Kolorimetrie und Photometrie einfach erklärt: Grundlagen

Stell dir vor, du mischst dir ein Glas Himbeersirup mit Wasser. Ohne die Flasche zu wiegen oder den Sirup abzumessen, weißt du sofort, ob das Getränk stark oder schwach schmecken wird. Wie? Du schaust dir einfach die Farbe an!

Je dunkler das Rot, desto mehr Sirup ist im Wasser. Genau dieses einfache Prinzip nutzen Chemiker, um herauszufinden, wie viel von einem bestimmten Stoff in einer Lösung enthalten ist. In dieser Lektion lernst du die Grundlagen der Kolorimetrie und Photometrie kennen, wie man Konzentrationen durch einfachen visuellen Farbvergleich abschätzt und wie man sie mit modernen Hightech-Geräten durch Lichtstrahlen ganz exakt misst.

Vorwissen

• Weißes Licht: Besteht aus allen Farben des sichtbaren Spektrums (Regenbogenfarben). Beispiel: Wenn Sonnenlicht durch ein Prisma fällt, fächert es sich in alle Farben auf.
• Komplementärfarben: Farben, die sich im Farbkreis gegenüberliegen. Wenn ein Stoff eine bestimmte Farbe aus dem weißen Licht „verschluckt“ (absorbiert), sehen wir die übrig gebliebene Komplementärfarbe. Beispiel: Eine Lösung sieht gelb aus, weil sie das blaue Licht aus dem weißen Lichtstrahl absorbiert.

Aufgabentyp 1: Grundlagen und Messwellenlänge bestimmen

Die Kolorimetrie ist ein sogenanntes semiquantitatives Analyseverfahren. Das Wort „semi“ bedeutet „halb“. Das heißt: Wir bekommen keine absolut exakte Zahl, aber eine sehr gute Schätzung der Konzentration.

Das Prinzip ist einfach: Die zu untersuchende Substanz wird mit einer Chemikalie gemischt, sodass eine spezifische Reaktion stattfindet, die ein farbiges Produkt erzeugt. Je mehr von der gesuchten Substanz vorhanden ist, desto intensiver wird die Farbe.

Um die Konzentration nun herauszufinden, vergleicht man die Farbintensität der Lösung (oder eines Teststreifens) einfach mit dem Auge mit einer standardisierten Farbskala. Ein typisches Beispiel aus dem Alltag ist der pH-Test für das Wasser im Schwimmbad oder im Aquarium.

Während die Kolorimetrie nur schätzt, ist die Photometrie ein quantitatives Verfahren. Das bedeutet, sie liefert uns exakte Zahlenwerte. Anstatt das menschliche Auge zu benutzen, messen wir mit einem Gerät, wie viel Licht von der farbigen Lösung „verschluckt“ (absorbiert) wird.

Farbstoffmoleküle absorbieren Photonen (Lichtteilchen) einer ganz bestimmten Energie. Wie du aus dem Vorwissen weißt, absorbieren sie meistens das Licht ihrer Komplementärfarbe.

Bevor wir jedoch die Konzentration messen können, müssen wir wissen, welche Lichtfarbe die Moleküle am liebsten verschlucken. Dafür nimmt man im ersten Schritt ein Absorptionsspektrum auf.

Dieses Spektrum zeigt uns, bei welcher Wellenlänge die Lösung das meiste Licht absorbiert. Dieser höchste Punkt heißt Absorptionsmaximum. Wenn wir unser Gerät später genau auf diese eine Wellenlänge einstellen, wird unsere Messung am genauesten und empfindlichsten.

Das Gerät, das diese photometrischen Messungen durchführt, nennt man Spektrophotometer. Um zu verstehen, wie es funktioniert, folgen wir einfach dem Weg des Lichts durch das Gerät:

1. Strahlungsquelle (Lampe): Sie erzeugt das anfängliche weiße Licht.
2. Monochromator: Weißes Licht besteht aus vielen Farben. Der Monochromator (oft ein optisches Gitter oder Prisma) spaltet das Licht auf und lässt nur eine einzige, von uns eingestellte Wellenlänge hindurch. Dieses einfarbige Licht nennt man monochromatisches Licht.
3. Küvette: Das ist ein kleines, meist eckiges Glasgefäß, in dem sich unsere farbige Probenlösung befindet. Das Licht muss durch diese Lösung hindurch. Die Strecke, die das Licht durch die Flüssigkeit zurücklegt, nennt man Schichtdicke (meistens genau $1 \text{ cm}$).
4. Detektor: Dieses Bauteil (z. B. eine Photozelle) sitzt ganz am Ende und misst, wie viel Licht noch ankommt, nachdem es die Lösung passiert hat.

Wie viel Licht in der Küvette absorbiert wird, hängt von genau drei Faktoren ab:

• Der Art der Teilchen (welcher Farbstoff ist in der Lösung?).
• Der Konzentration (wie viele Teilchen schwimmen in der Lösung?).
• Der Schichtdicke (wie lang ist der Weg des Lichts durch die Lösung?).

Schritt-für-Schritt-Anleitung

Bevor du eine photometrische Messung startest, musst du den Monochromator auf die richtige Wellenlänge einstellen. So gehst du vor:

1. Betrachte die Lösung mit dem Auge und bestimme ihre sichtbare Farbe.
2. Nutze den Farbkreis, um die gegenüberliegende Farbe (Komplementärfarbe) zu finden. Das ist die Farbe, die von der Lösung absorbiert wird.
3. Stelle das Spektrophotometer auf die Wellenlänge ein, die genau dieser Komplementärfarbe entspricht (das Absorptionsmaximum).

Durchgerechnete Beispiele

Wichtige Erkenntnisse

• Kolorimetrie: Eine semiquantitative Methode. Man schätzt die Konzentration durch visuellen Farbvergleich mit einer Skala.
• Photometrie: Eine quantitative Methode. Man misst exakt, wie viel Licht einer bestimmten Wellenlänge von der Lösung absorbiert wird.
• Absorptionsspektrum: Wird zuerst aufgenommen, um die optimale Wellenlänge (das Absorptionsmaximum) für die Messung zu finden.
• Spektrophotometer-Aufbau: Lampe $\to$ Monochromator $\to$ Küvette (Probe) $\to$ Detektor.
• Die Lichtabsorption hängt von der Teilchenart, der Konzentration und der Schichtdicke der Küvette ab.