Photometrie

Allgemeines

Die Photometrie ist eine Methode, bei der die Konzentration von fein verteilten oder gelösten Stoffen durch Lichtmessung ermittelt wird.

	Absorptionsphotometrie
	Flammenphotometrie
	Atomabsorptionsphotometrie

Absorptionsphotometrie

Viele Stoffe verursachen eine Verfärbung der Flüssigkeit (meist Wasser) in der sie aufgelöst werden. Diese Verfärbung ist umso stärker je mehr Stoff aufgelöst wurde.
Stellen sie sich ein Cola-Getränk vor, es ist dunkelbraun. Wenn Sie es mit Wasser aufgießen wird es heller. Könnten Sie mit ihrem Auge Helligkeiten genau beurteilen, würden Sie genau wissen, wie stark das Cola-Getränk mit Wasser verdünnt wurde. Diese Aufgaben erledigt das Photometer.

Schema eines Absorptionsphotometers

Die Lichtquelle L liefert den Lichtstrahl, der Monochromator M macht aus dem weißen Licht ein Licht der Farbe, die für die Messung am geeignetsten ist. Die (violette) Flüssigkeit ist in der Küvette K (die Küvette ist eine kleines, eckiges Glasgefäß). Durch diese Flüssigkeit geht der Lichtstrahl durch und wird dabei schwächer. Je konzentrierter der violette Stoff in der Flüssigkeit desto schwächer wird der Lichtstrahl, desto mehr Licht hat der Stoff "geschluckt" (= absorbiert). Am Detektor D wird der eintreffende Lichtstrahl gemessen und angezeigt. So kann die Konzentration des Stoffes, der die violette Färbung der Flüssigkeit verursacht hat, gemessen werden.

Warum wir keinen violetten Lichtstrahl für eine violette Flüssigkeit verwenden. Nun, eine Flüssigkeit erscheint violett, weil sie violettes Licht am besten durchlässt. Wir wollen aber, dass der gelöste Stoff das Licht schluckt, denn die Abschwächung zeigt uns ja die Konzentration des Stoffes an. Wollen wir auch kleine Mengen des Stoffes erkennen, müssen wir ein Licht verwenden, das von dem Stoff sehr stark geschluckt wird, und das ist in diesem Fall grün.
Die violette Flüssigkeit stellt übrigens Kaliumpermanganat dar, ein manchmal zur Hautdesinfektion als Badezusatz verwendetes Salz. Sein Absorptionsmaximum ("Schluckmaximum") liegt bei 540nm, also bei grün.

Kleines Photometer. Rechts kann man nach Öffnen der Klappe die Küvetten hineinstellen.

Die Absorptionsphotometrie wird zwar nur mehr selten händisch durchgeführt, viele große Analysegeräte für chemische Laboruntersuchungen haben aber ein oder mehrere Photometer eingebaut.

Die Extinktion
Wie oben erklärt, messen Absorptionsphotometer, wie stark ein Lichtstrahl geschwächt wird, wenn er durch eine Flüssigkeit durchgeht. Als Ergebnis liefern die Photometer die sog. Extinktion. Diese vom Photometer berechnete Zahl ist das Maß für die Auslöschung des Lichtstrahls. Die Extinktion ist also indirekt ein Maß für die Menge des in der Flüssigkeit gelösten Stoffes, der den Lichtstrahl geschwächt hat.
Nur um mit der Zahl vertraut zu werden: 3 ist eine sehr hohe Extinktion ist (es ist kaum Licht durchgekommen, genauer gesagt nur ein Tausendstel). 0 ist die niedrigst mögliche Extinktion (es ist das ganze Licht durchgekommen).

Einschub: Wie und warum berechnet man die Extinktion?

Gehen wir zum Cola-Vergleich zurück. Angenommen wir gießen 1 ml (=Milliliter) Cola auf 10 ml mit Wasser auf. Und nehmen wir an, die 1 ml Cola im Wasser absorbieren (schlucken) die Hälfte des Lichts unseres Lichtstrahls. Dann ist die Durchlässigkeit 50 %, denn von unserem Licht sind nur mehr 50 % übrig geblieben. Gießen wir nicht 1 ml sondern 2 ml Cola auf 10 ml auf, dann bleiben von dem Licht nur 25 % übrig (der zusätzliche ml Cola halbiert die 50 % wiederum auf die Hälfte. Macht 25 %). Das ist so, das müssen Sie mir glauben (oder es ausprobieren). Wir sind also mit 2 ml Cola bereits bei Durchlässigkeit von nur mehr 25 %.
Gießen wir 3 ml Cola auf, dann gehen von den 25 % wieder die Hälfte verloren, und wir haben nur mehr 12.5 %. Die Durchlässigkeit ist also 12.5%. Und so weiter.
In einer Tabelle sieht das so aus

	Kein Cola	1 ml Cola	2 ml Cola	3 ml Cola	4 ml Cola
Wieviel Licht geht durch (Durchlässigkeit)	100 %	50 %*	25 %	12.5 %	6.25 %
*Das mit den 50% bei 1 ml Cola ist eine Annahme, das habe ich nicht ausprobiert. Spielt aber für das Prinzip keine Rolle.

Soweit einleuchtend. Je mehr Cola im Wasser, desto mehr Licht wird geschluckt, desto weniger geht durch. Und man könnte Photometer durchaus diese Zahlen als Ergebnis ausgeben lassen. Aber sehr anschaulich ist das nicht. Warum? Na ja, die Cola Konzentration ändert sich z.B. von 1 ml auf 4 ml, ist also vervierfacht, und die Durchlässigkeit ändert sich von 50 % auf 6.25 %. Hätten sie bei einer Änderung der Durchlässigkeit von 50 % auf 6.25 % sofort erkannt,dass es sich dabei um eine Vervierfachung der Cola-Menge handelt. Eher nicht - daher ist eine solche Angabe der Durchlässigkeit wenig anschaulich.
Aber es gibt eine mathematische Funktion, mit der man die Ergebnisse anschaulicher darstellen kann

Kein
Cola

1 ml
Cola

2 ml
Cola

3 ml
Cola

4 ml
Cola

Wieviel Licht geht durch
(Durchlässigkeit)

100 %

50 %

25 %

12.5 %

6.25 %

	1
log
	(Durchlässigkeit/100)

0.301

0.602

0.903

1.204

Lassen Sie sich nicht von der Formel abschrecken. Egal wie man zu der kommt oder wie oder was ein Logarithmus ist (rechnet sowieso der Computer). Das Entscheidende ist: Die berechneten Zahlen rechts sind jetzt viel anschaulicher geworden. 4 ml Cola haben jetzt genau die doppelte Zahl wie 2 ml Cola (1.204 gegen 0.602). Wir erkennen dadruch sofort: da ist dopplet so viel drinnen.
Und deswegen geben Absorptionsphotometer diese Zahl, genannt Extinktion (Auslöschung), als Ergebnis an.

Flammenphotometrie

Beim Flammenphotometer macht man sich die Eigenschaft zunutze, dass manche Atome, wenn man sie in einer Flamme erhitzt, Licht von ganz bestimmter Wellenlänge ausstrahlen. Da es dabei nicht auf das absorbierte ("geschluckte") Licht ankommt sondern auf das emittierte (ausgesandte) Licht, ist dies eine emissionsspektroskopische Untersuchung.

Schema eines Flammenphotometers

Die zu messende Probe, die in der weißen Flüssigkeit gelöst ist, befindet sich in dem Gefäß P. Sie wird über das Ansaugrohr in den Zerstäuber Z gebracht und von diesem in die Flamme F geleitet. In der Flamme werden die Atome angeregt und strahlen Licht aus. Die Flamme verfärbt sich. Mit dem Monochromator wählt man genau das Licht, das man messen will. Beispiel Kalium: Kalium wird in der Flamme violett aufleuchten, viele andere Atome strahlen aber auch. Man stellt dem Monochromator auf die Wellenlänge von Kalium ein. Der Monochromator lässt dann nur das vom Kalium stammende, violette Licht durch. Das am Detektor D gemessene Licht entspricht damit der Kaliumkonzentration in der Probe.


Natrium gelb-orange	Kalium violett	Calcium ziegelrot	Barium braun-grün	Strontium u. Lithium rötlich

Die Flammenphotometrie war lange Zeit Standardmethode zur Messung vieler Elektrolyte (Natrium, Kalium, Lithium,..). Durch einfachere Methoden ist sie aber in den letzten Jahren aus den Routinelabors verdrängt worden.

Atomabsorptionsphotometrie

Auch bei der Atomabsorptionsphotometrie werden Stoffe in eine Flamme gebracht, aber nicht damit sie selbst Licht aussenden sondern um sie einerseits aus ihren chemischen Verbindungen zu befreien und sie andererseits in einen Zustand zu bringen in dem sie Licht von ganz bestimmter Wellenlänge absorbieren (schlucken) können.
Genau dieses Licht führt man dann zu und misst, wie stark es bei dem Durchtritt durch den erhitzten Stoff in der Flamme geschwächt wird.
Mit dieser doch recht aufwändigen Methode lassen sich viele Stoffe sehr genau bestimmen. In die Routine hat die Methode nie Eingang gefunden.