Analysemethoden für die Bestimmung der Edelmetalle

Zur Bestimmung der Reinheit von Edelmetallen bzw. der Zusammensetzung von Edelmetall-Legierungen wendet man unterschiediche Analyseverfahren an. Dabei hat jedes Analyseverfahren seine Vorzüge aber auch Nachteile und Grenzen. Nachfolgend werden die wichtigsten Verfahren kurz vorgestellt, die in der Edelmetallanalyse eine Rolle spielen.

Die Röntgenfluoreszenzanalyse

Analyse von Legierungen mittels RFA auf Gold, Silber, Platin und Palladium

Die Röntgenfluoreszenzanalyse (RFA), im englischen XRF (X-Ray Fluorescence Analysis), ist ein spektroskopisches Verfahren, mit dem sich alle in einer Probe beinhalteten Elemente bestimmen lassen. Dabei ist sowohl eine qualitative als auch eine quantitative Analyse möglich. Das Prinzip basiert auf ionisierender Strahlung. Diese kann Synchrotronstrahlung, Röntgenstrahlung oder eine radioaktive Quelle sein. Atome, die sich in der Probe befinden, werden durch die Strahlung angeregt und aufgrund des Photoeffekts entsteht charakteristische Strahlung [1].
Für die unterschiedlichsten Geräte, die auf dem Prinzip der Röntgenstrahlung basieren finden sich viele Anwendungsmöglichkeiten z.B. in der Medizin, der Kunst oder der Archäologie. Und speziell die Anwendungsmöglichkeiten im technischen Bereich sollten hervorgehoben werden. Hier eigenen sich Röntgenstrahlen vor allem für die Analyse von Strukturen und Oberflächen.

Bei der RFA besteht sowohl die Möglichkeit der qualitativen als auch der quantitativen Analyse:

Die Qualitative Analyse dient der Bestimmung der Art der Elemente.
Bereit im Jahre 1914 entdeckte H.G.J. Moseley einen Zusammenhang zwischen der Energie (Wellenlänge) und der Ordnungszahl des emittierenden Elements.

Mit der Quantitativen Analyse lässt sich die Menge der einzelnen Elemente bestimmen. Die quantitative Analyse beruht darauf, dass die Intensität der Fluoreszenzstrahlung eines spezifischen Elements von dessen Konzentration in der Probe abhängt.

Vor- und Nachteile der Röntgenfluoreszenzanalyse

Vorteile der Röntgenfluoreszenzanalyse:

  • es besteht die Möglichkeit einer zerstörungsfreien Analyse (der Elemente Bor (Z=5) bis Uran (Z=92))
  • die Probe lässt sich in jedem beliebigen Aggregatzustand analysieren (als Festkörper/Pulver, flüssig oder gasförmig)
  • Schnelligkeit
  • Genauigkeit
  • Reproduzierbarkeit

Nachteile der Röntgenfloureszenzanalyse:

  • liefert eine geringe Informationstiefe
  • im klassischen Fall ist keine Aussage über die chemische Bindung der Elemente möglich

gängige Verfahren bei der Röntgenfluoreszenzanalyse

1) wellenlängendispersives Verfahren

Das Verfahren dient der Analyse der genauen Zusammensetzung von Edelmetalllegierungen. Zur Analyse dient die Beugung am Analysatorkristall.

2) energiedispersives Verfahren

Dieses Verfahren kommt zum Einsatz wenn schnelle Übersichtsanalysen zu erstellen sind, oder wenn quantitative Analysen von festen Gemischen untersucht werden sollen. Bei dieser Analysemethode wird mit einem Halbleiterdetektor gearbeitet. [2]

Die Optischen Spektrometriemethoden

Emissionsspektroskopie

1860 zeigten Bunsen und Kirchhoff, dass viele Elemente bei passender Anregung, Strahlung mit einer charakteristischen Wellenlänge emittieren.
1873 erwähnten Lockyer und Roberts in ihrem Paper das erste Mal Emissionsspektrometrie im Zusammenhang mit Gold.

Für diese Methode wird eine Probe verdampft und gleichzeitig dem Fokus eines Strahls ausgesetzt. Die dafür benötigte Strahlung lässt sich erzeugen durch einen elektrischen Lichtbogen, Funken, Plasma oder einen Laser. Durch die erfolgte Bestrahlung sendet die Probe anschließend selbst Strahlung einer charakteristischen Wellenlänge aus, wodurch sich ihre Zusammensetzung bestimmen lässt. In modernen Geräten lässt sich auch gleichzeitig die Stoffkonzentration bestimmen.

Ein Nachteil dieses Verfahrens ist die Zerstörung des zu untersuchenden Gegenstandes.

Die Methode der Lichtbogen- oder Funken-Emissionsspektrometrie wurde lange von Rafinierien verwendet. [3]

Nachteile dieser Methode:

  • nur eine kleine Menge der Probe wird untersucht; hohe Fehlerquelle möglich durch die Inhomogenität des Materials.
  • Die Technik ist vergleichend und exakt, es sind jedoch Kalibrierstandarts nötig.

ICP-Analyse

ICP Emissionsspektrometrie zur Analyse auf Edelmetalle wie Gold, Silber, Platin und Palladium

Bei der ICP-Emissionsspektrometrie (ICP: Inductively-coupled Plasma) handelt es sich um eine Methode, bei der mit einem ionisierten Gas mit sehr hoher Temperatur gearbeitet wird. Die für das Plasma benötigte Energie lässt sich mittels einer Induktionsspule gewinnen.

Zur Analyse wird das zu untersuchende Material (in gelöstem Zustand) in das heiße Plasma befördert. Darin werden aufgrund der sehr hohen Temperaturen normalerweise alle chemischen Bindungen der Stoffe aufgespalten. Im ionisierten Gas werden dann die in der analysierten Substanz enthaltenen Atome und Ionen zur Emission von elektromagnetischer Strahlung, also Licht, angeregt. Diese Strahlung tritt hauptsächlich im UV- und im sichtbaren Spektral-Bereich auf.

Mittels der Spektrometrie lassen sich anschließend die Konzentrationen der einzelnen Elemente bestimmen. Dies geschieht durch die Analyse der von der Substanz ausgehenden Lichtemission oder -absorption. Bei der Spektrometrie handelt es sich um eine quantitative Analysemethode.

Die Vorteile zur Lichtbogen Spektrometrie sind:

  • verbesserte Empfindlichkeit
  • weniger chemische Interferenzen
  • reduzierte spektrale Interferenzen
  • extrem lineare Arbeitsrate

Diese Technik wurde schnell zur bevorzugten Methode der Emissionsspektroskopie. Sie wird vor allem dort eingesetzt, wo Spurenelemente nachgewisen werden müssen.

Glimmentladung (GDL)

Bei der Glimmentladung kommt die Probe in eine evakuierte Kammer, welche anschließend mit Argongas gefüllt wird. Durch Kathodensputtern wird Material von der Oberfläche abgetragen. Eine weitere Anregung des quantitativ abgetragenen Materials ermöglicht die Durchführung hochpräziser Messungen.

Nachteil:

  • Sputterrate ist bedingt durch die Kristallorientierung und -größe

Dokimasie

Unter der Dokimasie ist allgemein das Ausschmelzen von Metallen aus Erzen zu verstehen. Die ausgeschmolzenen Metalle lassen sich für weitere Analysen verwenden. Auf diese Weise lässt sich z.B. der Goldgehalt in einem Erz bestimmen. Wird das Ausschmelzen jedoch kommerziell betrieben, ist die gängige Bezeichnung dafür Verhüttung. Die Dokimasie ist außerdem eine der ältesten technischen Untersuchungsmethoden bei der Analyse von Edelmetallen. Hat man etwa ein pulverförmiges Material zur Verfügung, welches sehr geringe Mengen (µg-mg) an Gold oder Silber enthält, dann lässt sich Dokimasie mit Hilfe von Blei als Sammelmetall anwenden. Anstelle von Blei kann genauso auch Cu, Fe, Cr oder Ni zum Sammeln von Ag, Au, Pt und Pd verwendet werden. Anschließend lassen sich die Edelmetalle wieder vom Kollektor abtrennen (bei Cu ist dies nicht einmal zwingend notwendig) und aus einer Lösung bestimmen. Zur anschließenden Analyse eignet sich z.B. das ICP-Verfahren. Bei der Dokimasie wird zwischen unterschiedlichen Verfahren unterschieden. Zum einen gibt es die Ansiedeprobe, dieTiegelschmelze und die Kuppelation [4].

Dichtemessung

Zur Erkennung von Fälschungen von Schmuck oder Barren kann die Dichtemessung angewendet werden. Diese Methode ist zuverlässig und wichtig, wenn ausgeschlossen werden soll, dass ein Gegenstand nicht etwa nur außen vergoldet ist, sondern durchgehend aus Gold besteht.

Zur Untersuchung von Edelmetallproben wird die Auftriebsmethode verwendet. Hierbei macht man sich zu Nutze, dass das Volumen der verdrängten Flüssigkeit dem Volumen des in die Flüssigkeit eingetauchten Körpers entspricht.

Bestimmung der Goldlegierung von Goldmünzen und Barren mittels Dichtemessung

In der Praxis wird hierfür zunächst mit Hilfe einer geeigneten Waage die Gewichtskraft der Probe in der Umgebung (Luft) bestimmt. Anschließend sollte eine weitere Wägung des Gegenstandes in der verwendeten Flüssigkeit stattfinden. Die Dichte des zu analysierenden Körpers lässt sich anschließend mit Hilfe einer einfachen Formel bestimmen.

Literaturverzeichnis

1. Buzanich, Günter. Portables Röntgenfluoreszenzspektrometer mit Vakuumkammer. Saarbrücken: VDM Verlag Dr. Müller, 2008. ISBN: 978-3-639-06108-6.
2. Hahn-Weinheimer, Paula, Hirner, Alfred und Weber-Diefenbacher, Klaus. Röntgenfluoresznezanalytische Methoden. Braunschweig/Wiesbaden: Vieweg & Sohn Verlagsgemeinschaft mbH, 1995. ISBN: 3-528-06579-6.
3.Refiew: N P Finkelstein, Symposium in the Analysis of High Purity Gold, Journal of South Africa Institute of Mining and Metallurgy, Vol. 62, 693 1962
4. Lüschow H.M., Edelmetallanalytik, Heft 69 der Schriftenreihe der GDMB Gesellschaft Deutscher Metallhütten- und Bergleute, Oberharzer Druckerei, Clausthal-Zellerfeld, 1993, ISSN 0720 – 1877

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