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Praktikumsversuch Säure-Base-Gleichgewicht

Säure-Base-Gleichgewicht - Grundlagen - Das elektromagnetische Spektrum

Optische Methoden wie zum Beispiel die Photometrie beruhen auf der Wechselwirkung von elektromagnetischer Strahlung (Wellenstrahlung) und Materie. Sie werden häufig zur qualitativen und quantitativen Analyse herangezogen, seltener zur Ermittlung von Molekül- oder Atomeigenschaften. Licht kann sowohl als Welle als auch als Strom von Partikeln (Photonen) aufgefasst werden (Welle-Teilchen-Dualismus).

Man unterscheidet grundsätzlich zwischen elastischer und inelastischer Wechselwirkung zwischen Photonen und Molekülen. Bei der elastischen Wechselwirkung bleibt der Energiegehalt des eingestrahlten Lichts beim Durchlaufen der Probe erhalten (Streuung, Beugung, Brechung) während bei inelastischer Wechselwirkung Energie von der Strahlung an die Probe abgegeben wird. Diese Energieabsorption durch die Probe kann einerseits als Dämpfung der Welle, d.h. als Abschwächung der Amplitude (im Wellenbild), oder als Abnahme der Photonendichte im Lichtstrahl (im Partikelbild) betrachtet werden. Im UV/Vis-Absorptionsbereich wird die aufgenommene Energie zur Anregung von Elektronen in höhere Energiezustände benutzt. Die von den Molekülen aufgenommene Energie wird i.A. als Wärme an die Umgebung abgegeben, kann aber auch als Licht bei anderen Wellenlängen wieder ausgesandt werden (Phosphoreszenz und Fluoreszenz) oder zu chemischen Reaktionen genutzt werden (Photochemie, Photovoltaik).

Abb.1
Elektromagnetisches Spektrum

Das elektromagnetische Spektrum erstreckt sich von Radiowellen bis zu den energiereichen Gammastrahlen. Die klassischen optischen Methoden sind mit der Absorption und Emission von sichtbarem (Wellenlänge: ca. 400 bis 800nm) bzw. ultraviolettem (190 bis 400nm) Licht verbunden. Zwischen der Wellenlänge λ , der Frequenz ν und der Lichtgeschwindigkeit c im Vakuum besteht folgende Beziehung:

ν λ = c

Für die Energie einer elektromagnetischen Welle gilt:

E = h ν

mit dem Planck'schen Wirkungsquantum h = 6,626068961034 J s .

Als Wellenzahl σ bezeichnet man den Kehrwert der Wellenlänge im Vakuum:

σ = 1 λ = υ c = ν ˜

UV/Vis-Absorptionsmethoden

UV/Vis-Absorptionsmethoden beruhen auf der Schwächung eines Lichtstrahls durch Elektronenanregung in Molekülen oder Atomen. Bei der Absorption von sichtbarem oder ultraviolettem Licht durch Moleküle oder Komplexe werden schwach gebundene Elektronen (also nichtbindende Elektronen, π -Bindungselektronenpaare bzw. d-Elektronen) angeregt. Von Photometrie spricht man, wenn aus der Absorption der Probe quantitative Daten ermittelt werden. Meist wird statt weißem Licht nur eine bestimmte spektrale Wellenlänge verwendet. Aus dem Spektrum einer Kontinuumslichtquelle werden durch Filter, Prismen oder Gitter einzelne Wellenlängen ausgewählt. Dieses sogenannte Nutzlicht tritt durch die Küvette mit der Probe und wird je nach Absorptionsvermögen des Stoffes mehr oder weniger geschwächt. Das Absorptionsvermögen eines Stoffes ist durch den stoffspezifischen Extinktionskoeffizienten ε r gegeben. Er ist abhängig von der Wellenlänge des eingestrahlten Lichts.

Das Lambert-Beer'sche-Gesetz

Das Lambert-Beer'sche-Gesetz stellt einen linearen Zusammenhang zwischen der gemessenen Extinktion E λ und der Konzentration c her. Die Extinktion ist dabei der Logarithmus des Verhältnisses aus eingestrahlter Ausgangsintensität I0 und der nach der Probe gemessenen Intensität I des Lichtstrahls.

E λ = lg I 0 ( λ ) I ( λ ) = lg 1 T ( λ , c ) = ε λ c d

mit d der Schichtdicke und T der Transmission (optische Durchlässigkeit).

Herleitung des Lambert-Beer'schen Gesetzes

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