Spektralanalyse und Flammenfärbung
Wie die Atomemission Elemente qualitativ und quantitativ erfasst und wie man Alkali- und Erdalkalimetalle an ihrer Flammenfarbe erkennt, auch Kalium neben Natrium.
Das Wichtigste in Kürze
- Die Spektralanalyse ist ein emissionsspektroskopisches Verfahren, das Elemente qualitativ an der Wellenlänge ihrer Emissionslinien erkennt.
- Die AES ist qualitativ über die Linienlage und quantitativ über die Linienintensität einsetzbar.
- Alkali- und einige Erdalkalimetalle lassen sich schon in der Bunsenflamme anregen: Natrium gelb (589 nm), Kalium violett, Lithium karminrot, Calcium ziegelrot.
- Gelbe Flammenfärbung zeigt nur Natrium an, unabhängig vom Anion, und überdeckt die Kaliumfärbung.
- Kobaltglas absorbiert das Natriumgelb und macht die violette Kaliumfärbung sichtbar, ohne die Flamme selbst zu verändern.
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Worum es geht
Viele Metallionen verraten sich durch das Licht, das ihre Atome in einer heißen Flamme aussenden. Daraus entstehen ein einfacher Nachweis mit dem Auge und ein Messverfahren für Gehalte, etwa für Natrium und Kalium in Infusionslösungen.
Qualitative und quantitative AES
Die Atomemissionsspektroskopie (AES) nutzt das Licht thermisch angeregter Atome. Wie die Linien entstehen, erklärt die Seite Thermische Anregung von Atomen und Linienspektren. Für die Analytik zählen zwei Eigenschaften dieser Linien: ihre Lage und ihre Intensität.
Die Spektralanalyse zerlegt das emittierte Licht, etwa mit dem Handspektroskop, und ordnet die Linien nach ihrer Wellenlänge. Jedes Element hat ein eigenes Linienmuster wie einen Fingerabdruck. Die Spektralanalyse ist also ein emissionsspektroskopisches Verfahren und liefert qualitative Information: Welches Element ist da?
Misst man dagegen die Intensität einer Linie, wird die AES quantitativ. Die Helligkeit wächst mit der Zahl emittierender Atome und damit mit der Konzentration. Das nutzt die Flammenphotometrie, beschrieben unter quantitative Bestimmungen mit AES.
Die AES eignet sich für beide Zwecke: Die Wellenlänge identifiziert das Element, die Intensität bestimmt seinen Gehalt. Die Spektralanalyse im engeren Sinn ist ein Emissionsverfahren mit qualitativem Ergebnis.
Flammenfärbung
Die Flammenfärbung ist die einfachste Form der Atomemission. Alkalimetalle und einige Erdalkalimetalle haben so niedrige Anregungsenergien, dass schon die Bunsenbrennerflamme genügt. Das Auge sieht dann die Mischfarbe ihrer sichtbaren Linien. Als Vorprobe in der Kationenanalyse ist sie unter Flammenfärbung als Vorprobe beschrieben.
| Element | Flammenfarbe | Wichtige Linien |
|---|---|---|
| Natrium | gelb | 589 nm |
| Kalium | violett | 404 nm und 766 nm |
| Lithium | karminrot | 671 nm |
| Calcium | ziegelrot | Banden um 620 nm |
Die Natriumlinie bei 589 nm gehört allein dem Natrium. Kalium misst man an seinen eigenen Linien, etwa bei 766 nm. Weil die Atome emittieren, spielt das Anion keine Rolle. Gelb zeigt also nur Natrium an und unterscheidet Natriumchlorid nicht von Natriumcarbonat. Natriumgelb ist zudem sehr intensiv und überdeckt die schwache violette Kaliumfärbung schon bei Spuren von Natrium.
Kaliumnachweis mit Kobaltglas
Fast jede Probe enthält Spuren von Natrium. Will man Kalium sehen, muss das gelbe Licht weg. Dazu blickt man durch eine blaue Glasscheibe.
Kobaltglas ist ein mit Cobaltoxid blau gefärbtes Glas. Es absorbiert das gelbe Natriumlicht bei 589 nm und lässt die Kaliumstrahlung bei 404 und 766 nm durch.
Durch das Glas erscheint die Kaliumflamme violett bis rotviolett, auch wenn sie ohne Filter gelb wirkt. Das Glas sitzt zwischen Flamme und Auge und wirkt nur als optisches Filter. Flammentemperatur und Stabilität der Flamme bleiben deshalb unverändert.
Quiz
Aussage 1
Kobaltglas erhöht die Flammentemperatur und macht dadurch die violette Kaliumfärbung sichtbar.
Kobaltglas wirkt nur als Filter zwischen Flamme und Auge. Es absorbiert das gelbe Natriumlicht bei 589 nm, die Flamme bleibt unverändert.
Aussage 2
Eine gelbe Flammenfärbung erlaubt nicht, Natriumchlorid von Natriumcarbonat zu unterscheiden.
Die Färbung stammt von den Natriumatomen. Das Anion beeinflusst die Farbe nicht.
Aussage 3
Die Atomemissionsspektroskopie liefert nur qualitative Ergebnisse, für Gehaltsbestimmungen ist sie ungeeignet.
Die AES ist qualitativ über die Wellenlänge und quantitativ über die Linienintensität nutzbar, etwa in der Flammenphotometrie.
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