Chemie: Fotometrie mit Kaliumpermanganatlösung

Es gibt Gerä­te in der Che­mie­samm­lung, um die man als Leh­rer einen ehr­furchts­vol­len Bogen macht, z.B. eine Gas­mol­waa­ge. Für mich gehör­te lan­ge Zeit auch das sünd­haft teu­re Foto­me­ter mit dazu, wir besit­zen ein Nova­s­pec II mit seri­el­lem Anschluss. Dum­mer­wei­se steht in die­sem Jahr für den Schwer­punkt­kurs Che­mie auf erhöh­tem Niveau hier in Nie­der­sach­sen das Lam­bert-Beer­sche Gesetz auf dem Zet­tel, sodass man drei Alter­na­ti­ven hat:

1. Es als Refe­rat zu vergeben
2. Es theo­re­tisch durch­zu­kau­en – da gibt es im Netz her­vor­ra­gen­de Praktikumsberichte
3. In den sau­ren Apfel zu bei­ßen und es prak­tisch zu probieren

Ich habe mich mich für die drit­te Opti­on ent­schie­den, auch wenn damit die Ver­bind­li­che-Abitur-Vor­ga­ben-Macher es damit geschafft haben, Leh­rer­fort­bil­dung zum Null­ta­rif zu evozieren.

Ein Kol­le­ge ist am ver­gan­ge­nen Frei­tag extra län­ger geblie­ben, um mich in die Geheim­nis­se die­ses Geräts ein­zu­wei­hen. Glück­li­cher­wei­se lässt es sich kom­plett mit einem Lap­top fern­steu­ern – eine Lizenz für die Soft­ware AKAnalytik32.NET gibt es an der Schu­le auch. Mehr braucht es nicht.

Nach einer theo­re­ti­schen Ein­füh­rung der SuS in die Grund­la­gen der Foto­me­trie habe ich mich für die Unter­su­chung von Per­man­ganat­lö­sun­gen ent­schie­den und das aus meh­re­ren Gründen:

1. Wäss­ri­ge Redox­sys­te­me kann man sowie­so nicht genug üben
2. Kali­um­per­man­ga­nat lässt sich auch zur Gewäs­ser­ana­ly­se treff­lich ein­set­zen zur Bestim­mung des Anteil an oxi­dier­ba­ren Sub­stan­zen und unser Haup­the­ma ist die Gewäs­ser­ana­ly­se (didak­ti­sche Integration/Kombination möglich)
3. Per­man­ganat­lö­sung haben über eine recht brei­ten Spek­tral­be­reich eine brauch­bar hohe Extink­ti­on – da kann man nicht viel falsch machen
4. Auch sehr nied­rig­kon­zen­trier­te Lösun­gen c(KMnO₄) = 0,001mol/L haben schon satt Far­be, wor­an sich die Emp­find­lich­keit des Ver­fah­rens zei­gen lässt

Die Stun­de sah fol­gen­der­ma­ßen aus (das Prin­zip der Foto­me­trie war den SuS bereits bekannt):

Schritt 1: Auf­nah­me eines Voll­spek­trums zur Bestim­mung einer geeig­ne­ten Wel­len­län­ge für die Messung

Das ist mit der Kap­pen­berg-Soft­ware super­sim­pel. Das Spek­trum sah so aus:

Vor der Auf­nah­me des Spek­trum muss noch eine Basis­li­nie auf­ge­nom­men wer­den, da das Nova­s­pec II ein Ein­strahl­fo­to­me­ter ist – das fragt die Soft­ware aber auch von sich aus. Ab einer Wel­len­län­ge von 675nm absobiert die Lösung nicht mehr nen­nens­wert, wohl aber im Infra­rot­be­reich – das wäre auch noch­mal inter­es­sant. Die blaue Linie reprä­sen­tiert eine nied­rig­kon­zen­trier­te, die rote eine höher­kon­zen­trier­te Lösung. Die Ana­ly­se des Spek­trum ergab, dass die Pro­be­lö­sun­gen bei einer Wel­len­län­ge von ca. 527–529nm die größ­te Extink­ti­on auf­wei­sen, dort also der gerings­te Mess­feh­ler zu erwar­ten ist.

Die Auf­nah­me des Voll­spek­trums dau­ert recht lan­ge – da kann man treff­lich z.B. das Redox­sys­tem Kaliumpermanganat/Oxalsäure als Vor­be­rei­tung der Redox­ti­tra­ti­on von Ober­flä­chen­was­ser besprechen.

Schritt 2: Bestim­mung von ε_i

Das Lam­bert-Beer­sche Gesetz lautet:

E_λ = ε_i * c * d

Mit:

E_λ: Extink­ti­on bei Wel­len­län­ge Î»

ε_i: deka­di­scher, mola­rer Extink­ti­ons­ko­ef­fi­zi­ent bei der Wel­len­län­ge Î»

c: Kon­zen­tra­ti­on der Lösung in [mol/L]

d: Schicht­di­cke der Küvet­te in [cm]

Wenn also E_λ , c und d bekannt sind, lässt sich ε_i bestim­men, d.h. man misst eine Lösung bekann­ter Kon­zen­tra­ti­on. Eine Per­man­ganat­lö­sung von c = 0,001mol ergab bei  einer Schicht­di­cke von 1cm und der Wel­len­län­ge 527nm (Ach­tung: Die­ser Wert ist auf­grund der beschränk­ten Mög­lich­kei­ten in einer Schu­le mit Vor­sicht zu genie­ßen und taugt kei­nes­falls als „Lite­r­ar­tur­wert“, vgl. Kommentare).

E_527nm = 1,006  [dimen­si­ons­los]

<=> ε_i = 1006 [L/(mol*cm)]

Schritt 3: Bestim­mung der Kon­zen­tra­ti­on einer Per­man­ganat­lö­sung unbe­kann­ter Konzentration

Die Pro­be ergab eine Extink­ti­on von:

E_527nm = 1,66  [dimen­si­ons­los]

<=> c = 0,00165 mol/L

Eigent­lich:

… muss man für die Kon­zen­tra­tio­nen in dem Mess­be­reich noch eine Eich­kur­ve auf­neh­men, d.h. mit ver­schie­de­nen, bekann­ten Kon­zen­tra­tio­nen die Extink­ti­on gegen die Kon­zen­tra­ti­on auf­tra­gen. Nur in dem Bereich, in dem eine Regres­si­onsgera­de (Lam­bert-Beer beschreibt ja eine Pro­por­tio­na­li­tät) eine Güte von unge­fähr 0,95 hat, ist auch in der Schu­le die Anwen­dung die­ses Mess­ver­fah­rens zuläs­sig. Hier kann man aus der Stun­de also noch mehr her­aus­ho­len, etwa mit einer Ver­dün­nungs­rei­he. Das Lam­bert-Beer­sche Gesetz gilt nur bei hin­rei­chend ver­dünn­ten Lösun­gen. Bei Per­man­ga­nat in dem betrach­te­ten Kon­zen­tra­ti­ons­be­reich soll­te die Gül­tig­keit noch gege­ben sein – lie­ße sich jedoch auch schnell überprüfen.