Einführung in die analytischen Methoden

Hannes Grobe, CC BY-SA 4.0, via Wikimedia Commons

Wow, schaue dir mal in Abbildung 1 an, wie unterschiedlich Feuerwerk sein kann. Es funkelt am dunklen Himmel nicht nur in unterschiedlichen Formen, sondern auch in unterschiedlichen Farben. Die Farben des Feuerwerks sind kein Zufall, sondern gezielt gewählt. Durch die Chemie wissen wir nämlich, welche Farben bestimmte chemische Elemente bei Wärmezufuhr als farbiges Licht abgeben.

Die Abgabe von buntem Licht kannst du dir als analytische Methode zu Nutze machen, wenn du ein Salz auf dessen Metall-Ionen testen möchtest. Wie das funktioniert und was dabei passiert, erklären wir dir in diesem Artikel.

Ziel: Elemente durch Flammenfarbe nachweisen

Wenn du Salze auf bestimmte Metalle oder Halbmetalle prüfst, wendest du die Flammenfärbung, auch Flammenprobe genannt, an. Dabei löst du das jeweilige Salz in einem Lösungsmittel und hältst mit einem Magnesiastäbchen ein wenig der Lösung in eine Brennerflamme. Dabei färbt sich die Farbe des Brenners in einer Farbe, mit der du auf ein bestimmte Metalle oder Halbmetalle schließen kannst. Das ist möglich, weil die Metalle und Halbmetalle immer Licht in einer bestimmten Farbe abgeben.

In Abbildung 2 ist eine ganze Farbpalette an Flammenfärbungen abgebildet. Die Chlorid-Salze verschiedener Elemente wurden in Methanol gelöst. Die Salz-Lösungen brennen auf Watte. Von links nach rechts sind bestimmte Elemente für die unterschiedlichen Farben verantwortlich:

Hegelrast, CC BY-SA 4.0, via Wikimedia Commons (cropped and altered from original)

Verwendung eines Kobaltglases

CC-BY-NC 4.0 / Joachim Herz Stiftung; Hanne Rautenstrauch

Achtung! Wie wir in Abbildung 3 zeigen, leuchtet die Flamme bei Natrium sehr stark gelb. Wenn in deiner Probe ein anderes Element, aber auch Natrium vorhanden ist, kann es sein, dass das gelbe Licht des Natriums das Licht des anderen Elements, das eine andere Farbe hat, übertönt. Du kannst ein blaues Kobaltglas zur Hilfe nehmen, indem du die Flamme durch dieses Glas betrachtest (Abb. 5). Das Kobaltglas filtert das gelbe Licht, sodass du andere Flammenfarben (z.B. blass violett des Kaliums) besser erkennen kannst.

Verwendung eines Spektroskops

Genauere Ergebnisse der Flammenprobe kannst du bekommen, wenn du ein Spektroskop verwendet. Das ist ein Gerät, durch das du die Brennerflamme betrachtest. Es zeigt dir die Wellenlänge des Lichtes, welches ausgestrahlt wird an. Dieses Verfahren erklären wir dir in dem Artikel zur Spektroskopie genauer.

Unterschiedliche Metalle und Halbmetalle nachweisen

Mit der Flammenfärbung kannst du nicht alle Elemente aus dem Periodensystem nachweisen, auch wenn alle Elemente Licht einer bestimmten Wellenlänge abgeben, wenn sie erhitzt werden. Für manche Elemente reicht die Temperatur der Brennerflamme nicht aus. Einige Elemente geben ein Licht ab, welches wir mit unserem Auge nicht wahrnehmen können. Bestimmte Strahlung, wie Infrarotstrahlung, können wir nicht sehen. Mit der Flammenfärbung kannst du besonders gut Alkalimetalle und Erdalkalimetalle nachweisen (Abb. 6). Weitere Elemente, die du mit der Flammenfärbung nachweisen kannst, sind Bor, Kupfer, Arsen, Antimon, Bleib, Zink, Selen, Indium, Europium, Thallium, Bor und Radium.

In Abbildung 6 geben wir nicht nur die Flammenfarbe an, sondern auch die Wellenlänge des Lichts, welches abgegeben wird. Die Wellenlänge gibst du in Nanometern \(\pu{nm}\) (\(\pu{1 nm = 0,000000001 m}\)). Was bei der Flammenfärbung auf Teilchenebene passiert und was das Ganze mit der Wellenlänge von Licht auf sich hat, erklären wir dir im nächsten Abschnitt.

Strahlungsenergie wird durch Elektronensprünge frei

Joachim Herz Stiftung

Die Elemente und deren Ionen geben bei Wärmezufuhr Licht in bestimmten Wellenlängen ab. Im Bereich von \(\pu{400 nm}\) bis \(\pu{780 nm}\) können wir das Licht mit dem Auge erkennen. Je nach Wellenlänge nehmen wir das Licht in unterschiedlichen Farben wahr (Abb. 7). Die Abgabe von Licht findet durch Energieumwandlung statt. Durch die Wärmezufuhr mithilfe des Brenners wird den Elementen Wärmeenergie hinzugefügt. Danach wird die Energie in Form von Strahlung wieder abgegeben. Dieser Wechsel findet in Bruchteilen von Sekunden statt.

Auf Teilchenebene werden die Außenelektronen eines Atoms durch die zugeführte Wärmeenergie in eine höhere bzw. weiter außen liegende Schale versetzt. Dadurch nehmen sie einen Zustand höherer Energie ein. Das Atom befindet sich jetzt in einem sogenannten angeregten Zustand. Dieser Zustand ist nicht stabil. Die Elektronen springen deshalb in die niedrigere Schale zurück und nehmen wieder einen Zustand niedriger Energie an. Dabei geben sie die freiwerdende Energie als Strahlungsenergie ab. Liegt die Strahlungsenergie im Bereich des sichtbaren Lichts, können wir die Strahlung als farbiges Licht wahrnehmen. Der Wechsel zwischen den verschiedenen energetischen Zuständen dauert nur den Bruchteil einer Sekunde. Physikalisch betrachtet werden bei der Abgabe von Strahlungsenergie Photonen abgegeben. Die Strahlungsenergie bzw. die Wellenlänge des Lichts hängt von der Differenz der energetischen Zustände der Elektronen ab. Für die Atome der verschiedenen Elemente ist diese Differenz unterschiedlich. Die Energiedifferenz bestimmt die Wellenlänge und damit die Farbe des ausgesendeten Lichts.