÜR DEN KÜVETTENTEST LCK 323 DER  

FIRMA  DR. LANGE  9

3.2.1  GERÄTE UND HILFSMITTEL  9

3.2.2  VOLUMENMESSGERÄTE (AUS PLASTIK)  9

3.2.3  CHEMIKALIEN  10

4.  VORBEREITUNG DER MINERALWASSERPROBEN  10

4.1  VERSUCHSDURCHFÜHRUNG  10

4.2  MESSWERTE  11

4.3  AUSWERTUNG  11

5.  VERSUCHSDURCHFÜHRUNGEN, MESSWERTE UND AUSWERTUNGEN  11

5.1  FLUORIDBESTIMMUNG MITTELS ISE  11

5.1.1AUFNAHME  EINER „KALIBRIERKURVE  11

5.1.1.1  Versuchsdurchführung  11

5.1.1.2  Messwerte  12

5.1.1.3  Auswertung  13

5.1.2  ANALYSE VON 3 WÄSSER (DREIFACHBESTIMMUNG)  13

5.1.2.1  Versuchsdurchführung  13

5.1.2.2  Messwerte  13

5.1.2.3  Auswertung  13

5.1.3  STANDARDADDITION VON EINEM WASSER (ST. GERO)  14

5.1.3.1  Versuchsdurchführung  14

5.1.3.2  Messwerte  14

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5.1.3.3  Auswertung  15

5.2  FLUORIDBESTIMMUNG MITTELS KÜVETTENTEST LCK 323 DER FIRMA DR. LANGE  15

5.2.1  ERSTELLUNG EINER KALIBRIERKURVE  15

5.2.1.1  Versuchsdurchführung  15

5.2.1.2  Messwerte  16

5.2.1.3  Auswertung  17

5.2.2  BESTIMMUNG DES FLUORIDGEHALTS IM MINERALWASSER  18

5.2.2.1  Versuchsdurchführung  18

5.2.2.2  Messwerte  18

5.2.2.3  Auswertung  19

6.  DISKUSSIONEN  19

6.1  FEHLERDISKUSSION ZUM VERSUCHSTEIL ISE  19

6.2  FEHLERDISKUSSION ZUM VERSUCHSTEIL PHOTOMETRIE  20

6.3  DISKUSSION DER ERGEBNISSE  21

7.  LITERATURVERZEICHNIS  22

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1. Aufgabenstellung

Zu bestimmen war der Fluoridgehalt in drei verschiedenen Mineralwässern mittels:

Ionenselektive Elektrode (ISE; Direktpotentiometrie)

Photometrie (Küvettentest LCK 323)

Zusätzlich soll zur Abschwächung von Matrixeffekten und des geringen Fluoridgehaltes das Verfahren der Standardaddition angewendet werden.

2. Theorie

2.1 Eigenschaften von Fluor

Fluor: engl. fluorine; lat. fluere ("fließen")

Fluor ist ein farbloses, in dichteren Konzentrationen gelbgrünliches Gas, das stechend riecht. Bei Zimmertemperatur liegt es in Form zweiatomiger Moleküle vor (F 2 ).

Fluor ist das elektronegativste, reaktionsfähigste Element und das stärkste Oxidationsmittel. Es reagiert mit fast allen Stoffen schon bei tiefen Temperaturen. Mit Wasserstoff verbindet es sich unter Feuererscheinungen oder explosionsartig zu Fluorwasserstoff:

H 2 + F 2 -----> 2 HF H R = -542 kJ/mol

Mit den meisten Metallen und Nichtmetallen und sogar mit Chlor, Brom und Iod reagiert es zu den entsprechenden Fluoriden.

Da Fluor auch Glas angreift, wird es in Flaschen aus Kupfer-Nickel-Legierungen transportiert und aufbewahrt.

Organische Stoffe reagieren mit Fluor unter Bildung von Fluorwasserstoff und Kohlenstofffluorid.

2.2 “Biologische Bedeutung“

In geringen Mengen kommen Fluorverbindungen jedoch auch im menschlichen Körper vor, so zum Beispiel im Zahnschmelz, in den Knochen, im Magensaft, oder im Blut Fluor ist wichtig für die Härtung des Zahnschmelzes, sowie auch für das Knochenwachstums. Mit Hilfe von Fluoriden wird Hydroxyapatit in das härtere Fluorapatit umgewandelt. Der Zahn wird resistenter gegen Säuren und damit gegen Karies. Der empfohlene Tagesbedarf eines Erwachsenen betragt 2mg, bei Kleinkinder bei 0,2mg. Eine zu hohe F ^- -Aufnahme kann zu schweren Vergiftungen führen.

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Eine gezielte Fluoridaufnahme ist in Deutschland eigentlich nur über Zahnpasta und Fluoridtabletten möglich. Die Fluoridierung von Trinkwasser ist nicht erlaubt. Jedoch tragen auch Mineralwasser zur Aufnahme von Fluorid bei. Laut Gesetz muss der Anteil an Fluorid nur dann angeben werden, wenn mehr als 5mg/L F ^- vorliegen. Sonst ist die Deklarierung freiwillig.

2.3 Vorkommen

Elementares Fluor kommt aufgrund seiner hohen Reaktivität in freier Form in der Natur nicht vor. In Form seiner Salze, der so genannten Fluoride, ist Fluor aber weit verbreitet und beispielsweise auch in vielen Wässern (0,1-1,5 mg/l F ^- ) enthalten. Zur Herstellung von Fluor und Fluorchemikalien dient hauptsächlich Flussspat (CaF 2 ).

2.4 Ionenselektive Elektrode

Die ISE (=ionenselektive Elektrode) ähnelt sehr der Glaselektrode. Mittels Direktpotentiometrie lässt sich mit der ISE die Konzentration freier, ungebundener Ionen in einer Lösung bestimmen.

Das Prinzip der ISE entspricht dem Austausch von Ionen oder auf Komplexbildungs-, Verteilungs-, oder Löslichkeitsgleichgewichten. Die Aktivitäten entsprechen in verdünnten Lösungen den Konzentrationen der Ionen. Ein bevorzugtes Merkmal ist die Aktivitätsmessung, da etwa Reaktionsgeschwindigkeiten oder chem. Gleichgewichte durch die Aktivität und nicht durch die Konzentration bestimmt werden können.

Mit einer ISE kann man bestimmte Ionen in einer Lösung selektiv messen. Zwischen einer ISE und einer Referenzelektrode wird eine elektrochemische Potentialdifferenz erzeugt. Dieses Potential ist proportional zum Gehalt bzw. der Konzentration des Ions, auf dass das System selektiv anspricht.

Um die Konzentration messen zu können muss, die Ionenstärke einer Lösung konstant gehalten werden. Dies wird durch Zugabe eines inerten Elektrolyten mit konstanter und hoher Konzentration zur Probelösung erreicht. Dieser Zusatz wird als ISA Lösung oder ISAB bezeichnet. So werden direkte Konzentrationsmessungen möglich, wenn sowohl zum Kalibrierstandard als auch zur Probe ISA Lösungen zugegeben wird. Den Zusammenhang zwischen gemessenem Elektrodenpotential E und Aktivität eines Ions liefert die Nernst Gleichung.

Die Bestimmung der realen Elektrodensteilheit ist ein Kriterium für die Leistungsfähigkeit einer Elektrode. Wird die ionenselektive Elektrode nach Gebrauch nicht gereinigt oder für

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längere Zeit vernachlässigt, sinkt die Genauigkeit des Meßsystems. Dieser Leistungsabfall kann bei der Kalibrierung als ständige Verringerung der Steigung festgestellt werden. Verschiedene Faktoren wie Verschmutzung des Diaphragmas der Referenzelektrode, Elektrolytverlust, Interferenzen und Benutzung falscher Kalibrierstandards tragen zu niedrigen Steigungen bei.

2.5 Elektrodenmaterial

Zur Fluorid Bestimmung wurde eine Festkörpermembran verwendet:

Festkörpermembranen werden aus ionischen Verbindungen hergestellt, z.B. LaF 3 . Dies sind schwerlösliche Kristalle. Nach eintauchen in Wasser oder in eine wässrige Lösung bildet sich ein Gleichgewicht, dass von der bereits vorhandenen Aktivität von F-Ionen abhängt. Bei einer hohen F-Konzentration werden viele F- Ionen an den Bindungsstellen des LaF3-Kristalls angelagert. Im Gegensatz zu einer geringen F Konzentration lösen sich die F-Ionen aus den Kristall heraus, in mmol Einheiten, was jedoch ausreicht um eine elektrochemische Potenzial hervor zurufen.

2.6 Messprinzip der Standardaddition (ISE)

Bei der Standardaddition werden bekannte Mengen eines Analyten zur Probe mit unbekannter Konzentration zugesetzt. Durch diese Methode können Messfehler z.B. Matrixfehler vermieden werden. Die mit der Ionenselektiven Elektrode gemessen Messwert und der folgende Formel kann die Konzentration ermittelt werden.

wobei: c p c

^s V p = Volumen der Probe (incl. Wasser und TISAB, also Gesamtvolumen abzgl. Standardvolumen)

V s = Volumen des Standards (siehe Tabelle) ΔE = Potentialdifferenz (ΔE= E pur - E nach Addition ) s = Elektrodensteilheit (siehe Standardkurve )

2.7 Grundlagen der Photometrie

Die Spektralphotometrie ist ein gebräuchliches, optisch-analytisches Verfahren zur Bestimmung des Gehaltes von Ionen in Lösungen, welches auf der Messung der Absorption monochromatischer Strahlung durch eine homogene Lösung beruht. Monochromatisches Licht enthält nur einer bestimmten Wellenlänge.

Bei der Photometrie wird die Lichtschwächung gemessen, jede Substanz besitzt ein charakteristisches Absorptionsspektrum dass von der Struktur des Moleküls abhängt. Dadurch absorbiert jede Substanz Licht einer bestimmten Wellenlänge. Bei Aufnahme von Energie in Form von Strahlung werden die Elektronen auf ein höheres Energieniveau

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