Select your language

Suggested languages for you:
Log In Anmelden
StudySmarter - Die all-in-one Lernapp.
4.8 • +11k Ratings
Mehr als 5 Millionen Downloads
Free
|
|

Die All-in-one Lernapp:

  • Karteikarten
  • NotizenNotes
  • ErklärungenExplanations
  • Lernpläne
  • Übungen
App nutzen

Photometrie

Save Speichern
Print Drucken
Edit Bearbeiten
Melde dich an und nutze alle Funktionen. Jetzt anmelden
Chemie

Photometrie bezeichnet sämtliche Messverfahren, die mit einem Photometer ablaufen und sich dem sichtbaren Licht bedienen. Photometrie wird eingesetzt, um quantitative Messungen an Lösungen oder anderen Farbstoffen durchzuführen. Die gängigste Methode ist hierbei die Messung über die Transmission, also den Durchgang des Lichtes durch das optische Medium. Es sind aber auch Messungen über Reflexion möglich, also die Spiegelung des Lichtes, die eher bei festen Oberflächen gebraucht werden.

Photometrie – Aufbau eines Photometers

In der folgenden Abbildung siehst du den Aufbau eines Photometers:

Photometrie Aufbau Photometer StudySmarterAbbildung 1: Schematische Darstellung eines Photometers

Lass uns die Abbildung einmal gemeinsam von links nach rechts durchgehen:

Lichtquelle

Links befindet sich eine Lichtquelle, die beispielsweise eine Glühbirne sein kann. Aus einer Glühbirne und den meisten anderen Lichtquellen kommt (warm-)weißes Licht. Weißes Licht ist polychromatisch ("vielfarbig"), da es aus vielen unterschiedlichen Wellenlängen mit unterschiedlichen Farben, die für uns insgesamt weiß wirken, besteht. Die einfachste Möglichkeit, um zu sehen, dass das Licht polychromatisch ist, ist mit einem Prisma das Licht zu brechen. Wenn du ein Spektrum siehst, das Licht also in viele unterschiedliche Farben aufspaltet, hast du gerade polychromatisches Licht vor dir.

Monochromator

Das Problematische an dem polychromatischen Licht ist, dass es für unsere Messung noch nutzlos ist. Jede Probe absorbiert Licht bei unterschiedlichen Wellenlängen. So kann weder die absorbierte Wellenlänge noch die Menge des absorbierten Lichtes gemessen werden. Daher wird ein Monochromator vor die Probe geschaltet, der gezielt eine Wellenlänge des Lichtes durchlässt. Die Wellenlänge, die durchgelassen wird, kann hierbei zuvor eingestellt werden.

Es gibt unterschiedliche Monochromatoren. Der einfachste besteht aus dem bereits oben erwähnten Prisma. Stell dir vor, du hältst dein Prisma vor die Lichtquelle und siehst, wie sich das Licht aufspaltet. Nun musst du nur mit einer Blende alle anderen Lichtstrahlen abblocken, damit nur die von dir gewünschte Wellenlänge hindurchkommt. Schon hast du monochromatisches ("einfarbiges") Licht!

Probe

Das Licht geht nun mit einer gewissen Anfangsintensität I0 durch die Probe hindurch. Diese befindet sich in einer sogenannten Küvette. Für die Probe gibt es aber zunächst einige Anforderungen:

  1. Die Lösung muss mit der Probe homogen sein: sie sollte klar und nicht milchig sein. Ansonsten würde das Licht an den feinen Partikeln der Probe streuen, so wie das polychromatisches Licht an einem Prisma und die Messung würde so verfälscht werden.
  2. Die Probe sollte Licht bei der gemessenen Wellenlänge absorbieren.
  3. Die Konzentration sollte gering sein, da bei hohen Konzentrationen das Lambert-Beer'sche Gesetz nicht mehr gilt.

Nun geht das Licht durch die Probe hindurch, verliert an Intensität und besitzt daher nur noch die Intensität I.

Detektor

Das Licht mit der Intensität I wird nun von dem Detektor aufgefangen, der eine Messung der Intensität durchführt. Aus der dem Photometer bekannten Anfangsintensität und der Intensität nach der Transmission durch die Lösung mit der Probe berechnet das Photometer den Wert für die Extinktion.

Kurz zusammengefasst

  • Photometrie bezeichnet sämtliche lichtbasierte Messverfahren, die mit einem Photometer ablaufen.
  • Ein Photometer hat immer denselben Aufbau:
    1. Lichtquelle
    2. Monochromator
    3. Probe in Küvette
    4. Detektor

Photometrie – Extinktion als zentraler Wert

Was ist nun also Extinktion?

Die Extinktion ist der dekadische Logarithmus des Verhältnisses der Anfangsintensität und der Intensität nach Probendurchgang.

Als Formel sieht dies wie folgt aus:

Photometrie Formel der Extinktion StudySmarter

Du darfst die Extinktion nicht mit der Absorption verwechseln, denn die Extinktion umfasst alle lichtschwächenden Ereignisse.

Folgende lichtschwächenden Ereignisse können in deiner Probe auftreten:

  • Die Absorption der Wellenlänge durch die Moleküle der Probe in der Lösung,
  • die Brechung von Licht in einer inhomogenen, milchigen Lösung an den Partikeln der Probe,
  • die Reflexion an der Flüssigkeitsoberfläche oder der Küvette.

Um die Absorption daher spezifisch messen zu können, musst du folgende Dinge beachten:

  • Deine Probe sollte gut gelöst sein: Es sollten keine Partikel mehr herumschwirren, die deine Probe milchig oder inhomogen machen.
  • Du solltest eine Kalibriermessung mit der Küvette und deinem Lösungsmittel durchführen. Das heißt, dass du dein Lösungsmittel (meistens Wasser) und die Küvette in das Photometer stellst und auf Kalibrieren drückst.
  • Das Photometer misst nun erneut die Extinktion. Da aber kein Farbstoff vorliegt, wird nur die Reflexion an dem Wasser und an der Küvette gemessen, die in nachfolgenden Messungen von der Extinktion abgezogen wird.

Hast du diese Schritte befolgt, misst du erfolgreich mit der Extinktion auch ausschließlich die Absorption.

Photometrie – Lambert-Beer'sches Gesetz

Doch was kannst du mit der Extinktion nun anstellen? Hier kommt auch schon das Lambert-Beer'sche Gesetz zu Hilfe. Dieses stellt die Extinktion nun in Verbindung zu unserem Stoff, dessen Konzentration und der Schichtdicke des optischen Mediums dar.

Das Lambert-Beer'sche Gesetz besagt, dass die Extinktion bei einer bestimmten Wellenlänge gleich dem molaren, dekadischen Extinktionskoeffizienten ε, (spezifische Konstante für eine Wellenlänge λ und einen Stoff) mal der Konzentration c der Probe in der Lösung, mal der Schichtdicke des optischen Mediums ist.

Die Schichtdicke ist sozusagen die Breite der Küvette, die in der Regel auf 1 cm genormt ist.

Die Formel für das Lambert-Beer'sche Gesetz :

Photometrie Lambert-Beer'sche Gesetz StudySmarter

Links steht die Definition der Extinktion über den dekadischen Logarithmus des Intensitätenverhältnisses. Rechts siehst du das Lambert-Beer'sche Gesetz.

Bleibt nun also die Schichtdicke konstant, sowie der molare, dekadische Extinktionskoeffizient, so gibt es hier eine lineare Funktion. Diese Gerade steigt mit steigender Konzentration der Probe in der Lösung.

Wichtig: Lambert-Beer'sche Gesetz gilt nur bei kleinen Konzentrationen des Farbstoffes. Es gibt so gesehen eine Obergrenze für die Extinktion. Stell dir dies so vor: Deine Lösung ist schwarz, es kommt also kein Licht mehr durch. Gibst du mehr Farbstoff hinzu, steigt zwar die Konzentration, aber noch schwarzer kann die Lösung nicht mehr werden.

Aufnehmen eines Spektrums mit einem Photometer

In der Regel reicht es zur Konzentrationsbestimmung eines Analyten in der Probe die Extinktion oder die Absorption der Lösung zu messen. Möchte man aber seinen Analyten genauer charakterisieren, kann es sein, dass man ein Spektrum aufnehmen muss.

In der Regel wird hierfür bei jeder Wellenlänge einzeln die Extinktion bei festgelegter Konzentration und Schichtdicke gemessen. Da du aber nicht an deinem Photometer stehen möchtest, jede Wellenlänge einzeln zuerst kalibrieren und dann messen möchtest, werden heutzutage moderne Spektrometer verwendet, die diese Aufgabe für dich übernehmen.

Sobald von Spektren die Rede ist, befinden wir uns übrigens nicht mehr in der einfachen Photometrie, sondern schon in der Spektroskopie oder genauer gesagt, der UV/VIS-Spektroskopie. Der Name rührt daher, dass diese Spektren vom UV- bis zum sichtbaren (visible) Bereich des Lichtes aufgenommen werden.

Der UV-Bereich befindet sich bei Wellenlängen von 100 bis 380 nm und der sichtbare Bereich bei Wellenlängen von 380 bis 780 nm.

Anwendungsbeispiel der Photometrie für das Lambert-Beer'sche Gesetz

Stell dir vor, du hast eine Lösung mit unbekannter Konzentration eines dir bekannten Analyten, den wir nun Lernstoff nennen. Du siehst, dass die Lösung mit Lernstoff rot aussieht und aus dem StudySmarter Kapitel über Farbstoffe weißt du vielleicht auch schon, dass Stoffe immer in der Komplementärfarbe zur absorbierten Farbe erscheinen.

Du nimmst dir einen mit Wellenlängen beschrifteten Farbkreis zur Hand und siehst, dass die Komplementärfarbe zu dem von dir gesehenen Rot, blaugrün ist und entscheidest dich daher, mehrere Messungen mit von dir angesetzten Proben mit Lernstoff bei unterschiedlicher Konzentration bei einer Wellenlänge von 640 nm durchzuführen.

Die Messung war ein voller Erfolg, du hast fünf Messungen durchgeführt und so folgende Wertetabelle erhalten:

Konzentration von Lernstoff in mol / l
Extinktion
0,1
0,09
0,3
0,27
0,6
0,54
0,8
0,72
1,0
0,9

Probiere nun einmal ein Diagramm aus diesen Werten zu zeichnen. Schreibe auf die x-Achse dabei die Konzentration. Es bietet sich an, hier in 0,1er-Schritten zu gehen. Auf der y-Achse solltest du die Extinktion auftragen, die übrigens keine Einheit besitzt.

Photometrie Anwendung Messung der Extinktion StudySmarterAbbildung 2: Beispieldiagramm zur Extinktionsmessung

So sollte dein Diagramm in etwa aussehen. Nun misst du zuletzt deine Probe mit unbekannter Konzentration an Lernstoff. Hierfür erhältst du eine Extinktion von 0,7. Die Konzentration der Probe kannst du einfach aus dem Diagramm ablesen, wenn du auf der y-Achse auf der Höhe der Extinktion 0,7 bis zur Geraden gehst. Von dort gehst du an die x-Achse und liest den dortigen Wert ab. Fertig? Hier müsstest du ungefähr 0,78 mol / l für die Konzentration der Probe herausbekommen und so einfach kann es gehen!

Übrigens, den molaren, dekadischen Extinktionskoeffizienten erhältst du hier aus der Steigung, beachte aber, diese noch durch deine Schichtdicke von 1 cm zu teilen!

Photometrie - Das Wichtigste

  • Photometrie bezeichnet sämtliche lichtbasierte Messverfahren, die mit einem Photometer ablaufen.

  • Ein Photometer hat immer denselben Aufbau:

    1. Lichtquelle

    2. Monochromator

    3. Probe in Küvette

    4. Detektor.

  • Das Lambert-Beersche Gesetz lautet gemeinsam mit der Definition für die Extinktion: Photometrie Lambert Beersches Gesetz StudySmarter

  • Die Extinktion umfasst alle lichtschwächenden Ereignisse:

    • Absorption

    • Reflexion

    • Brechung des Lichtes an kleinsten Partikeln.

  • Das sichtbare Licht liegt im Bereich von 380 bis 780 nm.

  • Das UV-Licht liegt im Bereich von 100 bis 380 nm.

  • Nimmt man Spektren auf, spricht man nicht mehr von Photometrie, sondern von UV/VIS-Spektroskopie.

Photometrie

Bei der Photometrie wird polychromatisches Licht aus einer Lichtquelle ausgesandt. Dieses Licht wird durch einen Monochromator geschickt, sodass nur eine einzelne Wellenlänge gemessen wird. Dieses nun monochromatische Licht durchläuft die Probe und verliert daher einen Teil seiner Intensität. Ein Maß für das Verhältnis der Intensität vor und nach Durchlauf der Probe bietet die Extinktion, die ebenfalls von der Konzentration des Stoffes in der Probe und der Schichtdicke des optischen Mediums abhängt.

Bei der Photometrie wird die Extinktion gemessen, die den dekadischen Logarithmus von dem Verhältnis aus der Anfangsintensität eines Lichtstrahls und der Intensität nach Durchlauf der Probe beschreibt. Es gilt also: .

Alle Stoffe können photometrisch bestimmt werden, solange sie bei einer Wellenlänge im sichtbaren Bereich absorbieren. Optisch würden diese Stoffe also alle farbig erscheinen. Sie können organisch, aber auch anorganisch sein.

Der Photometrie liegt das Prinzip zugrunde, dass jeder Farbstoff spezifisch bei einer bestimmten Wellenlänge abhängig von der Konzentration und der Schichtdicke absorbiert. Dieser Zusammenhang wird im Lambert-Beer'schen Gesetz beschrieben, dass wie folgt lautet: .

Finales Photometrie Quiz

Frage

Was ist Photometrie?

Antwort anzeigen

Antwort

Photometrie bezeichnet sämtliche lichtbasierte Messverfahren, die mit einem Photometer ablaufen.

Frage anzeigen

Frage

Wie sieht der Aufbau eines Photometers schematisch aus?

Antwort anzeigen

Antwort

Frage anzeigen

Frage

Warum wird ein Monochromator in einem Photometer verbaut?

Antwort anzeigen

Antwort

Damit aus der polychromatischen Lichtquelle eine einzelne Wellenlänge isoliert werden kann und somit genaue Messungen durchgeführt werden können, wie viel von der Wellenlänge von dem Stoff absorbiert wird.

Frage anzeigen

Frage

Wie ist die Extinktion definiert?

Antwort anzeigen

Antwort


Frage anzeigen

Frage

Welche lichtschwächenden Ereignisse können in einem Photometer auftreten?

Antwort anzeigen

Antwort

  • Die Absorption der Wellenlänge durch die Moleküle der Probe in der Lösung
  • Die Brechung von Licht in einer inhomogenen, milchigen Lösung an den Partikeln der Probe
  • Die Reflexion an der Flüssigkeitsoberfläche oder der Küvette
Frage anzeigen

Frage

Wie lautet das Lambert-Beersche Gesetz?

Antwort anzeigen

Antwort


Frage anzeigen

Frage

In welchem Wellenbereich befindet sich sichtbares Licht?

Antwort anzeigen

Antwort

Bei 380 bis 780 nm 


Frage anzeigen

Frage

In welchem Wellenbereich befindet sich UV-Licht?

Antwort anzeigen

Antwort

Im Bereich 100 bis 380 nm.

Frage anzeigen

Frage

In welcher Farbe erscheint ein Farbstoff im Bezug auf die absorbierte Wellenlänge?

Antwort anzeigen

Antwort

Der Farbstoff erscheint in Farbe der Komplementärfarbe zu der Farbe der absorbierten Wellenlänge.

Frage anzeigen

Frage

Wann spricht man von Spektroskopie?

Antwort anzeigen

Antwort

Wenn ganze (Absorptions-)Spektren gemessen werden.

Frage anzeigen

Frage

Welche ist die gängigste Messmethode in Photometern?

Antwort anzeigen

Antwort

Die Messung über die Transmission eines Lichtstrahls durch die Probe.

Frage anzeigen

Frage

Welche Voraussetzungen sind für eine erfolgreiche photometrische Messung an die Probe gestellt?

Antwort anzeigen

Antwort


  1. Eine homogene Lösung
  2. Tatsächliche Absorption bei der gemessenen Wellenlänge.
  3. Geringe Konzentrationen
Frage anzeigen

Frage

Aus welchen Komponenten besteht ein klassisches Photometer?

Antwort anzeigen

Antwort

  1. Lichtquelle
  2. Monochromator
  3. Probe in Küvette
  4. Detektor
Frage anzeigen

Frage

Welche der folgenden Aussagen trifft auf die Extinktion zu?

Antwort anzeigen

Antwort

Die Extinktion ist ein Maß für alle lichtschwächenden Ereignisse bei der Transmission des Lichtes durch die Probe.

Frage anzeigen

Frage

Welche Dinge müssen beachtet werden damit die Absorption gemessen wird

Antwort anzeigen

Antwort

  1. Die Probe muss homogen und klar sein.
  2. Das Photometer muss zuvor mit dem Lösungsmittel kalibriert werden.
Frage anzeigen
60%

der Nutzer schaffen das Photometrie Quiz nicht! Kannst du es schaffen?

Quiz starten

Finde passende Lernmaterialien für deine Fächer

Alles was du für deinen Lernerfolg brauchst - in einer App!

Lernplan

Sei rechtzeitig vorbereitet für deine Prüfungen.

Quizzes

Teste dein Wissen mit spielerischen Quizzes.

Karteikarten

Erstelle und finde Karteikarten in Rekordzeit.

Notizen

Erstelle die schönsten Notizen schneller als je zuvor.

Lern-Sets

Hab all deine Lermaterialien an einem Ort.

Dokumente

Lade unzählige Dokumente hoch und habe sie immer dabei.

Lern Statistiken

Kenne deine Schwächen und Stärken.

Wöchentliche

Ziele Setze dir individuelle Ziele und sammle Punkte.

Smart Reminders

Nie wieder prokrastinieren mit unseren Lernerinnerungen.

Trophäen

Sammle Punkte und erreiche neue Levels beim Lernen.

Magic Marker

Lass dir Karteikarten automatisch erstellen.

Smartes Formatieren

Erstelle die schönsten Lernmaterialien mit unseren Vorlagen.

Melde dich an für Notizen & Bearbeitung. 100% for free.