Einsatz zum Modellversuch Massen- Spektrometrie

mit je 10 Kunststoff-, Aluminium- und Stahlkugeln

von Prof. J. Mauch und Prof. Dr. P. Menzel

Der Versuch zeigt wesentliche Funktionen eines Massenspektrometers mit einfachen, aber schlüssigen Modellvorstellungen:

Im Massenspektrometer werden die Partikel (Atome, Moleküle) ionisiert, die positiv geladenen Ionen in einem elektrischen Feld beschleunigt und dann durch senkrecht zur Flugbahn wirkende Magnetfelder oder elektrische Felder abgelenkt. Bei gleicher Ionenladung erfolgt dadurch eine Auftrennung nach der Masse. Am Detektor wird die Auftrennung registriert.

Im Modellversuch werden gleichgroße Kunststoff-, Aluminium- und Stahlkugeln verwendet, die Ablenkung erfolgt mit dem Luftstrom eines Föns, der reguliert werden kann. Da die Oberfläche der Kugeln gleichgroß ist, erfolgt die Auftrennung eindeutig nach der Masse. Ohne Luftstrom laufen alle Kugeln in ein Feld, wird der Luftstrom verändert, kann auch die Auftrennung verändert werden (wie im Massenspektrometer durch Verändern der Spannung).

Sollen die entsprechenden Vorgänge und Bauteile eines Massenspektrometers dem Modell gegenübergestellt werden, kann mit wasserlöslichem Folienschreiber direkt auf den Plexiglaseinsatz geschrieben werden.

Massenspektrometrie im Unterricht: Bei der Behandlung der quantitativen Grundgesetze im einführenden Chemieunterricht spielt die Atommasse eine wichtige Rolle. Ihre Bestimmung durch Massenspektrometrie ist dabei eine tragfähige experimentelle Grundlage, weshalb diese Methode in den meisten Chemiebüchern schematisch dargestellt wird. Problematisch ist allerdings, daß hierzu kein einfacher Schulversuch zur Verfügung steht. Daneben führt die Kompliziertheit des Verfahrens bei Schülern häufig zu Verständnisschwierigkeiten. Der beschriebene Modellversuch soll hier Anschauungshilfe leisten

Ausgangspunkt eines möglichen methodischen Weges ist die (durch Schüler geäußerte) Hypothese, daß die Atome verschiedener Elemente verschiedene Massen besitzen. Ein Gedankenexperiment beschäftigt sich dann mit der Trennung eines Gemisches, das aus drei Kugelsorten mit gleichem Volumen aber verschiedener Masse besteht. Der Modellversuch zeigt eine einfache Lösung dieses Problems. Mit Hilfe einer schematischen Skizze kann nun das Prinzip der Massenspektrometrie erläutert werden.