Einführung in die Spektrophotometrie
In diesem Laborposten werden Sie sich mit dem Thema Spektrophotometrie und deren Anwendung vertraut machen. Insbesondere werden Sie sich mit dem Lambert-Beer’schen Gesetz und dessen Anwendungskriterien beschäftigen. Schliesslich werden Sie die Spektrophotometrie mit einigen der bisher erlernten Techniken in einem Experiment kombinieren, um qualitative und quantitative Analysen durchzuführen.
Info:Begriffe
- Spektrophotometrie: analytisches Verfahren zur Bestimmung der Konzentration einer Substanz durch Messung der Lichtabsorption bei einer bestimmten Wellenlänge.
- Lambert-Beer’sches Gesetz: Gesetz, das den linearen Zusammenhang zwischen Lichtabsorption und Konzentration einer Substanz beschreibt.
- Qualitative Analyse: Analyse, die sich auf die Identifizierung der Bestandteile einer Probe konzentriert.
- Quantitative Analyse: Analyse, die sich auf die Bestimmung der Mengenverhältnisse von Bestandteilen einer Probe konzentriert.
Lernziele
- Sie verstehen das Prinzip der UV/VIS-Spektrophotometrie und den Aufbau eines Spektrophotometers.
- Sie kennen die grundlegenden Begriffe Transmission, Absorption, Extinktion, optische Dichte (OD) und Lichtstreuung.
- Sie können den mathematischen Zusammenhang zwischen Transmission und Absorption erläutern und entsprechende Werte umrechnen.
- Sie verstehen das Lambert-Beer’sche Gesetz und können es anwenden, einschliesslich der Bedeutung von Schichtdicke, Konzentration und molarem Extinktionskoeffizienten (ε).
- Sie können eine Standardkurve erstellen, auswerten und zur Konzentrationsbestimmung nutzen.
- Sie erkennen die Bedingungen, Grenzen und Fehlerquellen der spektrophotometrischen Analyse (z. B. linearer Bereich, Detektionsgrenze, Streuung).
Licht und das elektromagnetische Spektrum
Die UV/VIS-Spektroskopie ist eine zentrale analytische Methode, die auf der Messung der Wechselwirkung zwischen elektromagnetischer Strahlung und Materie basiert. Sie dient sowohl der qualitativen Identifizierung als auch der quantitativen Bestimmung chemischer Substanzen.
Licht stellt eine Form elektromagnetischer Strahlung dar, die sich als periodische Schwingung elektrischer und magnetischer Felder ausbreitet. Der Abstand zwischen zwei aufeinanderfolgenden Wellenmaxima oder -minima wird als Wellenlänge (λ) bezeichnet und in Nanometern (nm) angegeben.
Der für die UV/VIS-Spektroskopie relevante Spektralbereich umfasst ultraviolettes Licht (λ ≈ 190–400 nm) und sichtbares Licht (λ ≈ 400–780 nm); die genauen Grenzwerte variieren in der Literatur leicht.
Farbabsorption
Die Wahrnehmung von Farbe ist das Ergebnis einer komplexen Wechselwirkung zwischen den optischen Eigenschaften von Materie, den physiologischen Prozessen des visuellen Systems und der Interpretation durch das zentrale Nervensystem.
Weisses Licht, wie z. B. Sonnenlicht, enthält ein kontinuierliches Spektrum elektromagnetischer Wellen im sichtbaren Bereich von etwa 400 nm (Violett) bis 780 nm (Rot). Trifft dieses Licht auf ein Objekt, werden bestimmte Wellenlängen durch das Material absorbiert, während andere reflektiert oder transmittiert werden. Die Summe der reflektierten bzw. durchgelassenen Wellenlängen bestimmt die wahrgenommene Farbe des Objekts.
Ein typisches Beispiel ist der Farbstoff in einem grünen Blatt: Chlorophyll, das wichtigste Pigment im Blatt. Es absorbiert Licht im blauen (ca. 430–480 nm) und roten Bereich (ca. 640–680 nm) des sichtbaren Spektrums nahezu vollständig. Der Wellenlängenbereich zwischen etwa 500 nm und 550 nm wird hingegen kaum absorbiert, sondern reflektiert. Da dieser Bereich dem grünen Spektralbereich entspricht, nehmen wir das Blatt als grün wahr.
Wenn ein Gegenstand keine sichtbaren Wellenlängen absorbiert, sondern alle im gleichen Masse reflektiert, werden im Auge alle Typen von Farbrezeptoren (Zapfen) gleich stark stimuliert – der Gegenstand erscheint weiss.
Absorbiert ein Gegenstand hingegen alle sichtbaren Wellenlängen nahezu vollständig, wird kaum oder gar kein Licht reflektiert. In diesem Fall erhalten die Farbrezeptoren keine oder nur minimale Reize, und der Gegenstand erscheint schwarz.
Komplementäre Farbe
Zwei Farben bezeichnet man als komplementär zueinander, wenn ihre Mischung die Farbe Weiss ergibt.
Komplementärfarben
Bewegen Sie den Mauszeiger über das Farbrad.
Hintergrund:Tabelle: Komplementärfarben mit den entsprechenden Wellenlängen
Die Paare entsprechen den gegenüberliegenden Sektoren des Farbrads oben.
| Farbe | Wellenlänge (nm) | Komplementärfarbe | Wellenlänge (nm) |
|---|---|---|---|
| Violett | 380–450 | Gelb | 560–630 |
| Blau | 450–490 | Orange | 590–630 |
| Cyan | 490–520 | Rot | 630–700 |
| Grün | 490–560 | Magenta | 380–450 + 630–700 |
Magenta ist keine Spektralfarbe: Sie entsteht als Mischung aus violettem/blauem und rotem Licht.
Die Lichtabsorption kann in der analytischen Chemie zur Charakterisierung und Quantifizierung von Substanzen verwendet werden. Die Aufnahme der Absorptionsspektren von verschiedenen Substanzen erfolgt mit Hilfe eines UV/VIS-Spektrophotometers: Es misst die Intensität von Licht, das durch eine Probenlösung in einer Küvette getreten ist, und vergleicht sie mit der ursprünglichen Intensität des Lichts.