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 εi

Das Lam­bert-Beer­sche Gesetz lau­tet:

Eλ = εi * c * d

Mit:

Eλ: Extink­ti­on bei Wel­len­län­ge λ

εi: deka­di­scher, mola­rer Extink­ti­ons­ko­ef­fi­zi­ent bei der Wel­len­län­ge λ

c: Kon­zen­tra­ti­on der Lösung in [mol/L]

d: Schicht­di­cke der Küvet­te in [cm]

Wenn also Eλ , c und d bekannt sind, lässt sich εi 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).

E527nm = 1,006  [dimen­si­ons­los]

<=> εi = 1006 [L/(mol*cm)]

Schritt 3: Bestim­mung der Kon­zen­tra­ti­on einer Per­man­ga­nat­lö­sung unbe­kann­ter Kon­zen­tra­ti­on

Die Pro­be ergab eine Extink­ti­on von:

E527nm = 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.

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4 Kommentare

  • rainer

    hal­lo maik,

    vom ak kap­pen­berg gibt’s ja auch tauch­pho­to­me­ter. ich weiß jetzt gera­de nicht, wie teu­er die sind, doch sie stel­len womög­lich eine gute alter­na­ti­ve dar. hier­aus erge­ben sich auch wei­te­re anwen­dungs­mög­lich­kei­ten.

    schö­nen gruß auch
    rai­ner

  • Hal­lo Rai­ner,

    Hab’ ich mir gera­de ange­se­hen. Für foto­me­tri­sche Titra­tio­nen oder die foto­me­trisch indi­zier­te End­punkt­be­stim­mung (rosa oder nicht rosa?) könn­te das sehr inter­es­sant sein — jedoch nur mit dem exter­nen Sen­sor — alles ande­re geht mit dem Novaspec II ja auch…
    Auf jeden Fall wer­de ich das zukünf­tig auch für die Kine­tik ein­set­zen, z.B. Geschwin­dig­keits­ge­set­ze (Iodie­rung von Ace­ton, Ent­fär­bung von Kris­tall­vio­lett usw.).

  • Reichert

    Hal­lo,
    ich betreue Phy­sik­prak­ti­ka für Neben­fäch­ler an der Uni und einer der Ver­su­che ist, den Extik­ti­ons­ko­ef­fi­zi­en­ten von Kali­um­per­man­ga­nat (ver­dünn­te Lösung) bei 525nm zu bestim­men. Die Ver­suchs­er­geb­nis­se lie­gen regel­mä­ßig in einem Bereich von etwa 2200 l/mol*cm, mitt­ler­wei­le wohl hun­der­te Male bei vier ver­schie­de­nen Auf­bau­ten. Eini­ge mei­ner Prak­ti­kan­ten haben den von Ihnen ermit­tel­ten Wert als Lite­ra­tur­wert ange­ge­ben, dar­um bin ich auf die­se Sei­te auf­merk­sam gewor­den. Ist es mög­lich, dass ihnen bei der Mes­sung ein Feh­ler unter­lau­fen ist?

  • @Reichert
    Hm — 2200 L/mol*cm — ich habe den lei­sen Ver­dacht, dass ich die Schicht­di­cke der Küvet­ten noch ein­mal über­prü­fen soll­te — bei 0,5cm hät­te ich enen Extink­ti­ons­ko­ef­fi­zi­en­ten von 2012 L/mol*cm — 10% darf man in der Schu­le schon neben der Uni­ver­si­tät lie­gen…

    Davon los­ge­löst:
    Bestel­len Sie bit­te Ihren Stu­dis einen schö­nen Gruß von mir — Wer­te über­nimmt man dann doch bes­ser aus aner­kann­ten Nach­schla­ge­wer­ken denn aus dem Inter­net.

    Vie­len Dank für den Hin­weis!

    Maik Riecken

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