Atomabsorptionsspektroskopie (AAS)

Atomabsorptionsspektroskopie (AAS) Übung

• Beschreibe den Aufbau eines Atomabsorptionsspektrometers.

  Tipps

  Das gezeigte AAS ist ein Flammen-Atomabsorptionsspektrometer.

  Lösung

  Die Atomabsorptionssepektroskopie ist ein analytisches Verfahren in der Chemie, um eine qualitative oder eine quantitative Analyse vieler Elemente (Halbmetalle, Metalle) in wässrigen Lösungen oder Feststoffen durchzuführen.

  Von der Lichtquelle (Linienstrahler) wird Licht einer bestimmten Wellenlänge und Intensität (monochromatisches Licht) ausgesendet. Im Strahlengang befindet sich eine Atomisierungseinheit. Zuerst werden die Moleküle zerstäubt (Verkleinerung der Atomoberfläche) und danach erfolgt in einer Gasflamme (Ethin-/Luft-Gemisch) die Atomisierung. Von den Atomen wird Licht absorbiert, wobei die Intensität verringert wird. Nachdem das Licht durch den Monochromator geschickt wurde, kann die Intensität der eingestrahlten Wellenlänge des Detektors analysiert werden. Mithilfe eines Computerprogramms erfolgt die Auftragung der Intensität gegenüber der Wellenlänge oder Frequenz ($\nu$).

• Erkläre die Funktion einzelner Bauteile im Atomabsorptionsmessgerät.

  Tipps

  Ein Monochromator wird z.B. auch bei der UV-/Vis-Spektroskopie verwendet, wenn nur bei einer bestimmten Wellenlänge vermessen werden soll.

  Lösung

  Die Atomabsorptionsspektroskopie ist ein analytisches Verfahren in der Chemie, um eine qualitative oder eine quantitative Analyse vieler Elemente (Halbmetalle, Metalle) in wässrigen Lösungen oder Feststoffen durchzuführen.

  Von der Lichtquelle (Linienstrahler) wird Licht einer bestimmten Wellenlänge und Intensität (monochromatisches Licht) ausgesendet. Dabei muss die Intensität ($I_0$) konstant sein, wobei die Wellenlänge regelbar ist. Im Strahlengang befindet sich eine Atomisierungseinheit. Zuerst werden die Moleküle zerstäubt. Im Zerstäuber wird die Moleküloberfläche vergrößert, indem die großen Teilchen in kleine Teilchen zerlegt werden. Danach erfolgt in einer Gasflamme (Ethin-/Luft-Gemisch) die Atomisierung. Von den so erzeugten Atomen wird Licht absorbiert, wobei die Intensität verringert wird. Nachdem das Licht durch den Monochromator geschickt wurde, der nur eine Wellenlänge zum Detektor durchlässt und damit einen Schutz bietet, kann die Intensität der eingestrahlten Wellenlänge vom Detektor (Sekundärelektronenvervielfacher) analysiert werden und durch ein Computerprogramm erfolgt die Auswertung über das Lambert-Beersche-Gesetz .

• Berechne die Konzentration an Chrom über die Lichtintensität.

  Tipps

  Lösung

  Zur quantitativen Analyse über die Atomabsorptionsspektroskopie müssen der molare Extinktionskoeffizient ($\epsilon_{\lambda}$) und die Küvettenlänge ($d$) konstant sein. Da durch die Flamme diese beiden Größen nicht bestimmbar sind, wurde bei unterschiedlichen, bekannten Konzentrationen an Chrom die Intensitätsänderung gemessen. Aus diesen Werten kann die Kalibrierkurve erstellt werden.

  Die Kalibrierkurve unterliegt einer linearen Funktion der Form: $f(x) = m\cdot x$. Der Funktionswert ist die Konzentration und der Abszissenwert ist $E_{\lambda}$.

  Die Berechnung von $E_{\lambda}$ erfolgt über die Intensitäten:

  • $E_{\lambda} = lg\left( \frac{I_0}{I} \right) = lg\left( \frac{10,2 \cdot 10^{-20} \frac{W}{m^2}}{5,2 \cdot 10^{-20} \frac{W}{m^2}} \right) \equiv 0,29$

  Die Gerätekonstante ist unabhängig von der Intensität und der Konzentration für alle Messsysteme gleich groß. Die einzige konstante Größe ist die Gerätekonstante k.

  • $k = \frac{c}{E_{\lambda}} = \frac{1}{\epsilon_{\lambda} \cdot d} = 1034,52$

  Die Konzentration vom Chrom ist der Funktionswert an der Stelle $E_{\lambda} = 0,29$

  • $c(0,29) = 1034,52 \frac{mol}{cm^3} \cdot 0,29 = 300,01 \frac{mol}{cm^3} \equiv 0,30 \frac{mol}{l}$

• Erkläre die Ursache der Flammenfärbung.

  Tipps

  Absorptionsspektrum

  Dem Licht kann je nach durchgeführten Experiment ein Wellen- oder Teilchencharakter zugeschrieben werden. Die Absorption ist ein Beispiel für den Teilchencharakter (Lichtquanten = Photonen).

  Lösung

  Das Absorptionslinienspektrum (siehe Abbildung) ist ein elektromagnetisches Spektrum, das dunkle Spektrallinien enthält. Es entsteht, wenn weißes Licht (alle Wellenlängen aus dem UV und sichtbaren Bereich) Materie durchstrahlt (atomisierte Metalle) und dabei Photonen bestimmter Energie (bestimmter Wellenlänge) absorbiert werden. Die absorbierten Lichtquanten fehlen im durchtretenden Licht (schwarze Linie).

  Wird monochromatisches Licht durch eine atomisierte Probe gestrahlt, so wird die Energie dieser Photonen absorbiert. Je nach Menge der Teilchen pro Volumen (Konzentration) ändert sich die Intensität unterschiedlich stark, deswegen dient die AAS zur quantitativen Analyse.

• Nenne die Untersuchungsgegenstände der Flammen-AAS.

  Tipps

  Zum Beispiel Silicium kann über die AAS quantitativ und qualitativ untersucht werden.

  Lösung

  Die Atomabsorptionssepektroskopie ist ein analytisches Verfahren in der Chemie, um eine qualitative oder quantitative Analyse vieler Elemente (Halbmetalle, Metalle) in wässrigen Lösungen oder Feststoffen durchzuführen.

• Wende das Lambert-Beersche Gesetz in folgendem Beispiel an.

  Tipps

  Lösung

  Das Lambert-Beersche Gesetz ist Grundlage der Absorptiometrie. Damit gilt es für alle optischen Methoden der analytischen Chemie, die auf der Messung der Absorption von Strahlung im ultravioletten und sichtbaren Bereich des Spektrums beruhen (UV/Vis-Spektroskopie, AAS, etc.).

  Beim AAS von Nickelchlorid wird die Verbindung durch die Flammen in die Atome zerlegt (1000°C), die grünes Licht absorbieren. Deswegen ändert sich die eingestrahlte Intensität beim Durchqueren durch die Probe. Nickelchlorid kann als farbiges Salz auch über UV/Vis sehr schnell quantitativ bestimmt werden, dazu wird bei einer Wellenlänge gemessen, in der die Substanz absorbiert (grün). Das Gerät gibt die verringerte Strahlungsintensität in Form der berechneten Extinktion (Absorption) aus.

  Mithilfe der Extinktion kann die Konzentration der Probe berechnet werden:

  • $c = \frac{E_{\lambda}}{\epsilon_{\lambda} \cdot d} = \frac{1,04~mol~\cdot ~cm}{9740~l} = 1,07 \cdot 10^{-4} \frac{mol}{l}$

  Aus der Verdünnungsreihe ergibt sich für die vermessene Konzentration ($c_2$) in Abhängigkeit von der Gesamtstoffmenge ($n_G$):

  • $c_1 = \frac{n_G}{0,1~l}$
  • $c_2 = \frac{n_G}{(10 \cdot 100)\cdot 10^{-3} l} = 1,07 \cdot 10^{-4} mol$

  Aus dieser Stoffmenge kann nun die Masse berechnet werden:

  • $m(CoCl_2) = n_G \cdot M(CoCl_2) = 1,07 \cdot 10^{-4} mol \cdot 129,8 \frac{g}{mol} = 0,014 g \equiv 13,9~mg$