Absorptionsspektren aufnehmen und vergleichen

Ziel

Im Spektrenmodus wird die Absorbanz einer farbigen Lösung über einen Wellenlängenbereich aufgenommen. Die Kurve wächst sichtbar von niedrigen zu hohen Wellenlängen. Parallel zeigt das schematische Photometer die aktuelle Lichtfarbe und ihre Abschwächung.

Verfügbare Lösungen

Lösung	Farbe	charakteristischer Bereich	Standard-Messwellenlänge
Kaliumpermanganat	violett	strukturiertes Hauptband um 525 nm	525 nm
Kupfer(II)-sulfat	hellblau	breites schwaches Band bis in den nahen IR-Bereich	750 nm
Tetraamminkupfer(II)	tiefblau	breites Band um 620 nm	620 nm
Eisen(III)-thiocyanat	rot bis orange-rot	Band um 447 nm	447 nm
Brillantblau FCF	intensiv blau	Hauptband um 629 nm, Nebenband im violetten Bereich	630 nm
Fast Green FCF	intensiv grün	Banden um 423 und 622 nm	622 nm

Modellhinweis

Die Bandenlagen orientieren sich an publizierten Werten. Peakbreiten und Intensitäten sind für die schulische Visualisierung parametrisiert.

Ein erstes Spektrum aufnehmen

1. Spektrum öffnen.
2. Kaliumpermanganat wählen.
3. Standardkonzentration und Schichtdicke zunächst unverändert lassen.
4. Beobachtungsmodus für die Scan-Geschwindigkeit wählen.
5. Spektrum scannen anklicken.
6. Farbänderung des Lichtstrahls und Abschwächung beobachten.
7. Lage und Form des Maximums beschreiben.
8. Messwellenlänge auf das Maximum setzen.

Scan-Geschwindigkeit

Es stehen zwei Geschwindigkeiten zur Verfügung:

• Normal: etwa fünf Sekunden,
• Beobachtungsmodus: etwa acht Sekunden.

Der Beobachtungsmodus eignet sich für die gemeinsame Projektion und die erste Auseinandersetzung mit Lichtfarbe und Absorption.

Konzentration und Schichtdicke variieren

Die App erlaubt eine direkte Prüfung des Lambert-Beer-Gesetzes.

Konzentration

• Konzentration verdoppeln,
• erneut scannen,
• Höhe der Kurve vergleichen,
• Lage der Maxima prüfen.

Schichtdicke

• Konzentration zurücksetzen,
• Schichtdicke verdoppeln,
• erneut scannen,
• Kurvenhöhe vergleichen.

Erwartung im idealen Bereich:

• Absorbanz steigt proportional,
• charakteristische Bandenlage bleibt gleich.

Spektren speichern und überlagern

Bis zu drei Spektren können gespeichert werden. Sinnvolle Vergleiche:

• ein Stoff bei drei Konzentrationen,
• Kaliumpermanganat und Eisen(III)-thiocyanat,
• Kupfer(II)-Aquoion und Tetraamminkupfer(II),
• Brillantblau und Fast Green.

Didaktisch ergiebige Stoffvergleiche

Kupfer(II)-Aquoion und Tetraamminkupfer(II)

Beide Lösungen enthalten Kupfer(II), besitzen aber unterschiedliche Ligandenumgebungen. Die deutliche Änderung von Farbe und Spektrum zeigt, dass die absorbierenden Eigenschaften nicht nur vom Metallion abhängen.

Leitfragen:

• Warum unterscheiden sich die Banden trotz gleichem Zentralion?
• Welcher Spektralbereich wird bevorzugt absorbiert?
• Wie hängt die beobachtete Farbe mit dem Spektrum zusammen?

Brillantblau und Fast Green

Beide sind intensive synthetische Farbstoffe. Fast Green zeigt zwei sichtbare Banden und lässt den grünen Bereich relativ gut passieren.

Permanganat und Eisen(III)-thiocyanat

Die violette und die rot-orange Lösung absorbieren in unterschiedlichen Bereichen. Dieser Vergleich eignet sich gut zur Einführung komplementärer Farbeindrücke.

Messwellenlänge auswählen

Nach dem Scan kann eine Messwellenlänge markiert werden. Die App zeigt den zugehörigen Absorbanzwert und stellt denselben Punkt im Geräteschema dar.

Leitfragen:

• Liegt die gewählte Wellenlänge am Maximum?
• Wie stark ändert sich \(A\), wenn die Wellenlänge leicht verschoben wird?
• Ist der Messwert für eine Eichkurve zu klein oder zu groß?

Beobachtungsaufträge

Basis

• Bestimme \(\lambda_\text{max}\).
• Beschreibe die Lösungsfarbe.
• Nenne den bevorzugt absorbierten Spektralbereich.
• Vergleiche zwei Konzentrationen.

Vertiefung

• Vergleiche Bandenbreite und Bandenform.
• Begründe die Wahl einer Messwellenlänge.
• Erkläre, warum Fast Green grün erscheint.
• Vergleiche zwei Kupfer(II)-Systeme.

Typische Fehlvorstellungen

Nicht verwechseln

• Die Farbe des Lichtstrahls entspricht der eingestellten Wellenlänge.
• Die Farbe der Lösung entspricht dem resultierenden Farbeindruck.
• Ein Absorptionsmaximum liegt häufig gerade nicht im Farbbereich, in dem die Lösung erscheint.

Grenzen

• Die App zeigt nur den sichtbaren und teilweise angrenzenden Bereich.
• Lösungsmittel- und Temperaturabhängigkeiten werden nicht vollständig modelliert.
• Chemische Gleichgewichte sind bei den statischen Stoffen als feste Bedingungen vorgegeben.
• Trübung und Streuung werden im Spektrenmodus nicht als eigener Versuchsparameter behandelt.