Fotometrie

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Konzentration		Spektralfotometer

Datei:Absorbtion in cola.jpg

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.

Physikalische Grundlagen

Für die genauere Betrachtung dieses Phänomens soll zunächst die Lichtstärke bzw. Intensität des Lichtes I folgendermaßen unterschieden werden (Bild): I_ein ist die Intensität des eingestrahlten Lichtes, I_tr die Intensität des durchgelassenen Lichtes und I_abs die Intensität des von der Cola absorbierten Lichtes, im Zusammenhang kurz:

Itr  {{{ist}}}  Iein - Iabs

(1)

Da die Absorption umso größer ist, je stärker die Konzentration eines Farbstoffes bzw. seine Schichtdicke (stell Dir mehrere Cola-Flaschen hintereinander vor) ist, kann man 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: Absorptionsgrad α, Transmissionsgrad τ und Extinktion E:

Transmissionsgrad

Der Transmissionsgrad τ in % steht für Lichtdurchlässigkeit und ist das Verhältnis der Intensität des durchgelassenen Lichtes I_tr zur Intensität des eingestrahlten Lichtes I_ein, kurz:

Itr · 100%     τ  {{{ist}}}  ───────      Iein

(2)

Die Angabe des Transmissionsgrades von z. B. 30% bedeutet, dass 30% des eingestrahlten Lichtes von der Probe durchgelassen werden.

Absorptionsgrad

Der Absorptionsgrad α in % gibt den von den Probe "geschluckten" Anteil des Lichtes wieder und ist das Verhältnis der Intensität des absorbierten Lichtes I_abs zur Intensität des eingestrahlten Lichtes I_ein, kurz:

Iabs · 100%     α  {{{ist}}}  ───────      Iein

(3)

Da sich Transmissionsgrad und Absorptionsgrad zu 100% addieren, gilt entsprechend des oben beschriebenen Zusammenhanges (1) der Lichtintensitäten:

α + τ  {{{ist}}}  1

(4)

Extinktion

Da der Transmissionsgrad 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 und wird als dimensionsloses Maß (ohne Einheit, vgl. pH-Wert) als negativer dekadischer Logarithmus des Transmissionsgrades τ errechnet, kurz:

E  {{{ist}}}  - log10 τ

(5)

bzw.

Iein     E  {{{ist}}}  log10  ───              Itr

(5a)

Zum gleichen Ergebnis gelangt man durch die alternative Berechnung nach (5a). Da man hier vom Kehrwert der Transmission ausgeht, ergibt sich die Extinktion als dekadischer Logarithmus des Verhältnisses I_ein zu I_tr.

Ausgehend von 100% für die Lichtstärke I_ein vor der Probe und einer Bandbreite der möglichen Transmissionswerte I_tr von 0 bis 100% ergeben nach (5a) 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:

Itr	1%	10%	20%	30%	40%	50%	60%	70%	80%
E	2	1	0,699	0,523	0,398	0,301	0,222	0,155	0,097

Durchführung der Messungen

Die Messung der Extinktion erfolgt mittels Fotometer. Hierzu wird ein standardisiertes, transparentes Gefäß ("Küvette") mit der farbigen Probelösung befüllt und in den Strahlengang geschoben.

Wellenlänge bestimmen

In Abhängigkeit von der nachzuweisenden Substanz werden die Extinktions-Messungen nach Empfehlung des Fotometer-Herstellers bei Licht einer bestimmten Wellenlänge durchgeführt. Ist diese Information nicht vorhanden, muss in einem Vorversuch das Absorptionsspektrum dieser Chemikalie ermittelt werden, d. h. der Absorptionsgrad α in % für eine sinnvolle Konzentration bei verschiedenen Wellenlängen. Für die nachfolgende Versuchsreihe wird die Wellenlänge gewählt, bei der der höchste Absorptionsgrad bestimmt wurde.

Absorptionsspektrum

Die charakteristische Abhängigkeit der Absorption bzw. Extinktion von der Wellenlänge liefert das vorab beschriebene 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.

Extinktionsgerade ermitteln

• Vor der eigentlichen Analyse muss mit Lösungen bekannter Konzentration eine Extinktionsgerade ermittelt werden.
• Für die spätere Analyse des Gehaltes an Cu(II)-Ionen könnten dies zum Beispiel ammoniakalische Kupfer(II)-sulfat-Lösungen mit c = 0,01; 0,02 ... 0,05 mol/L sein, die bei einer Wellenlänge von 600 nm untersucht werden.
• Zeichne die Extinktionsgerade als Ausgleichsgerade zu Deinen Messwerten und bestimme die Steigung, d. h. das Verhältnis der Konzentration c zur Extinktion E.
• JETZT kann die Untersuchung der unbekannten Probe erfolgen, siehe Auswertung.

Auswertung

Da das Verhältnis der Konzentration c zur Extinktion E konstant ist (6), kann aus einem Wertepaar zu einer bekannten Konzentration c₁ mit Extinktion E₁ über die Messung der Extinktion E₂ einer Probe deren unbekannte Konzentration c₂ errechnet werden (7):

c1 c2     ───  {{{ist}}}  ───     E1 E2

(6)

c1 · E2     c2  {{{ist}}}  ─────      E1

(7)

Übungen

1. Mittels Spektralfotometer wird ein Transmissionsgrad mit 30% ermittelt. Berechne a) Absorptionsgrad und b) die Extinktion.
2. Wie groß wäre die Extinktion bei einem Absorptionsgrad von 30%?
3. Das Ergebnis einer Extinktionsbestimmung wird mit "E = -0,313" angegeben. Warum kann dieser Wert nicht richtig sein?
4. In welchem Verhältnis ändert sich die Extinktion bei einer Verdopplung der Konzentration der untersuchten Lösung?

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Weblinks

• Fotometrie als Google-Suchbegriff
• Fotometrie in der Wikipedia
• Fotometrie hier in bs-wiki.de mit Google
• Fotometrie als Youtube-Video

Im Chemiebuch ...
findest Du weitere Informationen zum Thema Fotometrie:
Chemie FOS-T     auf Seite -	Chemie heute     auf Seite 225	Elemente Chemie     auf Seite 482