Wie funktioniert das mit der Farbigkeit genau? - Beispielaufgabe
Chemie - simpleclub
https://www.youtube.com/watch?v=k-Uggf3RKrY

Transkript (automatisch erstellt)

0:00 Moin Leute, wie funktioniert das eigentlich mit der Farbigkeit? So ganz im konkreten, also was passiert mit dem
0:05 Licht, das auf einen Stoff fällt und woher kommt dann urplötzlich die Farbe? Ihr wollt die Antwort? Dann mal auf in
0:11 die Erklärung. Wie der ganze Prozess der Farbigkeit so im konkreten funktioniert, schauen wir
0:21 uns mal an einem ausgewählten Beispiel an. Bevor wir allerdings dazu kommen, gibt's erst den kleinen Abstecher zur
0:27 Überprüfung der chemischen Voraussetzungen der Farbstoffe. Die sind nämlich das A und O bei der ganzen
0:32 Sache. Denn nur wenn in einem Molekül ein konjugiertes Pi- Elektronensystem vorliegt, kann Farbe entstehen. Zum
0:39 Überprüfen eines Moleküls ist es eigentlich am einfachsten, wenn ihr mit einer kleinen Checkliste arbeitet, weil
0:44 nur wenn alle chemischen Voraussetzungen eines Stoffes gegeben sind, können die Farbspiele beginnen. Im ersten Schritt
0:50 gucken wir jetzt erstmal, ob es überhaupt Pi- Elektronen gibt. Wir hatten ja gelernt, Elektronen, die an Pi
0:56 Bindungen beteiligt sind, nennt man Pi- Elektron. Und solche Pi Bindungen sind Teil von Doppel und Dreifach Bindungen.
1:02 Gibt's also Doppel oder dreifach Bindungen in eurem Molekül? Das ist einfach zu checken. Dann kommt im
1:07 zweiten Schritt dazu, sind diese Pi Elektronen auch delokalisiert? Das sind sie, wenn die Doppelbindungen konjugiert
1:13 sind. Heißt, liegt zwischen zwei Doppelbindungen immer eine Einfachbindung? Den Schritt könnte man
1:19 fast als Grundvoraussetzung zur Überprüfung sehen, aber bei Ringsystemen gibt's da noch eine Ausnahme. Die
1:25 sollten Aromaten sein, damit sie als Farbstoffe taugen. Dafür muss hier die Anzahl der Pi Elektronen auch den
1:31 Anforderungen der Hückelregel gerecht werden. Jetzt denkt ihr sicher, hä, was sollt ihr machen? Aber kein Problem, wir
1:37 haben für euch jetzt zwei Beispiele parat und gehen alles Schritt für Schritt durch. Hier habt ihr jetzt
1:42 beispielsweise das 13 Buta und eure Aufgabe ist es zu checken, ob in dem Molekül ein konjugiertes Elektronssystem
1:50 ist. Dafür schauen wir mal, gibt es Pi- Elektron? Wenn es Doppelbindungen gibt, gibt es die und da haben wir welche von.
1:57 Sind die Pi Elektronen jetzt delokalisiert? Das sind sie bei konjugierten Doppelbindungen. Und wo
2:02 liegen die Doppelbindungen? Die sind hier rot markiert. Und zack, dazwischen liegt eine Einfachbindung. Die ist hier
2:09 schick gelb gekennzeichnet. Aus dieser Erkenntnis, dass zwischen zwei Doppelbindungen eine Einfachbindung
2:14 liegt, schließen wir nun, dass es sich wirklich um ein konjugiertes System handelt. Da das 13 Buta Die kein Ring
2:20 ist, müssen wir auch nicht die Hückelregel anwenden. Also konjugiertes System mit delokalisierten Pi-
2:25 Elektronen gecheckt. Diese beweglichen Pi Elektronen können dann von eintreffenden Strahlen des Sonnenlichts
2:31 angeregt werden. Theoretisch sind also die grundlegenden Voraussetzungen für Farbigkeit erfüllt. Das heißt aber hier
2:37 noch lange nicht, dass wir das Buta farbig sehen. Es ist nämlich für uns farblos. Warum das so ist, dazu kommen
2:44 wir später, um die Spannung zu steigern. So, um jetzt auch ein Beispiel für ein Ringsystem zu haben, schauen wir uns am
2:50 besten mal das typische Beispielmolekül Benzol an. Das schicke Molekül ist euch sicherlich schon aus dem Unterricht oder
2:56 aus unseren Videos bekannt. Bei dem neuen Molekül müssen wir jetzt erst einmal wieder Schritt für Schritt mit
3:00 unserer Mini Checkliste anfangen, um herauszufinden, was das eigentlich für ein Molekül ist. Wie wir gut erkennen
3:06 können, ist das Molekül ein typisches Ringsystem. Und sie da, es gibt Doppelbindungen, also auch Pi
3:11 Elektronen. Die Doppelbindungen liegen abwechselnd, also konjugiert vor. Daher gibt es auch delokalisierte
3:17 Pielektronen, die wir so dringend brauchen. Jetzt haben wir in dem Beispielfall aber ein Ringsystem.
3:23 Achtung, jetzt klingeln die Alarmglocken. Dann müssen wir noch die Hückelregel anwenden, um zu gucken, ob
3:27 es sich um einen Aromaten handelt. Die Hückelregel ist eine recht kurze Formel, nämlich 4n + 2 = Anzahl der Pi
3:35 Elektronen im Ring. Mit dem N ist hier irgendeine natürliche, also ganze positive Zahl gemeint. Um die Regel zu
3:41 überprüfen, müsst ihr einfach die delokalisierten Pi-Ektronen in eurem Molekül zählen und = 4n + 2 setzen. Dann
3:48 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
3:55 weiter ist, ist die Hückelregel erfüllt. Testen wir es am besten am Benzol, damit es verständlicher wird. Wir haben hier
4:02 drei Elektronenpaare, das heißt, wir haben 6 Pi Elektronen, also können wir in unsere Formel einfügen 4n + 2 = 6. So
4:10 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
4:19 in den Taschenrechner tippen und wir erhalten für n die Zahl 1. Wir haben also eine positive ganze Zahl und somit
4:25 die Anforderungen für die Regel erfüllt. Hassabalot, was für ein geiles Beispiel. Also wieder zurück zu unserer Checkliste
4:31 und die Bedingung Aromat bekommt auch ein Häkchen. Somit wären auch hier die grundlegendsten Voraussetzungen für
4:37 Farbigkeit erst einmal erfüllt und es werde Licht. Aber was ist das auch? Benzol ist für uns farblos. Hatten wir
4:44 ja eben schon beim 13 Buta Diätsel jetzt zu lösen, gucken wir uns jetzt Sonnenlicht genauer an. Zur
4:51 Vereinfachung ist unser Sonnenlicht mal immer aus zwei Wellenlängen zusammengesetzt. einmal aus der
4:56 energiärmeren langweiligen Strahlung und noch aus der Energie reichen kurzwelligen Strahlung. Mit der energier
5:02 reichen Strahlung ist hier die sogenannte UV-Strahlung gemeint, die wir mit dem menschlichen Auge gar nicht
5:07 wahrnehmen können. Anders ist das bei der energier ärmeren langweiligen Strahlung. Mit ihr ist das sichtbare
5:13 Licht gemeint, dass wir Menschen als weißes Licht, also farbloses Licht, wahrnehmen. Also für die energieriche
5:18 Strahlung ist der Mensch sozusagen nicht würdig genug, um sie zu sehen. Wir dürfen nur die ärmere Strahlung
5:23 wahrnehmen. Jetzt fragt ihr euch aber sicher, warum die Info eigentlich wichtig war, wenn beide Strahlungen für
5:28 uns sowieso als farblos erscheinen. Durchaus eine berichtigte Frage, aber diese Strahlungen sind verdammt wichtig,
5:35 weil die schließlich für die Farberscheinung verantwortlich sind. Dafür schauen wir uns das mal genau an.
5:40 Ihr müsst euch merken, dass die energiereiche kurzwellige UV-Strahlung nie für das menschliche Auge sichtbar
5:45 ist. Das heißt jetzt, wenn delokalisierte Pi Elektronen in einem Farbstoffmolekül von der kurzfälligen
5:51 Strahlung angeregt werden, verschlucken sie die energierreiche Strahlung. Wenn diese Strahlung aber beim Zurückstrahlen
5:58 fehlt, fällt das dem Menschen ja gar nicht auf, weil wir können das Fehlen der kurzwiligen Strahlung im Licht ja
6:03 nicht wahrnehmen. Das Farbstoffmolekül erscheint uns dann immer noch als farblos, da das sichtbare langweilige
6:09 Licht komplett zurückgestrahlt werden kann. Aber und jetzt die Ohrenspitzen. Der große Unterschied liegt nämlich bei
6:15 der Aufnahme von den langweiligen energieärmeren Lichtstrahlen. Wenn die beweglichen Pi- Elektronen in einem
6:21 Farbstoffmolekül, nämlich von dem energieren sichtbaren Licht angeregt werden, verschlucken die ja quasi zum
6:26 Teil die langweilige Strahlung des sichtbaren Lichts. Und wenn das passiert, dann kann nur noch ein
6:32 Bruchteil von der sichtbaren Strahlung zurückgeworfen werden und wir nehmen eine Farbe wahr, denn alle restlichen
6:37 reflektierten Wellenlängen zusammen ergeben die Komplementärfarbe der fehlenden Wellenlängenfarbe. Es sind
6:43 quasi die Ergänzungsfarben, die sich in einem solchen Farbkreis gegenüber liegen. Zusammen würden die beiden
6:49 Lichtfarben dann wieder weiß ergeben. Ist alles seltsam, ist aber so. Also noch mal zum Mitschreiben,
6:55 wenn die delokalisierten Elektronen von der energier reichen kurzfälligen Strahlung angeregt werden, wird die
7:01 energie langweilige Strahlung komplett zurückgeworfen, dann erscheint unser Stoff als farblos. Wenn diese
7:07 delokalisierten Elektronen jetzt aber nur die Energie ärmere sichtbare Strahlung brauchen, um sich anregen zu
7:13 lassen, fehlt beim Zurückwerfen ein Teil von dem weißen Licht. Es können dann nur die Komplementärfarben des verschluckten
7:19 Lichtanteils zurückgestrahlt werden. Kommen jetzt die Lichtstrahlen auf die Pi Elektronen unseres Beispielmoleküls
7:24 Benzol, gibt ein sogenanntes Absorptionsspektrum an, welche Wellenlängen des Lichts von den Pi
7:29 Elektronen aufgesaugt werden. Dieses Spektrum ist letztendlich dafür wichtig, ob uns ein Stoff farblos oder farbig
7:35 erscheint. Das Absorptionsspektrum ist beim Benzol sehr kurzfällig. Das bedeutet, die beweglichen Pi- Elektronen
7:42 benötigen energiereiches Licht, um angeregt zu werden. Für unser Beispiel bedeutet das nun, dass nur kurzwellige
7:47 energiereiche Strahlung verschluckt wird und von der sichtbaren langwigen Strahlung kaum Energie fehlt. Die
7:53 energier sichtbare Strahlung kann also fast vollständig zurückgeworfen werden und das Benzol erscheint uns daher als
7:59 fblos. Hängen wir jetzt aber eine NO2 Gruppe als funktionelle Gruppe an unser Benzol dran, passiert folgendes. Erst
8:06 einmal entsteht dadurch das sogenannte Nitrobenzo. Und das Absorptionsspektrum wird durch
8:12 das Anhängen der funktionellen Gruppe langweiliger. Warum das? Das Ganze passiert, weil sich das konjugierte Pi
8:18 Elektronsystem durch die NO2 Gruppe an dem Benzol vergrößert hat. Und das ist jetzt verdammt wichtig. Je größer ein
8:26 delokalisiertes Pi Elektronsystem ist, desto leichter können die einzelnen Pi Elektronen angeregt werden. Und
8:32 andersrum, je kleiner es ist, desto schwerer. Das bedeutet jetzt wieder für unser Beispiel, dass durch die
8:37 Vergrößerung schon die Energie ärmere, langweiligere Strahlung ausreicht, um die delokalisierten Elektronen
8:43 anzuregen. Hier ist das ein bisschen von der blauen Strahlung aus dem sichtbaren Licht, die
8:48 von den delokalisierten Elektronen aufgenommen wird. Wenn das passiert, kann dann nur noch die Komplementärfarbe
8:54 gelb reflektiert werden, die dann wiederum für die Farbe des Moleküls verantwortlich ist. Unser Nitrobenzol
9:00 ist nämlich schwachgelb. Hatten wir ja eben schon und könnt ihr am Farbkreis ablesen. Die Komplementärfarbe von Blau
9:06 ist gelb und umgekehrt. Schwach gelb, weil Nitrobenzol den blauen Bereich immer noch nicht vollständig
9:12 wegschluckt, sondern nur ein bisschen davon. Durch die dran gehängte funktionelle Gruppe, also durch die NO2
9:17 Gruppe, findet also eine Färbung statt. eigentlich eine geile Sache mit der Farbigkeit. Jetzt müssen wir zum
9:22 Abschluss aber noch ein bisschen klugcheußern, um alle wichtigen Aspekte einzubeziehen. Wenn man wie eben im
9:28 Beispiel durch das Anhängen von geeigneten funktionellen Gruppen das komplette konjugierte Pi
9:32 Elektronensystem vergrößert, nennt man das Batochromie oder auch batochroma Effekt. Durch die Vergrößerung wird auch
9:39 das Absorptionsspektrum in den längerwelligen Bereich verschoben. Das bedeutet jetzt, dass entweder eine Farbe
9:45 entsteht, wenn die Absorption vorher im UVbereich, also im kurzwelligen Bereich lag, oder es ändert sich eine Farbe,
9:52 wenn das Absorptionsspektrum bereits innerhalb des sichtbaren Lichts lag. Bei dem ganzen Vorgang kommt es zu einer
9:57 Verschiebung der Absorption durch diese speziellen Gruppen, die das konjugierte Pi Elektronsystem vergrößern. Der
10:03 wissenschaftliche Begriff ist hier vor allem für Fragen in der Klassenarbeit sehr wichtig. Es gibt neben der
10:08 Batokchromie aber auch noch einen gegenteiligen Effekt, die Hypsokromie. Wenn die vorliegt, wird durch das
10:14 Anhängen von bestimmten funktionellen Gruppen das Pi Elektronsystem verkleinert und die Absorption dadurch
10:19 ins kurzwellige verschoben. Das passiert, weil dann mehr Energie gebraucht wird, um die restlichen
10:25 delokalisierten Elektronen anzuregen und dadurch kürzere Wellenlängen weggeschluckt werden. Also, Batochromie
10:31 verschiebt die Absorption zum Längerwilligen, Hypsokchromie zum kürzerwilligen. So und nun wisst ihr
10:37 bestimmt schon, was das Problem zu Beginn war. Unsere Stoffe hatten konjugierte Pi- Elektronssysteme. Der
10:42 Ring war sogar ein Aromat, aber beide waren farblos. Ja, der letzte wichtige Punkt, damit wir Menschen auch etwas
10:49 farbig sehen können, ist das Pi- Elektronensystem muss groß genug sein, damit der Stoff im sichtbaren
10:54 Lichtbereich absorbiert und wir dann die Komplementärfarbe sehen können. Aber frag jetzt nicht, wie groß genau. Also,
11:00 wie funktioniert das Ganze noch mal kurz zusammengefasst? Als Voraussetzung für ein Farbstoffmolekül muss zuerst einmal
11:06 gecheckt werden, ob ein konjugiertes Elektronssystem mit beweglichen Pi Elektronen vorliegt. Wenn das passiert
11:12 ist, kann es dann so richtig losgehen. Als zweiten Schritt ist dann das Absorptionsspektrum von einem Farbstoff
11:17 verdammt wichtig, weil das Ding gibt an, welche Strahlung von den delokalisierten Elektronen verschluckt wird. liegt das
11:23 Absorptionsspektrum im kurzfälligen Bereich und die beweglichen Pi Elektronen werden von der energiereichen
11:28 kurzfälligen Strahlung im UVbereich angeregt, kann das sichtbare Licht komplett reflektiert werden. Der Stoff
11:34 ist dann für uns farblos. Liegt das Absorptionsspektrum aber im langweiligen Bereich, kommen nun durch die
11:39 zurückgestrahlten Komplementärfarben Farberscheinungen zum Vorschein. Das Absorptionsspektrum des konjugierten
11:45 Elektronensystems ist aber keine fixe Sache. Es kann recht easy durch das Anhängen von bestimmten funktionellen
11:51 Gruppen verschoben werden. Das liegt dann meist daran, dass ich dadurch das Pi Elektronsystem vergrößert oder
11:56 verkleinert. Und wie ihr schon gelernt habt, kleinere konjugierte Pi Elektronsysteme können nur leichter,
12:01 also durch kürzere Wellenlängen angeregt werden. Bei größeren Systemen geht das leichter, also reicht das längerwellige
12:07 Licht im sichtbaren Bereich aus und dann sehen wir Farben. Wenn ihr keinen Bock mehr habt irgendwie gestresst in die
12:12 Klausur zu gehen oder nicht genau wisst, ob ihr genug gelernt habt, dann kommt einfach mal auf theimpleclub.de und
12:16 ladet euch unsere App runter, da findet ihr es raus. Bis gleich.