AW-2014-05 Analytische Chemie Optische Analysemethoden Spektrometrie LD Handblätter Chemie C3.3.1.2 Aufnahme von Absorptionsspektren mit einem Spektrometer Versuchsziele Lichtspektren betrachten und verstehen. Den Zusammenhang zwischen Absorption, Reflektion und Transmission erkennen. Farbe als Licht mit charakteristischer Wellenlänge wahrnehmen. Die Wechselwirkung von Licht mit farbigen Flüssigkeiten erkennen. Grundlagen Licht ist der Teil der elektromagnetischen Strahlung, der für das Auge sichtbar ist. Diese Strahlung liegt in einem Wellenlängenbereich von ca. 380 nm bis 780 nm und besteht aus Lichtteilchen, den sogenannten Photonen. Dabei ist das violette Licht mit 400 nm die energiereichste Strahlung im sichtbaren Bereich und purpur-rotes Licht mit 730 nm die energieärmste. Wird zwischen einer Lampe und einem Kompaktspektrometer eine mit Farbstofflösung gefüllte Küvette platziert, so tritt das Licht in Wechselwirkung mit der absorbierenden Substanz im flüssigen Medium. Es gibt drei Möglichkeiten der Wechselwirkung: Reflexion, Absorption und Transmission. Bei der Reflexion wird das Licht an der Grenzfläche des Mediums im Einfallswinkel gespiegelt und tritt im gleichen Winkel wieder aus. Bei der Absorption wird das Licht durch die Wechselwirkungen mit der absorbierenden Substanz teilweise oder vollständig verschluckt und nur wenig Licht wird transmittiert. Die Transmission ist das Durchqueren des Lichts ohne Wechselwirkung mit der Lösung. Bei der spektroskopischen Messung von Intensitäten zur Ermittlung der Wechselwirkungen wird die Reflexion vernachlässigt, da sie durch Referenzmessungen mit einbezogen wird. Am einfachsten kann die Transmission T berechnet werden. Dafür wird der Quotient aus der Referenzintensität I 0 und der transmittierten Strahlung I 1 wie folgt gebildet: Die Extinktion E (optische Dichte) ist ein Maß für die Absorption. Um diese zu bestimmen, wird der negative dekadische Logarithmus der Transmission berechnet. Wird statt der Transmission T der Quotient des einstrahlenden Licht I 0 und des transmittierten Lichts I 1 eingesetzt, so ergibt sich folgende Formel: ( ) ( ) So kann durch Messung der Intensitäten sowohl die Transmission als auch die Extinktion einer Farbstofflösung bestimmt werden. Die Farbstofflösungen absorbieren dabei immer bei charakteristischen Wellenlängen. Diese Wellenlängen können auch für die Charakterisierung von Inhaltsstoffen in Flüssigkeiten wichtig sein. In diesem Versuch werden Transmissions- und Extinktionsspektren von verschiedenfarbigen Lösungen aufgenommen. Abb. 1: Versuchsapparatur zur Aufnahme von Lichtspektren von Farbstoffen. 1
Gefährdungsbeurteilung Die zu verwenden Chemikalien sind zum Teil gesundheitsschädlich und sollten nicht verschluckt werden. Das Eisen-III-chlorid-6-hydrat ist ätzend und sollte nur mit geeigneten Schutzhandschuhen abgefüllt werden. Methylenblau Achtung H302 Gesundheitsschädlich bei Verschlucken. Eisen-(III)-chlorid-6-hydrat Gefahr H302 Gesundheitsschädlich bei Verschlucken. H315 Verursacht Hautreizung H318 Verursacht schwere Augenschäden Sicherheitshinweise P280 Schutzhandschuhe / Augenschutz/ Gesichtsschutz tragen. P302+P352 BEI KONTAKT MIT DER HAUT: Mit viel Wasser und Seife waschen. P305+P351+P338 BEI KONTAKT MIT DEN AUGEN: Einige Minuten lang behutsam mit Wasser spülen. Vorhandene Kontaktlinsen nach Möglichkeit entfernen. Weiter spülen. P313 Ärztlichen Rat einholen / ärztliche Hilfe hinzuziehen. Universalindikator, enthält Ethanol Gefahr H225 Flüssigkeit und Dampf leicht entzündbar. Sicherheitshinweise P210 Von Hitze / Funken / offener Flamme / heißen Oberflächen fernhalten. Nicht rauchen. Geräte und Chemikalien 1 Spiegelglaskasten (Küvette), 10 mm... 477 20 1 Prismentisch auf Stiel... 460 25 1 Linse in Fassung, f = +100 mm... 460 03 1 Lampengehäuse mit Kabel... 450 60 1 Glühlampe 12 V/30 W, E14, Satz 2... 450 521 1 Kondensor mit Blendenhalter... 460 20 1 Transformator 6/12 V, 30 W... 521 210 1 Kompakt-Spektrometer USB, Physik... 467 251 1 Faserhalter... 460 251 1 Optische Bank, S1- Profil, 1 m... 460 310 4 Optikreiter mit Muffe... 460 311 1 Messpipette 10 ml... 665 997 1 Pipettierball (Peleusball)... 666 003 1 Mikro-Doppelspatel Stahl, 150 mm... 604 5672 1 Kompaktwaage 200 g : 0,01 g... 667 7977 1 Becherglas DURAN, 250 ml, nf... 664 103 6 Becherglas DURAN, 150 ml, nf... 602 043 1 Messzylinder 100 ml, Kunststofffuß... 665 754 1 Färbemittel, rot, 10 g... 309 42 1 Eisen-(III)-chlorid-6-hydrat, 50 g... 671 8700 1 Methylenblau, 1 g... 673 2900 1 Universalindikator, flüssig, 50 ml... 675 2550 Zusätzlich erforderlich: 1 Computer mit Windows XP, 7 oder 8 Versuchsaufbau und -vorbereitung Ansetzen der Lösungen Allgemeiner Hinweis: Möglicherweise müssen die so angesetzten Lösungen nochmals verdünnt werden, da schon eine sehr kleine Farbstoffmenge die Stärke der Lösungsfarbe beeinflusst. Die Lösungen sollten für das Transmissionsspektrum so verdünnt werden, dass die Extinktion im Messbereich des Kompaktspektrometers bei 1 bis 2 liegt. Ansetzen einer roten Farbstofflösung: 0,05 g Färbepulver (rot, ungiftig) wird für eine rote Lösung in ein Becherglas abgewogen und mit Hilfe eines Messzylinders (100 ml) mit 100 ml Wasser aufgefüllt. Die Lösung wird gut gerührt, bis sich der Farbstoff vollständig gelöst hat. Anschließend 10 ml Lösung abnehmen und mit 90 ml Wasser verdünnen. So werden 100 ml einer Farbstofflösung erhalten. Ansetzen einer gelben Farbstofflösung: 0,49 g Eisen-(III)- chlorid-6-hydrat wird für eine gelbe Lösung in ein Becherglas abgewogen und mit Hilfe eines Messzylinders (100 ml) mit 75 ml Wasser aufgefüllt. Anschließend wird die Lösung gut gerührt, bis sich der Farbstoff vollständig gelöst hat. So werden 75 ml einer Farbstofflösung erhalten. Ansetzen einer blauen Farbstofflösung: 0,05 g Methylenblau wird für eine blaue Lösung abgewogen und mit Hilfe eines Messzylinders (100 ml) mit 50 ml Wasser aufgefüllt. Die Lösung wird gut gerührt, bis sich der Farbstoff vollständig gelöst hat. Anschließend 1 ml abnehmen und mittels eines Messzylinders (100 ml) auf 150 ml auffüllen. Ansetzen einer violetten Farbstofflösung: 2 ml Universalindikator werden mit 77 ml Wasser aufgefüllt und anschließend mit ca. 1 ml 2 molarer Natronlauge versetzt. Die Lösung sollte so einen ph-wert von 10 haben. So werden 100 ml einer Farbstofflösung erhalten. Aufbau der Apparatur Auf der optischen Bank wird aus Transformator, Lampe, Linse, Glasküvette, Prismentisch, Lichtleitfaser und einem Kompaktspektrometer eine Apparatur zur Aufnahme von Lichtspektren von Farbstoffen in SpectraLab aufgebaut (siehe Abb. 1). Hinweis: Beim Aufbau sollte darauf geachtet werden, dass die Lichtleitfaser gut von der Lampe beleuchtet wird. Ist dies 2
nicht der Fall, so kann der Lichtstrahl durch Verschieben der Linse fokussiert werden. Versuchsdurchführung 1. Die Anschlüsse der Lampe werden in den Transformator gesteckt und der Transformator eingeschaltet. Anschließend wird die Ausrichtung der Lichtleitfaser überprüft und gegebenenfalls die Linse zur Fokussierung verschoben. 2. SpectraLab starten. Nun wird die Integrationszeit mit minus und plus so angepasst, dass die maximale Intensität um 75% liegt. Hinweis: Die gewählte Integrationszeit sollte während des Versuchs nicht geändert werden, um eine Vergleichbarkeit der Messwerte zu gewährleisten. 3. Die Lampe wird für die Aufnahme des Untergrundspektrums ausgeschaltet, und die Darstellung Offset I0 wird geöffnet. Hinweis: Das Programm speichert dieses Spektrum automatisch beim Öffnen der Offset I0-Darstellung, daher ist es ratsam, diese danach nicht mehr zu öffnen. 4. In die Darstellung Referenz I2 wechseln, die Lampe wieder einschalten und die mit wassergefüllte Küvette auf den Prismentisch stellen. Das Spektrum mit Pause anhalten. Dieses Spektrum wird nun als Referenzspektrum verwendet. Hinweis: Diese Darstellung sollte während einer Messung nicht mehr geöffnet werden, da es beim erneuten Anhalten der Messung überschrieben wird. 5. Anschließend eine Küvette mit einer Farbstofflösung auf dem Prismentisch platzieren. 6. Zu der Darstellung Intensität I1 wechseln. Hier ist die Intensität des Spektrums nach Durchgang des Lichts durch die Küvette zu sehen. In Grau wird zusätzlich das Wasser- Referenzspektrum angezeigt. 7. Zur Darstellung Transmission T wechseln. Dort wird für die Darstellung Transmission T das Verhältnis des Spektrums einer Farbstofflösung zur Referenzkurve berechnet und angezeigt. 8. Für die Darstellung Extinktion E wird die Extinktion (optische Dichte) berechnet und angezeigt. Hinweis: Die Lösungen sollten nicht zu kräftig sein, da die Extinktion über einem Wert von 2 nicht hinreichend dargestellt werden. 9. Die Messungen können einzeln für jede Farbstofflösung unter Datei speichern gespeichert werden. Es gibt auch die Möglichkeit mehrere Messungen mit Aufnehmen in einer Datei abzuspeichern. So können weitere Spektren für andere Farbstofflösungen gemessen und verglichen werden. Beobachtung Das Referenzspektrum von Wasser Zunächst wird ein Referenzspektrum von Wasser aufgenommen. Dafür wird die Intensität I2 [%] in Abhängigkeit der Wellenlänge λ [nm] gemessen. So wird ein kontinuierliches Farbspektrum von einem farblosen Medium erhalten (siehe Abb.2). Das Intensitätsspektrum aller Farbstofflösungen Als nächstes wurde von allen Lösungen ein Intensitätsspektrum aufgenommen. Dafür berechnet SpectraLab die Intensität I1 [%] in Abhängigkeit von der Wellenlänge λ [nm]. Dabei ist zu erkennen, dass bei jeder Farbe charakteristische Wellenlängen an Intensität verlieren (siehe Abb. 3). Durch die Aufnahme eines Transmissions- und Extinktionsspektrums für jede Farblösung einzeln wird diese Eigenschaft im weiteren Verlauf näher betrachtet. Abb. 2: Referenzspektrum einer mit Wasser gefüllten Küvette. Abb. 3: Intensitätsspektrum von allen Farbstofflösungen. Dabei wird die Intensität des Referenzspektrums von Wasser in grau, die einer gelben Lösung in schwarz, einer roten Lösung in rot, einer blauen Lösung in blau und einer violetten Lösung in violett dargestellt. Die Transmissions- und Extinktionsspektren von Farbstofflösungen Zur Aufnahme von Transmissionsspektren wurde in SpectraLab die Transmission T [%] berechnet und gegen die Wellenlänge λ dargestellt. Für die Darstellung eines Extinktionsspektrums wurde die Extinktion E berechnet und gegen die Wellenlänge λ aufgetragen. Wird eine rote Lösung in die Küvette gefüllt, so werden alle Wellenlängen des Lichts von 400 nm 600 nm absorbiert. Das rote Licht hingegen wird im Bereich von 600 nm 730 nm transmittiert. Der Farbeindruck der Lösung ist daher rot (siehe Abb. 4). Im Extinktionsspektrum ist zu erkennen, dass die Farben im Bereich von 400 nm 600 nm beim Durchqueren der Lösung abgeschwächt wurden. Die optische Dichte der Farben violett bis gelb hat somit im Vergleich zu weißem Licht zugenommen (siehe Abb. 5). 3
Abb. 4: Transmissionsspektrum einer roten Farbstofflösung. Abb. 7: Extinktionsspektrum einer gelben Farbstofflösung. Bei der blauen Farbstofflösung wird nur das rot-orange Licht bei 590 nm 700 nm absorbiert und alle anderen Farben des Lichts werden transmittiert. Die Lösung erscheint blau, da die Komplementärfarbe rot-orange absorbiert wird (siehe Abb. 8). Wird nun die Extinktion betrachtet, so ist zu erkennen, dass vor allem im rot-orangen Bereich von 590 nm 700 nm die Strahlung von weißem Licht abgeschwächt wurde (siehe Abb. 9). Abb. 5: Extinktionsspektrum einer roten Farbstofflösung. Bei der gelben Farbstofflösung wird das violett-blaue Licht bei ca. 400 nm 450 nm absorbiert und alle anderen Farben des sichtbaren Lichts werden transmittiert. Da violettblau die Komplementärfarbe von gelb ist, erscheint die Lösung gelb (siehe Abb. 6). Bei einer gelben Farbstofflösung wird die optische Dichte bei einer Wellenlänge von 400 nm 450 nm erhöht. Dies kann im folgenden Extinktionsspektrum betrachtet werden (siehe Abb. 7). Abb. 8: Transmissionsspektrum einer blauen Farbstofflösung. Abb. 6: Transmissionsspektrum einer gelben Farbstofflösung. Abb. 9: Extinktionsspektrum einer blauen Farbstofflösung. Wird in die Küvette eine violette Farbstofflösung gegeben, so wird vor allem im Wellenlängenbereich des grünen Lichts bei 530 nm, des gelben Lichts bei 550 nm und des rot-orangen Lichts bei 620 nm absorbiert. Zusätzlich minimiert sich die Intensität im Bereich des violett-blauen Lichts. Da die Absorption des gelb-grünen und des orange-roten Lichts überwiegt, erscheint die Lösung in der Komplementärfarbe violett (siehe Abb. 10). 4
Im Extinktionsspektrum ist die Erhöhung der optischen Dichte im Bereich von 400 nm 700 nm dargestellt. Das Extinktionsmaximum liegt im gelb-grünen Bereich bei einer Wellenlänge von 540 nm (siehe Abb. 11). Abb. 10: Transmissionsspektrum einer violetten Farbstofflösung. Interpretation der Spektren Wie die verschiedenen Beispiele zeigen, gibt es zwei Möglichkeiten der Transmission und der Extinktion, die den Farbeindruck einer Lösung bestimmen. Der erste Fall tritt beispielsweise beim roten Transmissionsspektrum auf. Dabei werden alle Wellenlängen der sichtbaren Farben von 400 nm 600 nm absorbiert und nur die Wellenlänge der roten Farblösung im Bereich von 600 nm 730 nm wird transmittiert. Auch das Extinktionsspektrum spiegelt dieses wider, denn dort nimmt die optische Dichte im Bereich von 400 nm 600 nm zu. Die Lösung erscheint rot, weil nur die Wellenlänge des roten Lichts transmittiert wird. Der zweite Fall ist, dass nur die Komplementärfarbe absorbiert wird und alle anderen Farben transmittiert werden. Dies ist beispielsweise bei der blauen Lösung der Fall. Im Transmissionsspektrum ist zu erkennen, dass die Wellenlänge der Komplementärfarbe im Bereich von 590 nm 700 nm absorbiert wird und alle anderen Farben von 400 590 nm und 700 nm 750 nm transmittiert werden. Die Lösung erscheint daher in der Komplementärfarbe der absorbierten Farbe rot-orange, nämlich blau. Die Zuordnung des Farbeindruckes bzw. des transmittierten Lichts durch die Absorption der Komplementärfarbe ist in Tabelle 1 aufgeführt. Tab. 1: Farben von absorbiertem und transmittiertem Licht. Abb. 11: Extinktionsspektrum einer violetten Farbstofflösung. Auswertung Berechnung verschiedener Messgrößen in SpectraLab Referenz- und Intensitätsspektrum: Im Referenzspektrum und im Intensitätsspektrum wird die Intensität I1, welche die Intensität nach Durchgang des Lichts durch die Lösung in der Küvette angezeigt, dargestellt. Dafür wird die Offset- Intensität I0 von der gemessenen Intensität I der austretenden Strahlung subtrahiert: Der einzige Unterschied der Spektren liegt in den Flüssigkeiten in der Küvette. Im Referenzspektrum wird Wasser in die Küvette gefüllt. Beim Intensitätsspektrum wird die Küvette mit verschiedenen Farbstofflösungen aufgefüllt. Transmissionsspektrum: Für die Darstellung des Transmissionsspektrums wird die Transmission T durch das das Verhältnis der Intensität I1 der austretenden Strahlung einer Farbstofflösung zur Referenzintensität I2 berechnet: Extinktionsspektrum: Für das Extinktionsspektrum wird die Extinktion E (optische Dichte) berechnet. Dafür wird der negative dekadische Logarithmus der Transmission T berechnet, wobei die Transmission der Quotient aus der einfallenden Strahlung I1 und der austretenden Strahlung I2 ist: ( ) ( ) absorbiertes Licht transmittiertes Licht Wellenlänge Farbe beobachtete Farbe 730 nm purpur grün 640 nm rot blaugrün 590 nm orange blau 550 nm gelb violett-blau 530 nm gelbgrün violett 510 nm grün purpur 490 nm blaugrün rot 450 nm blau orange 425 nm violett-blau gelb 400 nm violett gelbgrün Ergebnis Mit der Intensitätsmessung von verschiedenen Flüssigkeiten kann gezeigt werden, dass jede farbige Flüssigkeit charakteristische Wellenlängen absorbiert und transmittiert. Dies wird besonders in der Abbildung des Intensitätsspektrums aller Farbstofflösungen deutlich (siehe Abb.3). Die absorbierten Wellenlängen haben im Transmissionsspektrum keine Intensität mehr und die transmittierten werden dargestellt. Wird hingegen das Extinktionsspektrum betrachtet, so wird ein Maß für die Absorption repräsentiert. Die Maxima der Intensität liegen dabei genau bei den Wellenlängen, die im Transmissionsspektrum nicht transmittiert wurden. Diese sind spezifisch für einen Farbstoff. Reinigung und Entsorgung Die Methylenblaulösung wird in einen Kanister für flüssige organische Abfälle ohne Halogene, die Universalindikatorlösung und die Eisen-(III)-chloridlösung in einen Kanister für flüssige organische Abfälle mit Halogenen entsorgt. Der Farbstoff rot (ungiftig) kann in den Ausguss geschüttet werden. by LD DIDACTIC GmbH Leyboldstraße 1 D-50354 Hürth Tel: +49-2233-604-0 Fax: +49-2233-604-222 E-Mail: info@ld-didactic.de www.ld-didactic.com Technische Änderungen vorbehalten