Absorptionsspektren

Absorption

Die Frage, warum manche Stoffe farbig sind, kann man recht schnell beantworten: Wenn ein Stoff mit weißem Licht bestrahlt wird und dabei sichtbares Licht absorbiert, so erscheint er farbig.

Weißes Licht fällt auf ein Blatt. Das Chlorophyll in den Chloroplasten der Zellen absorbiert hauptsächlich rotes Licht. Daher bleibt grünes Licht übrig - die Komplementärfarbe von Rot.

Ein Blatt wird mit weißem Sonnenlicht bestrahlt. Die Chloroplasten des Blattes absorbieren hauptsächlich rotes Licht. Das rote Licht wird dem weißen Licht also "weggenommen". Das übrig gebliebene Licht ergibt für das menschliche Auge dann grünes Licht.

Weißes Licht - rotes Licht = grünes Licht

Subtrahiert man rotes Licht von weißem Licht, so bleibt die Komplementärfarbe übrig - nämlich grünes Licht. Blaubeeren dagegen erscheinen blau, weil sie vorwiegend gelbes Licht absorbieren: Weißes Licht - gelbes Licht = blaues Licht - so einfach ist das.

Additive und Subtraktive Farbmischung

Subtraktive Farbmischung

Betrachten Sie Ihren Tintenstrahldrucker oder einen Künstler bei der Arbeit. Wenn der Tintenstrahldrucker auf eine Stelle des Papiers gleichzeitig Gelb, Cyan und Magenta druckt, dann entsteht ein schwarzer Fleck. Allerdings ist dieser Fleck nicht so richtig schwarz. Daher hat ja jeder Tintenstrahldrucker auch noch eine Schwarzpatrone, damit er richtig schwarzes Schwarz drucken kann.

Wenn ein Maler kein Grün zur Verfügung hat, kann er Gelb und Blau mischen, um die Farbe Grün zu erhalten.

Additive Farbmischung:

Betrachten Sie nun Ihren Monitor mit einer starken Lupe. Sie sehen rote, blaue und grüne Pixel. Wenn alle drei Pixelsorten an einer Stelle des Bildschirms gleich stark leuchten, entsteht ein weißer Fleck. Mit dem klassischen Physik-Versuch kann man das gut demonstrieren:

Ein klassischer Versuch zur additiven Farbmischung

Interessant ist hier auch, wie die Farbe Gelb entsteht. Nämlich durch Mischung der Farben Rot und Grün.

Absorptionsspektroskopie

Wir sollten jetzt aber mal langsam daran denken, dass wir uns im Fach Chemie befinden und nicht im Fach Physik. In der Chemie beschäftigt man sich mit chemischen Reaktionen. Zur Aufklärung von Reaktionsmechanismen untersucht man oft die Kinetik von Reaktionen. Denken Sie nur an die nucleophile Substitution. Hier gibt es zwei verschiedene Mechanismen, den S_N1- und den S_N2-Mechanismus. Beim S_N1-Mechanismus ist der geschwindigkeitsbestimmende Schritt monomolekular, beim S_N2-Mechanismus dagegen bimolekular.

Um herauszubekommen, ob eine Reaktion mono- oder bimolekular abläuft, muss man die Reaktionsgeschwindigkeit der Umsetzung messen. Dazu ist es notwendig, in bestimmten Zeitabständen die Konzentration der Ausgangsstoffe oder Endprodukte zu ermitteln.

Bei bestimmten chemischen Reaktionen entstehen Farbänderungen. Bei der Umsetzung von Natronlauge mit einer Phenolphthalein-Lösung bildet sich zum Beispiel eine violette Farbe. Gibt man eine bestimmte Menge Phenolphthalein zu einer stark verdünnten Natronlauge, bildet sich eine schwache Violettfärbung. Nimmt man dagegen eine stark konzentrierte Lauge, entsteht eine intensive Violettfärbung.

Die Intensität der Farbe ist also ein Maß für die Konzentration der Natronlauge. Auf die gleiche Weise kann man eine Vielzahl anderer chemischer Reaktionen analysieren. Ein wichtiges Hilfsgerät für solche Untersuchungen ist das Spektrometer, das von einigen Leuten fälschlicherweise als Photometer bezeichnet wird. Das Grundprinzip dieses Gerätes wollen wir hier kennenlernen.

Mit Phenolphthalein versetzte Natronlauge absorbiert den größten Teil des eingestrahlten gelben Lichtes

Wenn man wissen will, wie stark eine Phenolphthalein-Lösung gelbes Licht absorbiert, so kann man das experimentell herausfinden. Das obige Bild zeigt das Grundprinzip dieses Verfahrens: Man bestrahlt eine Küvette mit einer Phenolphthalein-Lösung mit gelbem Licht bestimmter Intensität, z.B. 100 Einheiten. Mit einem Photometer wird dann gemessen, wie stark die Intensität des durchfallenden Lichts ist. In diesem Beispiel: 25 Einheiten. Man hat also eine Absorption von 75% und eine Transmission von 25% gemessen.

Mit diesem Verfahren kann man nicht nur feststellen, wie stark Licht einer bestimmten Wellenlänge von einem Stoff absorbiert wird, sondern mit Hilfe des LAMBERT-BEERschen Gesetzes kann man sogar die Konzentration des Farbstoffs berechnen.

Grundprinzip eines Absorptions-Spektrometers

Hier sieht man den grundsätzlichen Aufbau eines Spektrometers: Eine Lichtquelle strahlt weißes Licht aus, welches durch ein Prisma fällt. Das weiße Licht wird in ein Spektrum aufgefächert. Durch einen Spalt gelangt ein Abschnitt des Spektrums auf einen halb-durchlässigen Spiegel, der als Lichtteiler fungiert. Die Hälfte des Lichts fällt durch eine Vergleichsküvette mit dem Lösungsmittel, die andere Hälfte des Lichts geht durch eine Probenküvette mit dem im Lösungsmittel gelösten Farbstoff. Zwei Photozellen bzw. Photometer ermitteln die Intensität des jeweils durchfallenden Lichts. Ein Prozessor berechnet aus den Messwerten der beiden Photozellen und der Intensität des einfallenden Lichts die Absorption.

Ein Absorptionsspektren von Blattgrün-Extrakt

Das obige Photo entstand in der Chemiestunde am 4. November 2020, als ich mit meinen Schüler(innen) grüne Blätter untersucht haben. Die Blätter wurden in einem Mörser mit Seesand und Propan-2-ol zerrieben, der Extrakt wurde dann filtriert und in unserem Absorptions-Spektrometer untersucht. Angeschlossen war ein Laptop mit einem entsprechenden Programm, welches das Spektrum anzeigte. Das Bild oben wurde vom Bildschirm des Laptops abphotographiert.

Ein Blattgrün-Extrakt absorbiert hauptsächlich blaues und rotes Licht. Die Farbe des Blattgrüns ist eine Mischung aus den beiden Komplementärfarben Gelb und Grün.

Ein Absorptionsspektrum für eine Phenolphthalein-Lösung finden Sie auf der Webseite www.researchgate.net.