Die Planeten unseres Sonnensystems sind so weit entfernt und doch wissen wir schon einiges über sie (Abb. 1). Auch wenn die Planeten Merkur, Venus, Mars, Jupiter, Saturn, Uranus, Neptun und der Zwergplanet Pluto schon von Raumsonden besucht wurden, gibt es immer noch viele Ziele (z.B. Monde) im Sonnensystem, die bis jetzt nur über weite Distanz beforscht werden konnten. Mithilfe von Raumsonden können direkt Material-Proben entnommen und analysiert werden.
Über eine weite Distanz können Forschende unter anderem die Spektroskopie anwenden. Mit speziellen Teleskopen wird das Licht, welches von den Himmelskörpern ausgeht, gesammelt und fokussiert. Dieses Licht wird durch ein Spektrum gerichtet, das das Licht in seine verschiedenen Farben bzw. Wellenlängen aufbricht. Über die Wellenlänge des Lichts kannst du dann auf bestimmte Atome oder Moleküle schließen.
In unserem Alltag wird die Spektroskopie als quantitatives Verfahren der analytischen Chemie in der Lebensmittelindustrie, Pharmazeutik und Medizin, Bio- und Umweltwissenschaften, Archäologie und Kunstgeschichte sowie Materialwissenschaften angewendet. In diesem Artikel erklären wir dir, was Spektroskopie ist, wie du sie durchführen kannst und was das Prinzip davon ist.
Wellenlängen, die durch Wechselwirkung entstehen, analysieren
Die Spektroskopie umfasst experimentelle Verfahren, bei denen du die Wechselwirkungen zwischen elektromagnetischer Strahlung und Stoffen untersuchst. Dabei beobachtest du, bei welcher Wellenlänge ein Stoff Licht abgibt, wenn er Energie aufnimmt.
Durchführung – Analyse von Lichtwellen
Bei der Spektroskopie wird entweder elektromagnetische Strahlung, Licht oder Wärme zu einem Stoff hinzugefügt, um eine Strahlung in Form von Licht von dem Stoff aus hervorzurufen. Meist werden die Analysen mit der elektromagnetischen Strahlung in Laboren mit speziellen Geräten durchgeführt. Von außen sehen die Geräte wie ein Kasten aus.
Du selber kannst beispielsweise Wärme zu einem Salz, welches unter anderem aus Metall- oder Halbmetall-Ionen besteht, mit einem Bunsenbrenner hinzufügen und dann ein Hand-Spektroskop verwenden (Abb. 2). Dabei führst du die Flammenfärbung durch, weswegen dieses Analyseverfahren auch Flammenfärbungs-Spektroskopie heißt.
Materialien
- Brenner
- Magnesiastäbchen
- Spektroskop
- Uhrglas
- Spatel
- Ggf. Mörser und Pistill
Chemikalien
- Probe
- Salzsäure-Lösung
Durchführung
- Zerkleinere deine Probe mit einem Mörser zu einem Pulver (Abb. 3.1)
- Gib eine Spatelspitze deiner Probe auf das Uhrglas und versetze die Probe mit ein paar Tropfen Salzsäure-Lösung (Abb. 3.2).
- Nimm mit einem Magnesiastäbchen ein wenig der gelösten Probe auf (Abb. 3.3) und halte die gelöste Probe mithilfe des Magnesiastäbchens in den heißen Teil der rauschenden Brennerflamme (Abb. 3.4).
- Halte mit der anderen das das Spektroskop, schaue hindurch und beobachte die Brennerflamme.
- Notiere dir, bei welchen Nanometern die Spektrallinien von dem Spektroskop erfasst werden.
Tipp: Führe das Experiment mehrmals durch, um alle Spektrallinien zu erfassen. Du kannst auch das Licht in der Umgebung minimieren, um besser die Farbe der Flamme zu beobachten.
Auswertung der Spektrallinien
Wenn du eine Flamme durch das Spektroskop beobachtet hast, dann konntest du im Spektroskop eine Skala sehen und farbige Striche auf der Skala. Diese Striche nennen wir Spektrallinien. Sie sind das Licht der Wellenlänge, die von den Metall- oder Halbmetall-Ionen deiner Probe emittiert wurden. Du hast dir die Werte der Wellenlänge in Nanometer \(\pu{nm}\) notiert und wertest deine Daten jetzt aus. In Abbildung 4 haben wir dir einige Beispiele von Spektren mit den Spektrallinien abgebildet, mit denen du deine Ergebnisse vergleichen kannst. Für genauere Vergleiche hilft dir auch die Tabelle in Abbildung 5.
Manchmal ist es schwierig, die Spektrallinien einem bestimmten Element zuzuordnen. Es kann nämlich vorkommen, dass du in deiner Probe mehrere Metalle oder Halbmetalle hattest, deren Spektrallinien abgebildet sind. Wenn du dir unsicher bist, hilft es mit anderen zu diskutieren und deine Ergebnisse zu interpretieren.
| Element | Farbe | Wellenlänge |
|---|---|---|
| Lithium | Rot | \(\pu{610 nm}\) und \(\pu{671 nm}\) |
| Natrium | Gelb | \(\pu{589 nm}\) |
| Kalium | Violett | \(\pu{768 nm}\) und \(\pu{404 nm}\) |
| Rubidium | Rot | \(\pu{780 nm}\) und \(\pu{421 nm}\) |
| Caesium | Blauviolett | \(\pu{458 nm}\) |
| Calcium | Rot | \(\pu{622 nm}\) und \(\pu{553 nm}\) |
| Strontium | Rot | \(\pu{675 nm}\) und \(\pu{606 nm}\) |
| Barium | Grün | \(\pu{524 nm}\) und \(\pu{514 nm}\) |
Elektronen wechseln Energie-Zustand
Joachim Herz Stiftung
Das Prinzip der Spektroskopie beruht auf der Wechselwirkung von Licht oder elektromagnetischer Strahlung mit Metallatomen oder Halbmetallatomen. Wenn Licht oder elektromagnetische Strahlung auf Metall- oder Halbmetallatome trifft, wird den Atomen Energie hinzugefügt (Abb. 6). Das führt dazu, dass Elektronen der äußeren Schale in einen angeregten Zustand übergehen. Dabei wechseln die Elektronen in eine weiter äußere Schale bzw. in einen Zustand höherer Energie. Bei dem Zurückfallen in die vorherige Schale und einen Zustand niedriger Energie wird Energie in Form von Licht frei. Dieses Licht wird in einer bestimmten Wellenlänge abgegeben. Diese kannst du mit deinem Spektroskop beobachten.
Aufgabe
Aufgabe
A) Werte das Spektrum in Abbildung 7 aus. Beschreibe dabei in welchen Bereichen und in welchen Farben die Spektrallinien abgebildet sind. Interpretiere dann, um welche Stoffe es sich bei der Flammenfärbung handeln kann.
B) Vergleiche dein Ergebnis mit der L\(\text{}\)ösung und reflektiere es.
Zusammenfassung
Bei der Spektroskopie betrachtest du durch ein Handspektroskop das Licht, dass Metall- oder Halbmetall-Ionen in Form einer farbigen Flamme abgeben. Du kannst aber auch ein Spektroskop verwenden, welches von außen wie ein Kasten aussieht und die Analyse automatisch durchführt. Das Spektroskop ist ein Analysegerät, welches dir anzeigt, in welcher Wellenlänge das Licht ist, welches von den Ionen abgegeben wird. Die Metall- oder Halbmetall-Ionen nehmen Energie (z.B. in Form von Wärme) auf. Dabei gehen die Außenelektronen in einen angeregten Zustand. Sie wechseln in Bruchteilen von Sekunden zwischen einem Zustand höherer Energie bzw. einer äußeren Schale und einem Zustand niedriger Energie bzw. einer niedrigeren Schale. Bei dem Zurückfallen wird Licht abgegeben.