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Inhaltsverzeichnis
Bild 1: Spektralfotometer Fotometrie: Messen mit LichtBild 2: Absorption in Cola Die Fotometrie ist eine Methode der quantitativen Analyse mit Hilfe eines Fotometers (Bild 1), mit der sich durch charakteristische Absorption von Licht auf die Konzentration eines Stoffes schließen lässt, z. B. bei der Bestimmung des Kupfergehaltes in Trinkwasser. Physikalische GrundlagenLässt man Licht durch eine Flüssigkeit wie Cola hindurchscheinen, wird ein Teil des Lichtes von der Cola "geschluckt" (Bild 2). Verdünnt man die Cola mit Wasser, verringert sich dieser Effekt, der als Absorption von Licht bezeichnet wird. LichtstärkeFür die genauere Betrachtung dieses Phänomens soll zunächst die Lichtstärke bzw. Intensität des Lichtes I folgendermaßen unterschieden werden (Bild 2): Reflexionserscheinungen vernachlässigt, ist Iein die Intensität des eingestrahlten Lichtes, Itr die Intensität des durchgelassenen Lichtes und Iabs die Intensität des von der Cola absorbierten Lichtes, im Zusammenhang kurz: Stelle Dir nun mehrere Cola-Flaschen hintereinander vor: Da die Absorption umso größer ist, je stärker die Konzentration eines Farbstoffes bzw. seine Schichtdicke ist, lässt sich dieses Phänomen in der Chemie nutzen, um den Gehalt eines Stoffes in einer Lösung zu bestimmen. Als besondere Methode der quantitativen Analyse spricht man hierbei von der Fotometrie, kurz gesagt: Die Fotometrie ist eine Methode der quantitativen Analyse mit Hilfe eines Fotometers, mit der sich durch charakteristische Absorption von Licht auf die Konzentration eines Stoffes schließen lässt, z. B. bei der Bestimmung des Kupfergehaltes in Trinkwasser. Um die Nachweisgrenze zu erweitern, kann man den nachzuweisenden Stoff vorab mit einem Reaktionspartner unter Bildung eines farbigen Komplexes reagieren lassen. Die Stärke der Färbung wird anschließend mit der Färbung von Lösungen bekannter Konzentration verglichen. Beispiel: Die hellblaue Farbe einer schwach konzentrierten Lösung, die Kupfer(II)-Ionen enthält, wird durch Reaktion mit Ammoniak vertieft, es bildet sich der tiefblaue Kupfertetramminkomplex [Cu(NH3)4]2+. Bei der quantitativen Analyse müssen drei Begriffe sauber voneinander unterschieden werden, die sich auf unterschiedlichen Wegen aus den Lichtintensitäten ableiten lassen aber umgangssprachlich häufig verwechselt werden: Absorption A, Transmission T und Extinktion E: TransmissionDer Transmissionsgrad τ (2) steht für Transparenz bzw. Lichtdurchlässigkeit und ist das Verhältnis der Intensität des durchgelassenen Lichtes Itr zur Intensität des eingestrahlten Lichtes Iein. Durch Multiplikation des Transmissionsgrades τ mit 100% erhält man die Transmission T in %. (2a):
AbsorptionDer Absorptionsgrad α (3) gibt den von den Probe "geschluckten" Anteil des Lichtes wieder und ist das Verhältnis der Intensität des absorbierten Lichtes Iabs zur Intensität des eingestrahlten Lichtes Iein. Durch Multiplikation des Absorptionsgrades α mit 100% erhält man die Absorption A in % (3a):
Da sich Transmission und Absorption zu 100% addieren, gilt entsprechend des oben beschriebenen Zusammenhanges (1) der Lichtintensitäten: ExtinktionDa der Transmissionsgrad nicht linear, sondern exponentiell mit der Konzentration der Lösung abnimmt, wird zwecks übersichtlicherer Zahlen mit der Extinktion E gerechnet. Die Extinktion ist direkt proportional zur Konzentration c einer Lösung (6) und kann als dimensionsloses Maß (ohne Einheit, vgl. pH-Wert) als negativer dekadischer Logarithmus des Transmissionsgrades τ errechnet werden, kurz: Zum gleichen Ergebnis gelangt man durch die alternative Berechnung aus den Lichtstärken nach (5a). Da man hier vom Kehrwert der Transmission ausgeht, ergibt sich die Extinktion als dekadischer Logarithmus des Verhältnisses Iein zu Itr. Ausgehend von 100% für die volle Lichtstärke Iein vor der Probe entspricht die Transmission in % dem Zahlenwert nach Itr. Durch diese Vereinfachung erhält man für die Extinktion die in Praxis gebräuchliche Formel (5b). Aus einer Bandbreite der möglichen Transmissionswerte T von 0 bis 100% ergeben sich nach (5b) für die Extinktion E sinnvolle Werte im Bereich zwischen 0 und 2. Eine Übersicht liefert die folgende Tabelle, die mit allen Zwischenergebnissen in der Excel-Tabelle Extinktion hinterlegt ist:
Wellenlänge
Nach Wellenlängenbereich werden in der Spektroskopie u. a. die folgenden beiden Methoden unterschieden:
Fotometrische MessungenDie Messung der Extinktion erfolgt mittels Fotometer. Hierzu wird ein standardisiertes, transparentes Gefäß ("Küvette") etwa zu 2/3 mit der farbigen Probelösung befüllt und in den Strahlengang geschoben. Absorptionsspektrum bestimmenDie charakteristische Abhängigkeit der Absorption bzw. Extinktion von der Wellenlänge liefert das Absorptionsspektrum, z. B. des Blattfarbstoffes Chlorophyll. Aus der Information "Bei welcher Wellenlänge des Lichtes erfolgt maximale Absorption?" kann z. B. die Frage beantwortet werden, welcher Lichtanteil für den Pflanzenwuchs bzw. die Fotosynthese besonders bedeutsam ist. Sofern das Gerät die Möglichkeit bietet, kann alternativ zur Absorption gleich die Extinktion bestimmt werden. Eine effektive Messung soll bei Licht der Wellenlänge durchgeführt werden, bei der die Absorption der Probe ihr Maximum hat. Liegt keine Empfehlung dieser "idealen Wellenlänge" für die nachzuweisende Substanz vor, muss diese Information in einem Vorversuch ermittelt werden.
Verdünnungsreihe herstellen und Extinktionsgerade ermittelnVerdünnungsreihe mit Lösungen bekannter Konzentration, zum Beispiel ammoniakalische Kupfer(II)-chlorid-Lösungen mit β(Cu2+) = 100 ... 800 mg/L in sieben Messkolben. Im großen Erlenmeyer-Kolben rechts befindet sich die Cu2+-Stammlösung mit dem höchsten Cu-Gehalt (β(Cu2+) = 1000 mg/L) aber noch ohne den farbvertiefenden Zusatz von Ammoniak. Schülerexperiment & Foto: Fenja G., WG 13 (2012)
Bestimmung einer unbekannten KonzentrationAuf der Basis der ersten beiden Versuchsreihen kann eine quantitative Analyse, also die Bestimmung der unbekannten Konzentration in einer Probelösung erfolgen. Die Messwerte aus der Verdünnungsreihe ergeben durch Ausgleich eine Extinktionsgerade, deren Steigung das Verhältnis der Extinktion E zur Konzentration c ist. Dieses Steigungsverhältnis ist für eine Chemikalie charakteristisch und wird auch als Extinktionskoeffizient ε bezeichnet (6). Da dieser Zusammenhang auch für eine Probe unbekannter Konzentration cx gilt, kann über die Messung der Proben-Extinktion Ex mit Hilfe des Extinktionskoeffizienten ε die unbekannte Konzentration cx errechnet werden (7):
Zusammenfassend lässt sich dieser Zusammenhang noch einfacher nachzuvollziehen. Da die Extinktion proportional zur Konzentration ist, gilt ebenso (9):
Lambert-Beersches GesetzDer Zusammenhang (7) wurde zuerst von Lambert und Beer beschrieben und ergänzt nach Umstellung zur Extinktion E die Formeln (5):
Übungen
Experimente
Weblinks
Was wird bei der Photometrie gemessen?Mit der Fotometrie werden mithilfe des sichtbaren Lichts die Konzentrationen von farbigen Lösungen bestimmt. Um z.B. die Konzentration einer Lösung zu messen, wird zuerst ein Wellenlängenbereich des Lichtes festgelegt, das von den Molekülen oder Ionen einer Lösung absorbiert wird.
Welche Wellenlänge bei Photometrie?Der UV-Bereich befindet sich bei Wellenlängen von 100 bis 380 nm und der sichtbare Bereich bei Wellenlängen von 380 bis 780 nm.
Welches Prinzip liegt der Photometrie zugrunde?Das Lambert-Beersche Gesetz ist das am häufigsten benutzte Prinzip für Photometrie-Anwendungen. Nach diesem Gesetz ist die Konzentration eines bestimmten Analyten direkt proportional zum Absorptionsgrad bei seiner charakteristischen Wellenlänge.
Warum misst man im Maximum der Absorption?Sie ist das logarithmische Verhältnis der Lichtintensität vor und nach der Küvette bei der gegebenen Wellenlänge des Lichts. Man misst in der Regel bei der Wellenlänge des Absorptionsmaximums, weil man dadurch die höchste Empfindlichkeit der Messung erzielt.
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