{|{{tabelle}}| [[Bild:Absorption in cola.jpg|450px]]500px|thumb|right| [[Bild2:Jenway 6100.jpg|Spektralfotometer Jenway 6100Absorption in Cola]]<br /><div style="text-align: center;">Spektralfotometer</div>|-| Lässt man [[Licht]] durch eine Flüssigkeit wie [[Cola]] hindurchscheinen, wird ein Teil des Lichtes von der Cola "geschluckt". Verdünnt man die Cola mit Wasser, verringert sich dieser Effekt, der als '''Absorption''' von Licht bezeichnet wird.| Die Fotometrie ist eine Methode der [[quantitative Analyse|quantitativen Analyse]] mit Hilfe eines [[Spektralfotometer|Fotometers]](Bild 1), mit der sich durch charakteristische Absorption von Licht auf die Konzentration eines Stoffes schließen lässt, z. B. bei der Bestimmung des [[Kupfer]]gehaltes in [[Trinkwasser]].|}
== Physikalische Grundlagen ==
Lässt 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.
=== Lichtstärke ===
Für die genauere Betrachtung dieses Phänomens soll zunächst die [[Lichtstärke]] bzw. Intensität des Lichtes ''I'' folgendermaßen unterschieden werden (siehe obiges Bild2): Reflexionserscheinungen vernachlässigt, ist ''I<sub>ein</sub>'' die Intensität des eingestrahlten Lichtes, ''I<sub>tr</sub>'' die Intensität des durchgelassenen Lichtes und ''I<sub>abs</sub>'' die Intensität des von der Cola absorbierten Lichtes, im Zusammenhang kurz:
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Stelle Dir nun mehrere Cola-Flaschen hintereinander vor: Da die Absorption umso größer ist, je stärker die [[Konzentration]] eines Farbstoffes bzw. seine Schichtdicke (stell Dir mehrere Cola-Flaschen hintereinander vor) ist, lässt sich dieses Phänomen in der Chemie nutzen, um den [[Konzentration|Gehalt eines Stoffes in einer Lösung]] zu bestimmen. Als besondere Methode der [[quantitative Analyse|quantitativen Analyse]] spricht man hierbei von der '''Fotometrie''', kurz gesagt:{{Kasten blau|1=Die Fotometrie ist eine Methode der quantitativen Analyse mit Hilfe eines [[Spektralfotometer|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]].}}<br />
Um die Nachweisgrenze zu erweitern, kann man den nachzuweisenden Stoff vorab mit einem Reaktionspartner unter Bildung eines farbigen [[Komplex]]es reagieren lassen. Die Stärke der Färbung wird anschließend mit der Färbung von Lösungen bekannter Konzentration verglichen.
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 ''I<sub>ein</sub>'' zu ''I<sub>tr</sub>''.
Ausgehend von 100% für die volle Lichtstärke ''I<sub>ein</sub>'' vor der Probe entspricht die Transmission in % dem Zahlenwert nach ''I<sub>tr</sub>''. Durch diese Vereinfachung erhählt erhält man für die Extinktion die in Praxis gebruchliche 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 [[Media:Fotometrie.xlsx|Excel-Tabelle Extinktion]] hinterlegt ist:{| {{Tabelle auto center}}|
Die 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.
[[Bild:Absorptionsspektrum-Cu.png|723pxthumb|500px|right|Absorptionsspektrum]]Die 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.
* '''Wenn es schnell gehen muss''', kann man die ideale Wellenlänge durch deren Komplementärfarbe abschätzen. Geignet Geeignet ist die [[Licht]]farbe, die im Farbkreis der Probenfarbe gegenüberliegt, also z. B. gelb - blau (Bild). Die jeweils eingestellte Farbe kann sichtbar gemacht werden, indem man eine weiße Karte oder einen Spiegel in den Lichtweg des Gerätes hält. Es zeigt zum Beispiel, dass bei 450 nm ein blaues Licht entsteht oder bei 650 nm ein rotes.<br />Wenn die Komplementärfarbe grob ermittelt wurde, geht man in 10 nm-Schritten mit der Wellenlänge auf oder ab, bis sich der maximale Extinktionswert einstellt.
* '''Im Idealfall''', also mit Zeit und Muße, leitet man die ideale Wellenlänge aus dem ''Absorptionsspektrum'' einer Chemikalie ab. Das Absorptionsspektrum ist die grafische Darstellung der stoffspezifischen Abhängigkeit der Absorption (bzw. Transmission oder Extinktion) von der Wellenlänge. Beispiel: Das Bild zeigt das Absorptionsspektrum des tiefblauen Kupfertetramminkomplexes [Cu(NH<sub>3</sub>)<sub>4</sub>]<sup>2+</sup> mit einer Cu-[[Konzentration]] von 500mg/L. Die max. Absorption liegt bei ca. 600 nm, also der Wellenlänge, die beim Erstellen einer Extinktionsgeraden bzw. späteren Messungen zur Bestimmung einer unbekannten Konzentration verwendet werden sollte.<br />Um ein eigenes Absorptionsspektrum zu erstellen, muss die Absorption für eine "sinnvolle" Konzentration bei verschiedenen Wellenlängen bestimmt werden. "Sinnvoll" ist die Konzentration, bei der sich die Transmission in einer Größenordnung um mindestens 10% bewegtbeträgt. Ist die Lösung stärker zu stark konzentriert, besteht die Gefahr des Sättigungseffektes, d. h. würde das Fotometer würde unabhängig von der tatsächlichen Konzentration immer genau die Konzentration anzeigen, bei der die Transmission gegen Null geht.<br />Um ein aussagekräftiges Spektrum zu ermitteln, sind bei einem einfachen [[Spektralfotometer]] viele Einzelmessungen notwendig. Eine Schrittweite von z. B. 10 nm im Wellenlängenbereich von 400 - 700 nm bedeutet konkret 62 Messungen, da bei 31 verschiedenen Wellenlängen folgende Schritte abzuarbeiten sind: Wellenlänge einstellen, Transmissionseichung [[Spektralfotometer#Vorbereitung:_Kalibrierung|Kalibrierung mit der Nullküvette]], Messung der Probe usw.<br />Jenseits des Schulbudgets, also ab ca. 5.000,- gibt es automatisierte Zweistrahlgeräte. Probe und Nulllösung werden parallel durchleuchtet und das Fotometer durchläuft selbstständig das vollständige Spektrum.
=== Verdünnungsreihe herstellen und Extinktionsgerade ermitteln ===
'''Verdünnungsreihe mit Lösungen bekannter Konzentration''', zum Beispiel [[ammoniak]]alische Kupfer(II)-chlorid-Lösungen mit β(Cu<sup>2+</sup>) = 100 ... 800 mg/L in sieben Messkolben. Im großen Erlenmeyer-Kolben rechts befindet sich die Cu<sup>2+</sup>-Stammlösung mit dem höchsten Cu-Gehalt (β(Cu<sup>2+</sup>) = 1000 mg/L) aber noch ohne den farbvertiefenden Zusatz von Ammoniak.
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<div style="text-align: right;">''<sup>Schülerexperiment & Foto: Fenja G., WG 13 (2012)</sup>''</div>]]
* Vor der eigentlichen Analyse muss mit Lösungen bekannter Konzentration eine Extinktionsgerade ermittelt werden. Mit dieser "Eichgeraden" können später unbekannte Konzentrationen bestimmt werden.
* Für die spätere Analyse des Gehaltes an Cu(II)-Ionen könnten dies zum Beispiel [[ammoniak]]alische Kupfer(II)-chlorid-Lösungen mit β = 100; 200 ... 800 mg/L sein, die bei einer Wellenlänge von 600 nm untersucht werden. Um für diese "Verdünnungsreihe" Einweg-Küvetten zu sparen, beginnt man die Messreihe mit der verdünntesten Lösung, spült danach 1x mit der nächsten, konzentrierteren Lösung und befüllt die Küvette mit dieser Konzentration erneut.
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Zusammenfassend lässt sich dieser Zusammenhang noch einfacher nachzuvollziehen. Da die Extinktion proportional zur Konzentration ist, gilt ebenso (9):
| Da die Extinktion neben der Konzentration auch von der Schichtdicke ''d'' der Lösung (in cm) abhängt, lautet das vollständige Lambert-Beersche Gesetz (8a10a):
| Weil aber in den Standardküvetten die Schichtdicke der Lösung genau 1 cm beträgt, kann man in der Fotometrie mit der vereinfachten Formel (810) rechnen.
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# Berechne den Anteil des Lichts, den eine mit dem Fotometer untersuchte Probe durchlässt bzw. absorbiert, wenn als Extinktionen ''E'' = 1,0 und ''E'' = 2,0 gemessen werden.
# Die Extinktion einer Eichlösung mit der Konzentration ''c'' = 0,1 mol/L wird bei 650nm mit 0,313 bestimmt. Eine Vergleichsprobe mit der gleichen Chemikalie unbekannter Konzentration zeigte bei gleicher Wellenlänge eine Extinktion von 0,12. Berechne die Konzentration.
# Skizziere und begründe jeweils ein mögliches Absorptionsspektrum für eine blaue bzw. gelbe Flüssigkeit.# Bestimme die Extinktionskoeffizienten von Kupfer anhand der a) Extinktionsgeraden Bild oben rechts bzw. b) B8 im [[Elemente Chemie|Buch]], S. 484.<br />c) Die Extinktion einer Cu-Probe unbekannter Konzentration wurde bei λ = 600nm mit 0,123 sowie bei 590 nm mit 0,156 bestimmt. Berechne die Konzentration.
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* [[Media:Fotometrie.docx|Arbeitsblatt ''Fotometrie: Übungen'' als Word-Datei zum Download]]
{{ua|190|[[Modell]]experiment zur Extinktion (mit [[Kaliumpermanganat]])}}
{{ua|190|Beeinflussung der Extinktion durch die Schichtdicke}}
{{Ex-ec|484|2|Abhängigkeit der Extinktion von der Konzentration}}
* [[Media:Fotometrie-Absorptionsspektrum.docx|Arbeitsblatt ''Fotometrie: Absorptionsspektrum'' als Word-Datei zum Download]], alternativ mit den Lebensmittelfarbstoffen [[Allurarot AC]] (rot, E 129), [[Indigocarmin]] (blau, E 132) und [[Tartrazin]] (gelb, E 102).
* [[Media:Fotometrie-Spektralfotometer.docx|Arbeitsblatt ''Fotometrie: Spektralfotometer'' als Word-Datei zum Download]]
{{Ex-ec|483|1|Aufnahme einer Absorptionskurve}}
* Verdünne [[Druckertinte]] (Blau "Cyan", Gelb "Yellow" und Rosarot "Magenta") mit Wasser 1:20 und erstelle das Absorptionsspektrum im Wellenlängenbereich 380-750 nm, Schrittweite 10 nm. Setze deine Messwerttabelle in '''ein''' aussagefähiges Diagramm um.
* Bestimme die Wellenlänge max. Extinktion von einer wässrigen Na-[[Fluorescein]]-Lösung ([[Massenkonzentration|ß]]=10mg/L) möglichst genau. Scanne hierzu den Bereich 420-520 nm.
{{Ex-ch|71|1|Entfärbung von [[Kristallviolett]]}}
{{Ex-ec|130|2|Fotometrische Bestimmung der Abhängigkeit der Reaktionsgeschwindigkeit von der Konzentration eines Reaktionspartners}}
* Führe die Versuchsreihe [http://www.chem.uni-potsdam.de/anorganik/Photometrie.doc Photometrische Bestimmung von Kupfer] der Uni Potsdam durch.<br />Welcher Extinktionskoeffizient ergibt sich?
{{Ex-ch|407|4b|Nachweis von [[Phosphat]] in [[Cola]]}}
* Nehme das Absorptionsspektrum von [[Kaliumpermanganat]] (''[[Konzentration|c]]'' = 10<sup>-4</sup> mol/L) im Wellenlängen-Bereich von 400 - 600 nm mit einer Schrittweite von 25 nm auf, notiere die jeweils messbare Extinktion und zeichne anhand Deiner Messwerte ein aussagekräftiges Absorptionsspektrum. Vergleiche Deine Lösung mit einer Internetrecherche, z. B. über die Bildersuche von Google.
* Plane auf Basis Deines Vorversuches eine Messreihe, die geeignet ist, eine Extinktionsgerade zur Konzentrationsbestimmung einer Kaliumpermanganatlösung abzuleiten.<br />Vergleiche Deine Lösung mit der Vorgehensweise, die im Abschnitt [[Fotometrie#Extinktionsgerade_ermittelnVerd.C3.BCnnungsreihe_herstellen_und_Extinktionsgerade_ermitteln|Extinktionsgerade ermitteln]] erläutert ist.* Führe die Versuchsreihe Spektralphotometrische Konzentrationsbestimmung von [[Eisen]], [[http://www.chem.uni-potsdam.de/atb/BilderAktuell/Photometrie.pdf Photometrische Bestimmung von KupferMangan]] der Uni Potsdam durch und ersetze in einer Variante die in der Verdünnungsreihe angedachte [[AmmoniakNitrit]]-Lösung (''c'' = 6 mol/L) durch im Artikel [[AmmoniumsulfatQuantitative Analyse]].<br />Wie viel Ammoniumsulfat (in Gramm) muss der Kupfer(II)-sulfat-Lösung hinzugefügt werden, um die gleiche Extinktion wie mit der Ammoniak-Lösung zu erreichen?<br />Vergleiche neben der Farbtiefe auch den pH-Wert sowie vorsichtig (in Anwesenheit und nach Vorgabe des betreuenden Lehrers) den Geruch der Lösungen.<br />Was verändert sich nach Zugabe eines NaOH-Plätzchens?<br />Fasse Deine Ergebnisse zusammen und begründe Deine Beobachtungen.{{Ex-chNiU|71120|1|Entfärbung von Kristallviolett}}{{Ex-ch35 (2010)|407|4b|Nachweis von Phosphat in Cola}}{{Ex-ec|130|2|Fotometrische Bestimmung der Abhängigkeit der Reaktionsgeschwindigkeit von der Konzentration eines Reaktionspartners}}* Hausmann, Florian und Lutz, Burkard: Nitrat-Ionen bestimmen. Ein fotometrisches Analyseverfahren für den Schulunterricht. In: Naturwissenschaften im Unterricht Chemie, Heft 120, S. 35 (2010). }} Darstellung des [[Indol]]-Verfahrens, bei dem das in der Probe enthaltene [[Nitrat]] zu [[Nitrit ]] [[Reduktion|reduziert]] und dann fotometrisch bestimmt wird.{{Ex-ch09|{{fb|417}}|2|Natürliche Farbstoffe|[[Absorption|Absorptionsspektrum]] von Blattstoffen}}:<br />- Bei welcher Wellenlänge des Lichtes erfolgt die maximale Absorption durch den Blattfarbstoff [[Chlorophyll]]?<br />- Welcher Lichtanteil (Farbe) ist für den Pflanzenwuchs bzw. die [[Fotosynthese]] besonders bedeutsam?{{Ex-ch09|{{fb|425}}|2|Azofarbstoffe und Indikatorfarbstoffe|Absorptionsspektren von [[Methylorange]] und [[Bromthymolblau]]}}
{{cb|-|225, 407|482}}
* Zusammenhang zwischen Extinktion, Transmission und Absorption am Beispiel des Farbstoffes [[Rhodamin B]]
{{www}}
* [http://www.chem.uni-potsdam.de/atb/BilderAktuell/Photometrie.pdf Photometrische Bestimmung von Kupfer] - ausführliches erläutertes Beispiel der Uni Potsdam (PDF, 4 S.)
* Arbeitsblätter zum Thema vom [http://www.kappenberg{{c}}pages/start/start.htm Chemie-Arbeitskreis Kappenberg]: [http://www.kappenberg{{c}}pages/mitmedizintechnik/lowcost_fotometrie/lowcostfoto.htm Link], z. B. Bestimmung des Kupferanteils [[Kupfer]]anteils im [[Messing]], Eisen(III)-Ionen* Spektralphotometrische Konzentrationsbestimmung von [[Eisen]], [[Mangan]] und [[Nitrit]] im Artikel [[Quantitative Analyse]]
* [http://info.fh-wels.at/skripten/MKroeppl/LVA_2_Semester/05_FOTOMETRIE%20Eisenbestimmung.pdf Eisenbestimmung (Fe<sup>2+</sup>)] mit 1,10-[[Phenanthrolin]]
* Kantonsschule Solothurn: [http://www.ksso.ch/fileadmin/uploads/Fachschaften/Chemie/Dateien/S_Praktikum/Quantitative_und_qualitative_Analysen/P_Citronensaeurephot.doc Photometrische Bestimmung des Citronensäuregehaltes in Zitronensaft]
* [http://www.aks.ruhr-uni-bochum.de/hydro/pdf/sch_labor/schueler3.pdf Schüler-Praktikum Wasseruntersuchungen], Skript des Alfried Krupp-Schülerlabors Schülerlabor an der Ruhr-Universität Bochum ]: [[Schüler-Praktikum Wasseruntersuchungen]], Skript mit Arbeitsblättern zu folgenden Versuchen (Versuch #):
: (7) Grundlagen der Fotometrie: Verdünnungsreihe
: (8) Fotometrische Kupfer-Bestimmung
: (9) Fotometrische Eisen-Bestimmung
{{blume|rk/rk-lbg.htm}}: Grundlegende Versuchsreihe mit [[Kristallviolett]]
* Spekwin32: Freies Programm zur Erzeugung von Spektren aus Tabellenwerten. [http://www.effemm2.de/spekwin/spekwin_manual.html Info], [http://www.effemm2.de/spekwin/spekwin32_install_de.exe Download], [http://www.effemm2.de/spekwin/Spekwin32_Manual_grau_3_1.pdf PDF-Manual]
* [[Coffein]]: [http://geb.uni-giessen.de/geb/volltexte/2005/2222/pdf/HolfeldMartin-2005-06-06.pdf Martin Holfeld: Fotometrische Coffein-Bestimmung in Sportgetränken. In: Chemie und Sport, S. 82.]*[https://www.steiner-chemie.de/downloads/aqualytic_methodenhandbuch/ins_handbook_of_methods_de_aqua.pdf Steiner Chemie: Das Aqualytic® Nachschlagewerk der Photometrie][[Kategorie:Chemie]][[Kategorie:Methoden]][[Kategorie:Farbstoff]]