Das Video kommt von YouTube: erst beim Abspielen verbindet sich die Seite mit YouTube (Google).
Wie funktioniert das mit der Farbigkeit genau? - Beispielaufgabe
Das Wichtigste aus dem Video
Tipp auf eine Zeit – das Video springt genau dorthin.
Transkriptautomatisch erstellt · 126 Zeilen
- Moin Leute, wie funktioniert das eigentlich mit der Farbigkeit? So ganz im konkreten, also was passiert mit dem
- Licht, das auf einen Stoff fällt und woher kommt dann urplötzlich die Farbe? Ihr wollt die Antwort? Dann mal auf in
- die Erklärung. Wie der ganze Prozess der Farbigkeit so im konkreten funktioniert, schauen wir
- uns mal an einem ausgewählten Beispiel an. Bevor wir allerdings dazu kommen, gibt's erst den kleinen Abstecher zur
- Überprüfung der chemischen Voraussetzungen der Farbstoffe. Die sind nämlich das A und O bei der ganzen
- Sache. Denn nur wenn in einem Molekül ein konjugiertes Pi- Elektronensystem vorliegt, kann Farbe entstehen. Zum
- Überprüfen eines Moleküls ist es eigentlich am einfachsten, wenn ihr mit einer kleinen Checkliste arbeitet, weil
- nur wenn alle chemischen Voraussetzungen eines Stoffes gegeben sind, können die Farbspiele beginnen. Im ersten Schritt
- gucken wir jetzt erstmal, ob es überhaupt Pi- Elektronen gibt. Wir hatten ja gelernt, Elektronen, die an Pi
- Bindungen beteiligt sind, nennt man Pi- Elektron. Und solche Pi Bindungen sind Teil von Doppel und Dreifach Bindungen.
- Gibt's also Doppel oder dreifach Bindungen in eurem Molekül? Das ist einfach zu checken. Dann kommt im
- zweiten Schritt dazu, sind diese Pi Elektronen auch delokalisiert? Das sind sie, wenn die Doppelbindungen konjugiert
- sind. Heißt, liegt zwischen zwei Doppelbindungen immer eine Einfachbindung? Den Schritt könnte man
- fast als Grundvoraussetzung zur Überprüfung sehen, aber bei Ringsystemen gibt's da noch eine Ausnahme. Die
- sollten Aromaten sein, damit sie als Farbstoffe taugen. Dafür muss hier die Anzahl der Pi Elektronen auch den
- Anforderungen der Hückelregel gerecht werden. Jetzt denkt ihr sicher, hä, was sollt ihr machen? Aber kein Problem, wir
- haben für euch jetzt zwei Beispiele parat und gehen alles Schritt für Schritt durch. Hier habt ihr jetzt
- beispielsweise das 13 Buta und eure Aufgabe ist es zu checken, ob in dem Molekül ein konjugiertes Elektronssystem
- ist. Dafür schauen wir mal, gibt es Pi- Elektron? Wenn es Doppelbindungen gibt, gibt es die und da haben wir welche von.
- Sind die Pi Elektronen jetzt delokalisiert? Das sind sie bei konjugierten Doppelbindungen. Und wo
- liegen die Doppelbindungen? Die sind hier rot markiert. Und zack, dazwischen liegt eine Einfachbindung. Die ist hier
- schick gelb gekennzeichnet. Aus dieser Erkenntnis, dass zwischen zwei Doppelbindungen eine Einfachbindung
- liegt, schließen wir nun, dass es sich wirklich um ein konjugiertes System handelt. Da das 13 Buta Die kein Ring
- ist, müssen wir auch nicht die Hückelregel anwenden. Also konjugiertes System mit delokalisierten Pi-
- Elektronen gecheckt. Diese beweglichen Pi Elektronen können dann von eintreffenden Strahlen des Sonnenlichts
- angeregt werden. Theoretisch sind also die grundlegenden Voraussetzungen für Farbigkeit erfüllt. Das heißt aber hier
- noch lange nicht, dass wir das Buta farbig sehen. Es ist nämlich für uns farblos. Warum das so ist, dazu kommen
- wir später, um die Spannung zu steigern. So, um jetzt auch ein Beispiel für ein Ringsystem zu haben, schauen wir uns am
- besten mal das typische Beispielmolekül Benzol an. Das schicke Molekül ist euch sicherlich schon aus dem Unterricht oder
- aus unseren Videos bekannt. Bei dem neuen Molekül müssen wir jetzt erst einmal wieder Schritt für Schritt mit
- unserer Mini Checkliste anfangen, um herauszufinden, was das eigentlich für ein Molekül ist. Wie wir gut erkennen
- können, ist das Molekül ein typisches Ringsystem. Und sie da, es gibt Doppelbindungen, also auch Pi
- Elektronen. Die Doppelbindungen liegen abwechselnd, also konjugiert vor. Daher gibt es auch delokalisierte
- Pielektronen, die wir so dringend brauchen. Jetzt haben wir in dem Beispielfall aber ein Ringsystem.
- Achtung, jetzt klingeln die Alarmglocken. Dann müssen wir noch die Hückelregel anwenden, um zu gucken, ob
- es sich um einen Aromaten handelt. Die Hückelregel ist eine recht kurze Formel, nämlich 4n + 2 = Anzahl der Pi
- Elektronen im Ring. Mit dem N ist hier irgendeine natürliche, also ganze positive Zahl gemeint. Um die Regel zu
- überprüfen, müsst ihr einfach die delokalisierten Pi-Ektronen in eurem Molekül zählen und = 4n + 2 setzen. Dann
- müsst ihr die Gleichung umstellen und nach n auflösen. Nur wenn n eine ganze positive Zahl wie z.B. 0 1 2 3 und so
- weiter ist, ist die Hückelregel erfüllt. Testen wir es am besten am Benzol, damit es verständlicher wird. Wir haben hier
- drei Elektronenpaare, das heißt, wir haben 6 Pi Elektronen, also können wir in unsere Formel einfügen 4n + 2 = 6. So
- und jetzt müssen wir gucken, ob n eine ganze positive Zahl ergibt. Also stellen wir die Formel um in 6 - 2 ge 4 = n. Fix
- in den Taschenrechner tippen und wir erhalten für n die Zahl 1. Wir haben also eine positive ganze Zahl und somit
- die Anforderungen für die Regel erfüllt. Hassabalot, was für ein geiles Beispiel. Also wieder zurück zu unserer Checkliste
- und die Bedingung Aromat bekommt auch ein Häkchen. Somit wären auch hier die grundlegendsten Voraussetzungen für
- Farbigkeit erst einmal erfüllt und es werde Licht. Aber was ist das auch? Benzol ist für uns farblos. Hatten wir
- ja eben schon beim 13 Buta Diätsel jetzt zu lösen, gucken wir uns jetzt Sonnenlicht genauer an. Zur
- Vereinfachung ist unser Sonnenlicht mal immer aus zwei Wellenlängen zusammengesetzt. einmal aus der
- energiärmeren langweiligen Strahlung und noch aus der Energie reichen kurzwelligen Strahlung. Mit der energier
- reichen Strahlung ist hier die sogenannte UV-Strahlung gemeint, die wir mit dem menschlichen Auge gar nicht
- wahrnehmen können. Anders ist das bei der energier ärmeren langweiligen Strahlung. Mit ihr ist das sichtbare
- Licht gemeint, dass wir Menschen als weißes Licht, also farbloses Licht, wahrnehmen. Also für die energieriche
- Strahlung ist der Mensch sozusagen nicht würdig genug, um sie zu sehen. Wir dürfen nur die ärmere Strahlung
- wahrnehmen. Jetzt fragt ihr euch aber sicher, warum die Info eigentlich wichtig war, wenn beide Strahlungen für
- uns sowieso als farblos erscheinen. Durchaus eine berichtigte Frage, aber diese Strahlungen sind verdammt wichtig,
- weil die schließlich für die Farberscheinung verantwortlich sind. Dafür schauen wir uns das mal genau an.
- Ihr müsst euch merken, dass die energiereiche kurzwellige UV-Strahlung nie für das menschliche Auge sichtbar
- ist. Das heißt jetzt, wenn delokalisierte Pi Elektronen in einem Farbstoffmolekül von der kurzfälligen
- Strahlung angeregt werden, verschlucken sie die energierreiche Strahlung. Wenn diese Strahlung aber beim Zurückstrahlen
- fehlt, fällt das dem Menschen ja gar nicht auf, weil wir können das Fehlen der kurzwiligen Strahlung im Licht ja
- nicht wahrnehmen. Das Farbstoffmolekül erscheint uns dann immer noch als farblos, da das sichtbare langweilige
- Licht komplett zurückgestrahlt werden kann. Aber und jetzt die Ohrenspitzen. Der große Unterschied liegt nämlich bei
- der Aufnahme von den langweiligen energieärmeren Lichtstrahlen. Wenn die beweglichen Pi- Elektronen in einem
- Farbstoffmolekül, nämlich von dem energieren sichtbaren Licht angeregt werden, verschlucken die ja quasi zum
- Teil die langweilige Strahlung des sichtbaren Lichts. Und wenn das passiert, dann kann nur noch ein
- Bruchteil von der sichtbaren Strahlung zurückgeworfen werden und wir nehmen eine Farbe wahr, denn alle restlichen
- reflektierten Wellenlängen zusammen ergeben die Komplementärfarbe der fehlenden Wellenlängenfarbe. Es sind
- quasi die Ergänzungsfarben, die sich in einem solchen Farbkreis gegenüber liegen. Zusammen würden die beiden
- Lichtfarben dann wieder weiß ergeben. Ist alles seltsam, ist aber so. Also noch mal zum Mitschreiben,
- wenn die delokalisierten Elektronen von der energier reichen kurzfälligen Strahlung angeregt werden, wird die
- energie langweilige Strahlung komplett zurückgeworfen, dann erscheint unser Stoff als farblos. Wenn diese
- delokalisierten Elektronen jetzt aber nur die Energie ärmere sichtbare Strahlung brauchen, um sich anregen zu
- lassen, fehlt beim Zurückwerfen ein Teil von dem weißen Licht. Es können dann nur die Komplementärfarben des verschluckten
- Lichtanteils zurückgestrahlt werden. Kommen jetzt die Lichtstrahlen auf die Pi Elektronen unseres Beispielmoleküls
- Benzol, gibt ein sogenanntes Absorptionsspektrum an, welche Wellenlängen des Lichts von den Pi
- Elektronen aufgesaugt werden. Dieses Spektrum ist letztendlich dafür wichtig, ob uns ein Stoff farblos oder farbig
- erscheint. Das Absorptionsspektrum ist beim Benzol sehr kurzfällig. Das bedeutet, die beweglichen Pi- Elektronen
- benötigen energiereiches Licht, um angeregt zu werden. Für unser Beispiel bedeutet das nun, dass nur kurzwellige
- energiereiche Strahlung verschluckt wird und von der sichtbaren langwigen Strahlung kaum Energie fehlt. Die
- energier sichtbare Strahlung kann also fast vollständig zurückgeworfen werden und das Benzol erscheint uns daher als
- fblos. Hängen wir jetzt aber eine NO2 Gruppe als funktionelle Gruppe an unser Benzol dran, passiert folgendes. Erst
- einmal entsteht dadurch das sogenannte Nitrobenzo. Und das Absorptionsspektrum wird durch
- das Anhängen der funktionellen Gruppe langweiliger. Warum das? Das Ganze passiert, weil sich das konjugierte Pi
- Elektronsystem durch die NO2 Gruppe an dem Benzol vergrößert hat. Und das ist jetzt verdammt wichtig. Je größer ein
- delokalisiertes Pi Elektronsystem ist, desto leichter können die einzelnen Pi Elektronen angeregt werden. Und
- andersrum, je kleiner es ist, desto schwerer. Das bedeutet jetzt wieder für unser Beispiel, dass durch die
- Vergrößerung schon die Energie ärmere, langweiligere Strahlung ausreicht, um die delokalisierten Elektronen
- anzuregen. Hier ist das ein bisschen von der blauen Strahlung aus dem sichtbaren Licht, die
- von den delokalisierten Elektronen aufgenommen wird. Wenn das passiert, kann dann nur noch die Komplementärfarbe
- gelb reflektiert werden, die dann wiederum für die Farbe des Moleküls verantwortlich ist. Unser Nitrobenzol
- ist nämlich schwachgelb. Hatten wir ja eben schon und könnt ihr am Farbkreis ablesen. Die Komplementärfarbe von Blau
- ist gelb und umgekehrt. Schwach gelb, weil Nitrobenzol den blauen Bereich immer noch nicht vollständig
- wegschluckt, sondern nur ein bisschen davon. Durch die dran gehängte funktionelle Gruppe, also durch die NO2
- Gruppe, findet also eine Färbung statt. eigentlich eine geile Sache mit der Farbigkeit. Jetzt müssen wir zum
- Abschluss aber noch ein bisschen klugcheußern, um alle wichtigen Aspekte einzubeziehen. Wenn man wie eben im
- Beispiel durch das Anhängen von geeigneten funktionellen Gruppen das komplette konjugierte Pi
- Elektronensystem vergrößert, nennt man das Batochromie oder auch batochroma Effekt. Durch die Vergrößerung wird auch
- das Absorptionsspektrum in den längerwelligen Bereich verschoben. Das bedeutet jetzt, dass entweder eine Farbe
- entsteht, wenn die Absorption vorher im UVbereich, also im kurzwelligen Bereich lag, oder es ändert sich eine Farbe,
- wenn das Absorptionsspektrum bereits innerhalb des sichtbaren Lichts lag. Bei dem ganzen Vorgang kommt es zu einer
- Verschiebung der Absorption durch diese speziellen Gruppen, die das konjugierte Pi Elektronsystem vergrößern. Der
- wissenschaftliche Begriff ist hier vor allem für Fragen in der Klassenarbeit sehr wichtig. Es gibt neben der
- Batokchromie aber auch noch einen gegenteiligen Effekt, die Hypsokromie. Wenn die vorliegt, wird durch das
- Anhängen von bestimmten funktionellen Gruppen das Pi Elektronsystem verkleinert und die Absorption dadurch
- ins kurzwellige verschoben. Das passiert, weil dann mehr Energie gebraucht wird, um die restlichen
- delokalisierten Elektronen anzuregen und dadurch kürzere Wellenlängen weggeschluckt werden. Also, Batochromie
- verschiebt die Absorption zum Längerwilligen, Hypsokchromie zum kürzerwilligen. So und nun wisst ihr
- bestimmt schon, was das Problem zu Beginn war. Unsere Stoffe hatten konjugierte Pi- Elektronssysteme. Der
- Ring war sogar ein Aromat, aber beide waren farblos. Ja, der letzte wichtige Punkt, damit wir Menschen auch etwas
- farbig sehen können, ist das Pi- Elektronensystem muss groß genug sein, damit der Stoff im sichtbaren
- Lichtbereich absorbiert und wir dann die Komplementärfarbe sehen können. Aber frag jetzt nicht, wie groß genau. Also,
- wie funktioniert das Ganze noch mal kurz zusammengefasst? Als Voraussetzung für ein Farbstoffmolekül muss zuerst einmal
- gecheckt werden, ob ein konjugiertes Elektronssystem mit beweglichen Pi Elektronen vorliegt. Wenn das passiert
- ist, kann es dann so richtig losgehen. Als zweiten Schritt ist dann das Absorptionsspektrum von einem Farbstoff
- verdammt wichtig, weil das Ding gibt an, welche Strahlung von den delokalisierten Elektronen verschluckt wird. liegt das
- Absorptionsspektrum im kurzfälligen Bereich und die beweglichen Pi Elektronen werden von der energiereichen
- kurzfälligen Strahlung im UVbereich angeregt, kann das sichtbare Licht komplett reflektiert werden. Der Stoff
- ist dann für uns farblos. Liegt das Absorptionsspektrum aber im langweiligen Bereich, kommen nun durch die
- zurückgestrahlten Komplementärfarben Farberscheinungen zum Vorschein. Das Absorptionsspektrum des konjugierten
- Elektronensystems ist aber keine fixe Sache. Es kann recht easy durch das Anhängen von bestimmten funktionellen
- Gruppen verschoben werden. Das liegt dann meist daran, dass ich dadurch das Pi Elektronsystem vergrößert oder
- verkleinert. Und wie ihr schon gelernt habt, kleinere konjugierte Pi Elektronsysteme können nur leichter,
- also durch kürzere Wellenlängen angeregt werden. Bei größeren Systemen geht das leichter, also reicht das längerwellige
- Licht im sichtbaren Bereich aus und dann sehen wir Farben. Wenn ihr keinen Bock mehr habt irgendwie gestresst in die
- Klausur zu gehen oder nicht genau wisst, ob ihr genug gelernt habt, dann kommt einfach mal auf theimpleclub.de und
- ladet euch unsere App runter, da findet ihr es raus. Bis gleich.