UV/VIS-Spektroskopie 2

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1 UV/VIS-Spektroskopie 1 UV/VIS-Spektroskopie Im ersten Teil dieses Versuchs werden mittels optischer Messungen die Absolutkonzentrationen der Komponenten eines Gemischs mit einem Demonstrations-Spektrometer bestimmt. Im zweiten Teil werden optische Eigenschaften schwacher Säuren mit einem Labor- Spektrometer untersucht. Die ph-abhängigkeit des spektralen Verlaufs der Absorption wird beobachtet, die molaren Absorptionskoeffizienten am isosbestischen Punkt und am Absorptionsmaximum werden bestimmt. Daraus ergeben sich die Dissoziationskonstante K und der Dissoziationsgrad α. Stichworte elektromagnetische Strahlung und elektromagnetisches Spektrum, Lichtbeugung, Lichtbrechung, Erzeugung und Detektion elektromagnetischer Strahlung, Lambert Beersches Gesetz, Absorbanz, Absorption, Transmission, Säure/Base-Gleichgewicht, Dissoziation, Dissoziationskonstante, Puffer, Puffergleichung, isosbestischer Punkt Absorption elektromagnetischer Strahlung In einem Spektrometer geht die von einer Strahlungsquelle ausgesandte elektromagnetische Strahlung zunächst durch eine Einrichtung (Monochromator oder Filter), die nur Strahlung einer bestimmten Wellenlänge durchlässt, die dann wiederum durch die zu vermessende Probe hindurchgeschickt wird. Die Probe befindet sich in einer Messzelle, meist einer Küvette. Der Teil der elektromagnetischen Strahlung, der von der Probe nicht absorbiert wird, verlässt die Küvette und wird von einem Detektor aufgefangen, der an ein Anzeigegerät angeschlossen ist. Speziell für die UV/VIS-Spektrometrie liefert die Strahlungsquelle die entsprechende sichtbare und UV-Strahlung. Fällt Licht der Intensität I auf ein absorbierendes Medium, hier eine Lösung der Konzentration c, so wird es um di abgeschwächt. Die Abschwächung ist proportional zum durchlaufenen Weg ds, der Konzentration c und der eingestrahlten Intensität I: di = k(λ) I c ds (1) Der Proportionalitätsfaktor k(λ) ist der wellenlängenabhängige molare Absorptionskoeffizient (früher: Extinktionskoeffizient). Nach Integration der Gleichung 1 erhält man das Lambert- Beersche Gesetz I t = I 0 e k(λ)cs = I 0 10 ε(λ)cs (2)

2 UV/VIS-Spektroskopie 2 Dabei sind I t die transmittierte und I 0 die ursprünglich eingestrahlte Intensität. k und ε unterscheiden sich nur hinsichtlich ihrer Exponentialbasis: ε = k log e. ε wird häufig als dekadischer molarer Absorptionskoeffizient bezeichnet. Die dimensionslose Größe A = ε(λ)cs heißt Absorbanz (veraltet: Extinktion, optische Dichte), das Verhältnis T = I t / I 0 Transmissionsgrad oder Durchlässigkeit. Anstelle des Transmissionsgrads T wird oft der Absorptionsgrad 1 T angegeben. 1 (Nach IUPAC: Absorbanz = absorbance, Absorptionsgrad = absorptance, Transmissionsgrad = transmittance) Absorptionsmessungen können sowohl zur qualitativen als auch zur quantitativen Analyse verwendet werden. Für die qualitative Analyse sind die Lage des Maximums bzw. der Maxima und die Intensität und Form der Absorptionsbanden von Bedeutung, da sie für die absorbierende Substanz charakteristisch sind. Zwar ist die eindeutige Identifizierung von unbekannten Substanzen in Gemischen meist nicht möglich, aber für reine Substanzen ist die Zuordnung einer Struktur durch Vergleich des Spektrums mit den betreffenden katalogisierten Spektren in der Regel durchführbar. Quantitative Bestimmungen mit dem Spektrometer werden meist bei der Wellenlänge (oder in dem Wellenlängenbereich) des Maximums der stärksten Absorptionsbande durchgeführt. Ist allerdings die Absorption zu groß (> ca. 80 %) oder die betreffende Bande gestört, so geht man zweckmäßigerweise zu einer schwächeren Bande über. Quantitative Analysen werden überwiegend mit Hilfe von Kalibrierkurven durchgeführt. Für mehrere Kalibrierlösungen verschiedener Konzentrationen der zu bestimmenden Substanz trägt man die gemessene Absorbanz auf der Ordinate gegen die Konzentration auf der Abszisse auf, so dass man bei Gültigkeit des Lambert-Beerschen Gesetzes eine Kalibriergerade erhält, die durch den Koordinatenursprung geht. Nach der Erstellung der Kalibrierkurve misst man die Absorbanz der Lösung mit der unbekannten Konzentration der betreffenden Substanz. Aus der Kalibrierkurve ergibt sich dann sofort der zur gemessenen Absorbanz zugehörige Konzentrationswert. Alle Messungen müssen bei der gleichen Wellenlänge, mit der gleichen Referenzküvette und bei gleicher Temperatur durchgeführt werden. Für genaue Messungen ist eine Temperaturkonstanz von etwa ±1 K erforderlich. 1 Leider herrscht in der deutschen Literatur auch in der Lehrbuchliteratur eine beträchtliche Verwirrung hinsichtlich der Benennung der Größen A und T. Es gibt nicht nur mehrere Begriffe für ein- und dieselbe Größe (Absorbanz, Extinktion, optische Dichte), sondern ein Begriff bezeichnet je nach Autor unterschiedliche Größen. So wird die Absorbanz A beispielsweise auch als Absorptionsmaß ( Absorptionsvermögen (Wedler, 4. Aufl.), oder sogar nur als Absorption (Atkins, 3. Aufl.) bezeichnet. Daher soll hier der Begriff Absorption keine Verwendung finden und die Größe 1 T als Absorptionsgrad bezeichnet werden. Extinktion und Extinktionskoeffizient sind veraltete Bezeichnungen und werden deshalb hier nicht verwendet. Insbesondere für optische Dichte existieren widersprüchliche Definitionen, so dass auch diese Bezeichnung hier vermieden wird.

3 UV/VIS-Spektroskopie 3 Die quantitative Analyse bei Gemischen basiert auf dem additiven Verhalten der Absorbanzwerte. Dabei wird vorausgesetzt, dass die Absorptionsspektren der vorliegenden Substanzen und die Absorptionskoeffizienten bei den zu wählenden Wellenlängen bekannt sind, dass das Lambert-Beersche Gesetz für jede Komponente gilt, dass die Kalibrierkurven sämtlich durch den Nullpunkt gehen und dass keine gegenseitige Beeinflussung der einzelnen Verbindungen eintritt. Die folgende Abbildung zeigt schematisch das Absorptionsspektrum eines Gemisches von zwei Verbindungen mit sich überlappenden Banden. Abbildung 1: Absorptionsspektrum eines Gemisches von zwei Verbindungen 1 (rot) und 2 (blau) In einer Lösung mögen sich zwei Verbindungen 1 und 2 in den unbekannten Konzentrationen c 1 und c 2 mit sich überlappenden Absorptionsbanden befinden. Bei Auftragung der Absorbanzwerte entspricht jeder Punkt A G (λ) der Absorptionskurve der jeweiligen Summe der Absorbanzen A 1 (λ) + A 2 (λ) der Einzelverbindungen. Man misst nun die Absorbanzen A G (λ 1 ) und A G (λ 2 ) des Gemisches bei zwei verschiedenen Wellenlängen λ 1 und λ 2, die man so auswählt, dass sich die Absorbanzen A 1 (λ 1 ) und A 2 (λ 1 ) sowie A 1 (λ 2 ) und A 2 (λ 2 ) der Einzelverbindungen möglichst stark unterscheiden. Bezeichnet man die molaren Absorptionskoeffizienten von 1 und 2 bei λ 1 mit ε 1 (λ 1 ) und ε 2 (λ 1 ) und bei λ 2 mit ε 1 (λ 2 ) und ε 2 (λ 2 ) so gilt: A G (λ 1 ) = {ε 1 (λ 1 ) c 1 + ε 2 (λ 1 ) c 2 } s und A G (λ 2 ) = {ε 1 (λ 2 ) c 1 + ε 2 (λ 2 ) c 2 } s (3) Durch Lösen dieses linearen Gleichungssystems erhält man die gesuchten Konzentrationen c 1 und c 2 :

4 UV/VIS-Spektroskopie 4 c 1 = { ε2( λ2)a G( λ1) ε2( λ1)a G( λ2) } s { ε ( λ ) ε ( λ ) ε ( λ ) ε ( λ ) } und c 2 = { ε1( λ2)a G( λ1) ε1( λ1)a G( λ2) } s { ε ( λ ) ε ( λ ) ε ( λ ) ε ( λ ) } (4) Dieses Verfahren lässt sich im Prinzip auf Mischungen beliebig vieler Komponenten ausdehnen, wobei die Absorbanzmessungen bei einer der Anzahl der Komponenten entsprechenden Anzahl von Wellenlängen durchgeführt werden müssen. Das Lösen der dann immer umfangreicher werdenden Gleichungssysteme kann mit Computern erfolgen. Die UV/VIS-Spektrometrie ist jedoch nicht nur für Konzentrationsbestimmungen geeignet. Da Abweichungen vom Lambert-Beerschen Gesetz sich im allgemeinen durch das Auftreten von Gleichgewichten (einschließlich Assoziationsgleichgewichten) und zeitlichen Veränderungen des Messsystems erklären lassen, kann man mit Hilfe der UV/VIS-Spektrometrie diese Gleichgewichte untersuchen und die Kinetik chemischer Reaktionen verfolgen. Die einzige Voraussetzung dafür ist, dass mindestens eine beteiligte Komponente im ultravioletten oder sichtbaren Bereich absorbiert. Die Dissoziation schwacher Säuren Anhand der molaren Leitfähigkeit ihrer Lösungen werden Elektrolyte als stark oder schwach klassifiziert: Ein starker Elektrolyt ist eine Substanz, deren molare Leitfähigkeit in Lösung nur wenig von der Konzentration abhängt. Ein schwacher Elektrolyt besitzt bei sehr niedrigen Konzentrationen eine ähnliche molare Leitfähigkeit wie ein starker Elektrolyt, die jedoch für zunehmende Konzentrationen sehr schnell auf kleine Werte abfällt. Das Verhalten schwacher Elektrolyte lässt sich auf der Basis des Gleichgewichts zwischen der Substanz und ihren Ionen in Lösung erklären: Der Dissoziationsgrad α, der den in Lösung dissoziiert vorliegenden Anteil einer Substanz angibt, nimmt zu, wenn die Konzentration verringert wird. Starke E- lektrolyten dagegen liegen in Lösung immer vollständig dissoziiert vor (α = 1). Im Folgenden wird eine schwache Säure betrachtet, die in Lösung im Gleichgewicht mit den Protonen H + und den Säure-Anionen A vorliegt: HA H + + A (5) Hierfür liefert das Massenwirkungsgesetz die Dissoziationskonstante K in der als Ostwaldsches Verdünnungsgesetz bezeichneten Beziehung:

5 UV/VIS-Spektroskopie 5 c + c H K = c HA A 2 α c = 1 α (6) wobei für c HA = (1 α)c und für c H+ = c A = αc eingesetzt wurde. Deswegen gilt Gl. (6) nur für ungepufferte Systeme. c bezeichnet die Gesamtkonzentration c = c HA + c A. Ein typischer Verlauf der Absorptionsspektren schwacher Säuren in Abhängigkeit vom ph- Wert ist in Abbildung 2 dargestellt. Am isosbestischen Punkt sind die Absorptionskoeffizienten der undissoziierten Säure und des Anions gleich groß: ε HA (λ iso ) = ε A (λ iso ) = ε iso. Der isosbestische Punkt ist der Schnittpunkt aller Spektralkurven (Absorbanzen in Abhängigkeit von der Wellenlänge) gleich konzentrierter Lösungen unterschiedlichen ph-werts. Durch Photometrie einer Lösung unbekannter Konzentration am isobestischen Punkt lässt sich daher die Gesamtkonzentration c unabhängig vom ph-wert bestimmen. Abbildung 2: Schematischer spektraler Verlauf der Absorbanz für wässrige Lösungen einer schwachen Säure bei unterschiedlichen ph-werten. Der Schnittpunkt der Spektralkurven bei λ iso ist der isosbestische Punkt, an dem die Absorbanz nur von der Gesamtkonzentration der Säure und nicht mehr vom Dissoziationsgrad abhängt. Sofern sich die am Dissoziationsgleichgewicht beteiligten Teilchen genügend stark in ihrem optischen Verhalten unterscheiden, eröffnen Absorbanzmessungen darüber hinaus einen Weg zur direkten Messung von α. Die Absorbanz A(λ) einer schwachen Säure HA der Konzentration c im Dissoziationsgleichgewicht (Dissoziationsgrad α) HA + H 2 O H 3 O + + A (7)

6 UV/VIS-Spektroskopie 6 ist A(λ) = ε HA (λ) (1-α) c s + ε A (λ) α c s (8a) wenn man voraussetzt, dass das Wasser und die Protonen in dem betrachteten Wellenlängenbereich nicht absorbieren. ε HA (λ) und ε A (λ) sind die Absorptionskoeffizienten der undissoziierten Säure bzw. des Anions. In einem Wellenlängenbereich, in dem auch ε HA verschwindet, rührt die messbare Absorbanz ausschließlich vom Anion her und Gleichung (8a) geht in A(λ) = ε A (λ) α c s (8b) über. Damit kann α = A(λ)/{ε A (λ) c s} gemessen werden, sofern ε A (λ) c s bekannt ist. Aus der Definitionsgleichung (6) der Dissoziationskonstante K erhält man α A( λ) pk = ph lg = ph lg 1 α ε ( λ) c s A( λ) A (9) ε A (λ) c s ist die Absorbanz A A (λ) des Anions bei vollständiger Dissoziation. Damit wird aus Gleichung (9) A( λ) pk = ph log A ( λ ) A( λ ) A (10) UV/VIS-Spektrometer Das Demonstrations-Spektrometer (s. Abb. 3) ist offen aufgebaut, so dass alle optischen Komponenten gut sichtbar sind. Als Lichtquelle dient eine weiße LED, die Licht im sichtbaren Wellenlängenbereich emittiert. Das frequenzselektierende Element ist ein linear variabler Bandpassfilter, mit dem die gewünschte Wellenlänge durch einfaches manuelles Verschieben des Filters eingestellt werden kann. Die zu vermessende Substanz befindet sich in einer Küvette auf dem Probentisch hinter dem Filter und wird von der ausgewählten Wellenlänge durchstrahlt. Das transmittierte Licht wird von einer Photodiode registriert und die Lichtintensität in einem Display angezeigt. Das Demonstrations-Spektrometer besitzt nur einen einfachen Strahlengang. Zur quantitativen Bestimmung der Transmission oder Absorption einer Probe müssen Sie daher nacheinander 2 Messungen durchführen, einmal mit und einmal ohne Probe, und aus den beiden gemessenen Intensitäten die gewünschte Größe berechnen.

7 UV/VIS-Spektroskopie Abbildung 3: Demonstrations-Spektrometer. 1: Lichtquelle, 2: optischer Filter zur Wellenlängenselektion, 3: Probentisch mit Küvette, 4: Detektor Abbildung 4: Strahlengang im UV/VIS-Spektrometer

8 UV/VIS-Spektroskopie 8 Ein modernes Labor-Spektrometer ist in der Regel als Zweistrahlgerät aufgebaut, in dem die Messung der Probe- und der Referenz-Intensität parallel erfolgt und die gewünschte Größe direkt angezeigt wird. Die im Praktikum eingesetzten Labor-Spektrometer sind solche Zweistrahl-UV/VIS-Spektrometer, die einen Wellenlängen-Durchstimmbereich von 200 nm bis 1100 nm besitzen. Abbildung 4 zeigt schematisch den Strahlengang im Spektrometer. Probenküvette und Referenzküvette werden simultan vom Messlicht durchstrahlt. Der Planspiegel P1 lenkt entweder die Strahlung der Deuteriumlampe DL (UV-Bereich) oder die Strahlung der Halogenlampe HL (VIS-Bereich) in den optischen Strahlengang. Die durch P1 reflektierte Strahlung trifft auf den Toroidspiegel T2, passiert einen Filter des drehbaren Filterrades FW und wird auf den Eintrittsspalt ES1 des Monochromators fokussiert. Der Monochromator zerlegt die einfallende Strahlung spektral durch Beugung an einem optischen Gitter. Durch Veränderung der Gitterstellung (Auftreffwinkel) kann die Wellenlänge selektiert werden, die durch den Austrittsspalt ES2 in den Proben- und den Referenzraum gelangt. Durch diese Anordnung ist der jeweilige Spektralbereich scharf begrenzt, und Messungen mit hoher spektraler Auflösung sind möglich. Der nutzbare Spektralbereich liegt zwischen 190 und 1100 nm. Die Strahlung gelangt durch den Austrittsspalt ES2 auf den sphärischen Spiegel S3 und von dort auf den halbdurchlässigen Spiegel (Strahlteiler) BS. Der Probenstrahl wird über den Planspiegel P4, durch die Probenküvette SAMPLE und eine plankonvexe Linse auf den Proben-Photodetektor fokussiert. Der Referenzstrahl wird über den Planspiegel P5, durch die Referenzküvette REF und eine plankonvexe Linse auf den Referenz-Photodetektor fokussiert. Eigenschaften optischer Materialien und von Lösemitteln Eine Übersicht über die Durchlässigkeitsbereiche verschiedener Substanzen, die beim Bau optischer Geräte Verwendung finden, zeigt die folgende Tabelle. Unterhalb von 200 nm sind nur noch wenige Substanzen (CaF 2, LiF, Saphir) lichtdurchlässig. Unterhalb von 185 nm absorbiert Sauerstoff sehr stark, so dass man hier nicht mehr in Luft arbeiten kann, sondern im Vakuum (VUV) oder in Argon-Atmosphäre messen muss. Strahlung im Bereich von 2 bis 120 nm wird von jeder Art Materie schon in dünnen Schichten praktisch völlig absorbiert.

9 UV/VIS-Spektroskopie 9 Tabelle 1: Durchlässigkeitsbereiche verschiedener Substanzen Material Durchlässigkeitsbereich, μm CsI CsBr KBr NaCl CaF LiF Glas Quarz * So wie für das Küvettenmaterial nur bestimmte Substanzen verwendet werden können, eignen sich auch nicht alle Lösemittel für die UV/VIS-Spektrometrie. Während im sichtbaren Spektralbereich neben Wasser zahlreiche organische Flüssigkeiten als Lösemittel zur Verfügung stehen, deren Absorption so gering ist, dass sie ohne Schwierigkeit mit der Referenzküvette korrigiert werden kann, ist für den UV-Bereich die Auswahl wesentlich kleiner, speziell bei Wellenlängen unterhalb 230 nm. Die folgende Tabelle enthält für die UV-Spektrometrie geeignete Lösemittel. Angegeben ist dabei die untere Wellenlängengrenze, bei der mit 1 cm Schichtdicke gegen Wasser in der Vergleichsküvette die Absorbanz 1 gemessen wird. Tabelle 2: einige Lösemittel für die UV-Spektrometrie Lösungsmittel untere Wellenlänge, nm Hexafluor-i-propanol <190 Trifluorethanol <190 n-pentan 190 Acetonitril 191 n-hexan 195 Ethanol 200 Methanol 205 Glycerin 205 Cyclohexan 205

10 UV/VIS-Spektroskopie 10 Ausführung und Auswertung der Messung 1) Quantitative Analyse eines Substanzgemischs Führen Sie mit dem Demonstrations-Spektrometer eine quantitative Analyse einer Mischlösung zweier Substanzen (Brilliant Black und Methylrot) in Ethanol durch. Ermitteln Sie durch Absorbanzmessungen an Lösungen der einzelnen Komponenten zwei geeignete Wellenlängen, bei denen sich die Absorbanzen der Lösungen der beiden reinen Komponenten möglichst stark unterscheiden. Bestimmen Sie für die einzelnen Komponenten die Abhängigkeit der Absorbanz von der Lösungskonzentration (Lambert-Beersches Gesetz) jeweils bei den beiden ausgewählten Wellenlängen und berechnen Sie die betreffenden Absorptionskoeffizienten. Messen Sie die Absorbanzen eines vorgegebenen Gemisches bei den beiden ausgewählten Wellenlängen und berechnen Sie mit Hilfe der Gleichungen (4) die Konzentrationen der beiden Substanzen in dem Gemisch. 2) Qualitative Charakterisierung optischer Materialien Verifizieren Sie die in Tabelle 1 angegebenen Durchlässigkeitsbereiche von Glas und Quarz. Diese Messungen können nur mit dem Labor-Spektrometer durchgeführt werden, da der Demonstrationsaufbau kein ultraviolettes Licht emittiert. 3) Isosbestischer Punkt, Dissoziationskonstante einer schwachen Säure Bestimmen Sie mit dem Labor-Spektrometer die Dissoziationskonstante K und den Dissoziationsgrad α einer schwachen Säure durch Messung der Absorbanz mit dem UV/VIS- Spektrometer in Abhängigkeit vom ph-wert. Bestimmen Sie die molaren Absorptionskoeffizienten am Absorptionsmaximum und am isobestischen Punkt. Quantitative Analyse eines Substanzgemischs Probenvorbereitung Stellen Sie zwei Standardlösungen von Brilliant Black (BB) und von Methylrot (MR) her. Lösen Sie dazu zum einen 43,4 mg Brilliant Black in 250 ml Wasser und zum anderen 26,9 mg Methylrot in 250 ml Ethanol. Stellen Sie, von diesen Standardlösungen ausgehend, für beide Substanzen jeweils vier verschieden konzentrierte Lösungen her, indem Sie jeweils 0.25, 0.5, 1.0 und 2 ml der Standardlösungen mit Ethanol auf 20 ml verdünnen. Tageslicht-Korrektur Da das Spektrometer offen aufgebaut ist, sieht die Photodiode auch ohne Licht aus der Strahlungsquelle eine geringe Lichtintensität. Um diese zu bestimmen, müssen Sie das Spektrometer anschalten und das Licht der Strahlungsquelle blockieren, z.b. durch ein Stück Karton.

11 UV/VIS-Spektroskopie 11 Notieren Sie zuerst diesen Tageslicht-Wert U, den Sie für die Auswertung Ihrer Daten von allen Messwerten subtrahieren müssen. Referenzspektrum Schalten Sie das Spektrometer ein und stellen Sie eine mit dem Lösungsmittel Ethanol gefüllte Küvette so auf den Probentisch, dass der gefilterte Lichtstrahl vollständig durch Küvette und Lösemittel durchtritt. Nehmen Sie nun ein Referenzspektrum auf, indem Sie in Abständen von 10 nm die vom Detektor registrierte Lichtintensität S R (λ) notieren. Einkanal-Spektren Nehmen Sie von den am höchsten konzentrierten Lösungen zunächst je ein Übersichtsspektrum (S BB (λ) und S MR (λ)) zwischen 400 nm und 700 nm auf, um die Absorptionsmaxima der beiden Substanzen zu bestimmen. Transmissionsspektren Berechnen Sie für beide Substanzen ein Transmissionsspektrum T(λ). Die lineare Transmission ergibt sich als tageslichtkorrigierter Quotient der gemessenen Intensitäten mit und ohne Probe: S( λ) U T( λ ) = S ( λ) U R Benutzen Sie ein Datenauswerteprogramm wie z.b. Origin, um die Transmissionsspektren graphisch darzustellen. Absorbanz Berechnen Sie die Absorbanz A (Extinktion) Ihrer Proben A(λ) = -lg(t(λ)) und stellen Sie sie ebenfalls graphisch dar. Bestimmen Sie die Wellenlängen der Absorptionsmaxima λ BB max = λ 1 und λ MR max = λ 2. Absorptionskoeffizienten Bestimmen Sie nun Absorbanzwerte Ihrer Proben bei jeweils beiden Wellenlängen der Absorptionsmaxima für die zuvor hergestellten Verdünnungsreihen. Sie erhalten daraus 4 Datenreihen (A BB ( λ 1 ), A MR ( λ 1 ), A BB ( λ 2 ) und A MR ( λ 2 )). Tragen Sie jede Datenreihe gegen die Konzentration auf und bestimmen Sie daraus die molaren dekadischen Absorptionskoeffizien-

12 UV/VIS-Spektroskopie 12 ten ε BB ( λ 1 ), ε MR ( λ 1 ), ε BB ( λ 2 ) und ε MR ( λ 2 ) mittels linearer Regressionsanalyse. Achten Sie darauf, dass die Ausgleichsgeraden durch den Nullpunkt gehen müssen. Ist das Lambert- Gesetz Beersche erfüllt? Quantitative Analyse Messen Sie nun von einem Gemisch aus BB und MR unbekannter Zusammensetzung, das Sie vom Assistenten erhalten, bei den beiden ausgewählten Wellenlängen die Absorbanzen A G (λ 1 ) und A G (λ 2 ). Bestimmen Sie daraus unter Zuhilfenahme von Gleichung (4) die Kon- c BB und c MR. zentrationen Qualitative Charakterisierung optischer Materialien Zur Vermessung der spektralen Transmission von Glas und Quarz setzen Sie nacheinander eine Glas- und eine Quarzküvette in den Probenraum und vermessen Sie das Absorptionsspektrum gegen Luft als Referenz (Referenzküvettenhalter bleibt leer) zwischen 200 nm und 900 nm. Führen Sie vor der Messung eine Untergrundkorrektur Luft gegen Luft durch. Isosbestischer Punkt, Dissoziationskonstante einer schwachen Säure Zur Messung der Dissoziationskonstanten stellen Sie je 1 Liter einer 10-3 m p-nitrophenollösung als Säure sowie einer 0.1m Zitronensäurelösung und einer 0.2m Dinatriumphosphatlösung zum Puffern her (alle wässrig). Stellen Sie anschließend je 100 ml einer Pufferlösung nach McIlvain (s. Anhang) der Abstufungen ph = 8, 7.6, 7.2, 6.8 und 6.4 her. Die Pufferlösungen dienen sowohl zum Verdünnen der 10-3 m p-nitrophenollösung auf 10-4 m als auch als Vergleichslösung. Verdünnen Sie die 10-3 m p-nitrophenollösung mit 0.1n NaOH, 0.1n HCl und mit Pufferlösung in den angegebenen 5 Abstufungen jeweils auf 10-4 m. Nehmen Sie insgesamt 7 Absorptionsspektren auf, eines für das Anion (alkalisch), eines für das undissoziierte p-nitrophenol (sauer) und 5 für das teildissoziierte p-nitrophenol bei ph 6.4, 6.8, 7.2, 7.6 und 8. Bestimmen Sie dazu zunächst in einer Übersichtsmessung den interessierenden Spektralbereich, in dem Sie das Spektrometer hinterher durchstimmen. Entnehmen Sie aus den Kurven den isosbestischen Punkt λ iso für p-nitrophenol sowie das Absorptionsmaximum λ max des Anions. Bestimmen Sie die zugehörigen Absorptionskoeffizienten ε( λ iso ) und ε( λ max ). Überlegen Sie, ob bei der Messung zur Bestimmung der Dissoziationskonstanten K am Absorptionsmaximum λ max des Anions die undissoziierte Säure stört und bei welcher anderen Wellenlänge gegebenenfalls zusätzlich zu messen ist. Ermitteln Sie die Dissoziationsgrade α für alle 5 gepufferten Lösungen sowie die Dissoziationskonstante K nach Gl. (9). Überlegen Sie, welche Feh-

13 UV/VIS-Spektroskopie 13 lergrößen in K eingehen, schätzen Sie diese ab und ermitteln Sie den Fehler σ K. Vergleichen Sie mit dem Literaturwert! Anhang: Puffergemische nach McIlvain ph Lösung A (ml) Lösung B (ml) Lösung A: 0.1 m Zitronensäure Lösung B: 0.2 m Dinatriumhydrogenphosphat