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Konzentrationsbestimmung mit Hilfe eines Smartphones oder Tablets (Fotometrie)

Abbildung 1: Schematischer Aufbau eines Fotometers.

Die Umsetzung im Unterricht

Die Durchführung der Unterrichtseinheit eignet sich im Themengebiet der Farbstoffchemie oder der Reaktionskinetik. Wichtig bei der Umsetzung ist eine schrittweise Heranführung an die Thematik. Zuerst erarbeiten sich die Lernenden den theoretischen Hintergrund und bearbeiten eine Übungsaufgabe, bevor die praktische Durchführung folgt.

  1. Im ersten Schritt setzen sich die Lernenden mit dem LAMBERT-BEERsches Gesetz auseinander.
  2. Im zweiten Schritt wird der Fokus auf den dekadischen molaren Extinktionskoeffizienten gelegt. Dabei lernen die Schülerinnen und Schüler, wie mit Hilfe einer Verdünnungsreihe und der anschließenden graphischen Auswertung der molare Extinktionskoeffizient bestimmt werden kann.
  3. Im dritten Schritt folgt der Versuch zur Bestimmung einer unbekannten Stärkelösung. Für Hilfestellungen während der Durchführung und der Auswertung stehen den Lernenden Online-Hilfen zur Verfügung.
  4. Im letzten Schritt folgt die Auswertung der photometrischen Messung. Zu diesem Zweck erhalten die Lernenden eine Vorlage einer Excel- oder Numbers-Tabelle, in der die errechneten Extinktionswerte eingetragen werden müssen. Über die Steigung der Trendlinie lässt sich der molare Extinktionskoeffizient ermitteln. Im Anschluss kann die Konzentration der unbekannten Stärkelösung bestimmt werden.

Hinweise zur photometrischen Messung und der Verwendung der App

Die Unterrichtseinheit wurde bereits in verschiedenen Kursen getestet. Es hat sich herausgestellt, dass zur Messung der Lösungen bestimmte Bedingungen von Vorteil sein können.

  • Zur Herstellung der Verdünnungsreihe eigenen sich TC-Platten mit jeweils sechs Wells sehr gut.
  • Bei der Messung der Extinktion sollte möglichst wenig Streulicht vorhanden sein. Dies kann durch Abdunkeln des Raums erreicht werden.
  • Die TC-Platte sollte auf einer gleichmäßig ausgeleuchteten Lichtquelle platziert werden. Dies kann ein Tageslichtprojektor sein oder wie in diesem Beispiel ein Tablet, dass eine weiße Fläche anzeigt. Die Helligkeit des Tablets darf während der Messung nicht verändert werden.
  • Die verwendete App misst nicht die Lichtintensität, sondern Farbwerte (RGB) zwischen 0 und 255. Für die Messung einer Stärkelösung sollte die Veränderung des Rotwertes gemessen werden. Aus der Veränderung der Farbwerte lässt sich ebenfalls die Extinktion berechnen.

Hinweise zum Ansetzen der Stärkelösung vor dem Experiment

Das Ansetzen der Stärkelösung sollte vor dem Versuch von der Lehrkraft durchgeführt werden. Dabei gibt es folgende Punkte zu beachten:

  • Verwenden Sie lösliche Stärke.
  • Für sechs Gruppen sollte eine Lösung mit einem Volumen von 200 mL hergestellt werden. Dafür sind 32,4 Gramm Stärke in 200 mL Wasser aufzulösen. Damit sich die Stärke vollständig in Wasser lösen kann, muss die Lösung über einem Bunsenbrenner erhitzt werden, bis eine fast klare Flüssigkeit erkennbar ist. Lassen Sie die Stärkelösung nun auf Raumtemperatur abkühlen.
  • Tropfen Sie Iod-Kaliumiodidlösung hinzu, bis die Stärkelösung kräftig blau erscheint.
  • Entnehmen Sie aus der hergestellten Stärkelösung 30 mL in ein weiteres Becherglas und füllen Sie mit 20 mL Wasser auf. Bei dieser hergestellten Lösung handelt es sich um eine Stärkelösung mit unbekannter Konzentration. Auf diese Weise erhalten Sie eine Konzentration von 0,6 mol/L, die von den Schülerinnen und Schülern im Versuch bestimmen sollen.
  • Die restliche Stärkelösung kann auf die Gruppen zur Herstellung einer Verdünnungsreihe aufgeteilt werden.