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Zusammenhang zwischen Farbe und Struktur

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André Otto
Zusammenhang zwischen Farbe und Struktur
lernst du in der Sekundarstufe 5. Klasse - 6. Klasse - 7. Klasse

Beschreibung Zusammenhang zwischen Farbe und Struktur

In diesem Video, für den Grundkurs, wird der Zusammenhang zwischen der Farbe einer Verbindung und dessen Struktur erläutert. Zunächst lernt ihr das Farbspektrum kennen, wobei ihr erfahrt welche Wellenzahlen des sichtbaren Lichtes für welche Farbe verantwortlich sind. Danach lernt ihr wie es überhaupt dazu kommt, das einige Stoffe farbig sind und andere nicht. Im Anschluss werden für die drei Farben Rot, Grün und Blau Stoffe vorgestellt, an denen erklärt wird welche Eigenschaften diese Verbindungen für diese farbe haben müssen.

Transkript Zusammenhang zwischen Farbe und Struktur

Guten Tag und herzlich willkommen! In diesem Video geht es um: Zusammenhang zwischen Struktur und Farbe (Grundkurs). Der Film gehört zur Reihe "Farbstoffe". Zur Erlangung nötiger Vorkenntnisse solltest du die Farbstoff-Videos bereits gesehen haben. Auf alle Fälle aber das Video zur Einführung. Ziel des Videos ist es, dir den grundlegenden Zusammenhang zwischen Struktur und Farbe eines Farbstoffs zu erklären. Das Video habe ich in 6 Abschnitte unterteilt:

  1. Stoffe im Farbspektrum
  2. Farbig oder nicht farbig
  3. Rote Stoffe
  4. Blaue Stoffe
  5. Grüne Stoffe Und 6. Der große Zusammenhang  
  6. Stoffe im Farbspektrum: Die Stoffe sind im Farbspektrum folgendermaßen angeordnet: rot, orange, gelb, hellgrün, dunkelgrün, hellblau, dunkelblau und violett. Die Farben entsprechen dabei bestimmten Werten der Wellenlänge Lambda. Sie überstreichen einen Bereich von etwa 750 bis 400 Nanometer. Rot liegt dabei zwischen 750 und 640 Nanometer. Orange überstreicht den Bereich von 640 bis 600 Nanometer. Gelb liegt im Bereich zwischen 600 und 570 Nanometer. Hellgrün liegt im engen Bereich zwischen 570 und 560 Nanometer. Für Dunkelgrün reicht der Bereich von 560 bis 500 Nanometer. Hellblau liegt zwischen 490 und 480 Nanometer. Dunkelblau überstreicht 480 bis 460 Nanometer. Und violett schließlich liegt zwischen 460 und 400 Nanometer. Wir haben es hier mit dem Absorptionsspektrum des Lichtes zu tun. Das heißt, dem Spektrum, das einen bestimmten Teil des weißen Lichtes absorbiert. Gehen wir nach links, über den roten Bereich hinaus, so erhalten wir infrarotes Licht. Gehen wir nach rechts, über den violettfarbenen Bereich hinaus, so erhalten wir ultraviolettes Licht. Nachdem wir das Absorptionsspektrum betrachtet haben, wollen wir nun den Zusammenhang zwischen Absorption und Farbe darstellen. Jeder absorbierten Farbe des Lichtes entspricht eine entsprechende Gegenfarbe. Diese macht die Farbe des bestrahlten Stoffes aus. Bei roter Absorption ist der Stoff grün. Bei orangefarbener Absorption ist der Stoff hellblau. Bei gelber Absorption ist der Stoff dunkelblau. Bei grüner Absorption ist der Stoff violett. Und bei dunkelgrüner Absorption ist der Stoff rot. Bei hellblauer Absorption ist der Stoff schließlich orangefarben. Die entsprechenden Farben von Absorption und Farbe des Stoffes bezeichnet man als Komplementärfarben.

  7. Farbig und nicht farbig: Es gibt eine Fülle von farbigen chemischen Verbindungen. Hier einige Beispiele: Schwefel, Curcuma, Indigo, Ultramarin, Methylorange und Zinnober. Es gibt aber auch viele Stoffe, die nicht farbig sind. Zucker ist weiß, das Mineral Schörl ist schwarz. Der Stoff des Sofatutorpreises ist durchsichtig. Was macht nun den Unterschied, dass einige Stoffe farbig, die anderen weiß, schwarz oder durchsichtig sind? Die Frage können wir nur dann beantworten, wenn wir uns die Energien bestimmter Molekülorbitale anschauen. Wenn weißes Licht auf einen Stoff fällt, so sind zwei Orbitale von Bedeutung. Das höchste Besetzte und das niedrigste Unbesetzte. Betrachten wir den Fall, dass die Energie zwischen beiden recht hoch ist, dann reicht die Energie des weißen Lichtes nicht aus, um ein Elektron von dem unteren auf das obere Orbital zu heben. Es findet keine Anregung statt. Folglich kann kein Teil des weißen Lichtes absorbiert werden. Das bedeutet, dass der Stoff entweder weiß oder farblos ist. Wie sieht es aus, wenn der Abstand zwischen dem besetzten und dem unteren unbesetzten Orbital sehr klein ist? Dann ist die Lichtenergie zu groß. Auch hier findet keine Anregung und keine Absorption statt. Nun gibt es aber auch noch den Fall, dass die Energiedifferenz zwischen diesen beiden Fällen links und rechts liegt. Die Energie entspricht dann der Energie des weißen Lichtes. Nehmen wir einmal an, es wurde grünes Licht absorbiert. Dann wird die Komplementärfarbe, das ist rotes Licht, reflektiert. Die Farbe des Stoffes ist folglich: rot. Wir wollen diesen Zusammenhang an einigen Beispielen feststellen. Betrachten wir dazu:

Rote Stoffe: Ein Beispiel dafür ist die Verbindung Methylorange. Charakteristisch für organische Farbstoffe ist der Wechsel von Einfach- und Doppelbindungen im gesamten Molekül. Man sagt auch, die Doppelbindungen sind konjugiert. Außerdem sehen wir ganz rechts die Dimethylaminogruppe. Das ist ein Auxochrom. Rechts sehen wir den Sulfonsäurerest. Das ist ein Antiauxochrom. Beide Bedingungen sorgen dafür, dass die Energie zwischen oberem besetzten und unterem unbesetztem Orbital richtig ist. Der Wert liegt im Bereich des sichtbaren Lichtes. Es wird grünes Licht absorbiert. Die Komplementärfarbe zu grün ist rot, und das ist auch gleichzeitig die Farbe des Farbstoffes Methylorange.

  1. Blaue Stoffe: Als Beispiel möchte ich hier Indigo anführen. Auch hier sieht man sehr schön den Wechsel zwischen Einfach- und Doppelbindungen. Das Molekül ist konjugiert. Spezielle Auxochrome oder Antiauxochrome gibt es hier nicht. Dafür ist das konjugierte System ziemlich groß. Die für die Anregung notwendige Energie entspricht der Energie des Lichtes. Die Absorption findet im orangefarbenen Bereich statt. Die Komplementärfarbe zu orange ergibt die Farbe des Stoffes. Indigo ist blau.

  2. Grüne Stoffe: Ein klassisches Beispiel für einen grünen Farbstoff ist Malachitgrün. Auch hier treffen wir den Wechsel von Einfach- und Doppelbindungen. Wir haben es folglich mit einem konjugierten, aber in diesem Fall recht großen System zu tun. Außerdem verfügt das Molekül über ein Auxochrom und Antiauxochrom. Die Anregungsenergie ist gering, entspricht aber dem Energiebereich des Lichtes. Wie erwartet, wird rotes Licht absorbiert. Die Farbe von Malachitgrün ist die Komplementärfarbe zu rot, also grün.

  3. Der große Zusammenhang: Wir wollen den großen Zusammenhang zwischen Struktur und Farbe für organische Farbstoffe am Beispiel des Malachitgrüns darstellen. Um farbig zu sein, benötigt der Farbstoff ein großes konjugiertes Pi-Elektronensystem und gegebenenfalls auxochrome wie auch antiauxochrome Gruppen. Nur dann kann man damit rechnen, dass der Farbstoff auch ein Farbstoff ist - eine Farbe besitzt. Methylorange hat ein relativ kleines konjugiertes Pi-Elektronensystem. Die Anregungsenergie, beziehungsweise Absorptionsenergie, ist daher groß. Sie liegt im blauen Bereich. Die Farbe von Methylorange ist die dazugehörige Komplementärfarbe: orange. Malachitgrün hat ein großes Pi-Elektronensystem. Die Anregungsenergie, respektive Absorptionsenergie, ist klein. Sie liegt im roten Bereich. Als Farbe des Farbstoffs ergibt sich die zu rot komplementäre Farbe; und das ist grün. Betrachten wir nun, was geschieht, wenn die Größe des Pi-Systems und die Auxochrom-Antiauxochrom-Wirkung steigen. Die Farbe des Stoffes verändert sich von gelb, orange, rot, violett, blau bis grün. Zum Abschluss noch 2 ganz wichtige Bemerkungen: Als 1. Die Komplementärfarben sind nicht durch einfache Farbspiegelungen einander zuzuordnen. Und 2. Die Farbe aus der Formel kann nur der Experte ablesen. Als solchen auf diesem Gebiet bezeichnet sich der Autor des Videos nicht. Ich danke für die Aufmerksamkeit. Alles Gute, auf Wiedersehen!

2 Kommentare

2 Kommentare
  1. Hallo Goetz Opitz,
    vielen Dank für deinen Kommentar! Die Carboxygruppe gehört zu den Auxochromen. Die Begründung dazu findest du im Lösungsweg.
    Falls du noch weitere Fragen hast, helfen dir gerne unsere Lehrerinnen und Lehrer des Hausaufgabenchats weiter. Der Chat ist von Montag bis Freitag von 17 bis 19 Uhr für dich da.
    Beste Grüße aus der Redaktion

    Von Tatjana Elbing, vor mehr als einem Jahr
  2. In der Übung ist glaube ich ein Fehler. Die Carboxygruppe/COOH ist eigentlich ein Antiauxochrom

    Von Goetz Opitz, vor mehr als einem Jahr

Zusammenhang zwischen Farbe und Struktur Übung

Du möchtest dein gelerntes Wissen anwenden? Mit den Aufgaben zum Video Zusammenhang zwischen Farbe und Struktur kannst du es wiederholen und üben.
  • Bestimme Komplementärfarben.

    Tipps

    Indigo ist tief blau, da es im gelben Bereich des sichtbaren Lichts absorbiert.

    Methylorange absorbiert hellblaues Licht.

    Lösung

    Ein Körper ist farbig, wenn aus dem weißen Licht eine bestimmte Farbe absorbiert wird. Dann wird die Komplementärfarbe reflektiert und der Körper erscheint uns in der Farbe der Reflexion.

    Wird also rotes Licht absorbiert, so wird dunkelgrünes Licht reflektiert. Der Körper erscheint uns dunkelgrün.

  • Erkläre, wann ein Stoff farbig bzw. nicht farbig ist.

    Tipps

    Überlege, welche Art von Teilchen in Orbitalen vorkommen.

    Elektronen benötigen genaue Energieportionen, um von einem Orbital in ein höheres zu wechseln.

    Lösung

    Ein Stoff ist dann farbig, wenn die Energie des absorbierten Lichtes im sichtbaren Bereich liegt. Liegen HOMO und LUMO zu weit oder zu nah aneinander, dann kann kein Licht im sichtbaren Bereich absorbiert werden, da das Elektron nicht von einem auf das andere Orbital springen kann. Es erfolgt kein HOMO-LUMO-Effekt.

  • Erkläre, warum Kongorot farbig ist.

    Tipps

    Auxochrome sind Substituenten mit freien Elektronenpaaren. Sie haben einen +M-Effekt.

    Überlege, was im Gegenzug Antiauxochrome sind.

    Lösung

    Damit ein Stoff farbig ist, muss die Energiedifferenz zwischen dem LUMO (niedrigsten unbesetzten Molekülorbital) und dem HOMO (höchsten besetzten Molekülorbital) innerhalb des sichtbaren Lichts liegen.

    Dies erreicht man zum Beispiel durch ein großes $\pi$-Elektronensystem, das aus abwechselnden Einfach- und Doppelbindungen besteht.

    Dieses System kann durch Substituenten beeinflusst werden. Auxochrome haben den +M-Effekt. Sie schieben Elektronen in das Chromophor hinein.

    • z.B. $NH_2~, OH$
    Antiauxochrome ziehen Elektronen aus dem System heraus. Sie besitzen einen -M-Effekt.
    • z.B. $SO_3^-$$, NO_2$

  • Stelle Auxochrome und Antiauxochrome gegenüber.

    Tipps

    Auxochrome schieben Elektronen in das System.

    Antiauxochrome entziehen dem System die Elektronen.

    Lösung

    Auxochrome und antiauxochrome Gruppen tragen wesentlich zur Farbigkeit von Stoffen bei.
    Auxochrome besitzen den +M-Effekt, d.h. sie haben freie Elektronen und können diese in das System einschieben.
    Antiauxochrome besitzen das Vermögen Elektronen aus dem System herauszuziehen. Dieses Phänomen nennt man -M-Effekt.

    Auxochrome und Antiauxochrome verschieben das Absorptionsmaxium eines Chromophors in einen kurzwelligeren bzw. langwelligeren Bereich des elektromagnetischen Spektrums.

  • Entscheide, ob die Stoffe farbig sind.

    Tipps

    Weiß und Schwarz sind keine Farben.

    Indigo wird für Jeans genutzt.

    Lösung

    Salz, Zucker und Schörl sind weiß bzw. schwarz. Bei diesen Stoffen liegt die absorbierte Energie nicht im Bereich des sichtbaren Lichtes.

    Die anderen Stoffe hingegen sind farbig. In ihren Molekülen können Elektronen schon durch die Energie des sichtbaren Lichtes angeregt werden und absorbieren so einen Teil dieses Lichtes. Die wahrgenommene Farbe des Stoffes entspricht somit der Komplementärfarbe zur absorbierten Farbe.

  • Ordne das elektromagnetische Spektrum.

    Tipps

    Je kleiner die Wellenlänge, desto mehr Energie trägt die Strahlung.

    Gammastrahlen haben eine Wellenlänge von 10^-5 nm.

    Radiostrahlen haben eine sehr große Wellenlänge.

    Lösung

    Grundsätzlich kann eine elektromagnetische Strahlung umso mehr Energie transportieren, je kürzer ihre Wellenlänge ist.

    Sehr energiereiche Strahlung ist z.B. Gammastrahlung und UV(Ultraviolette)-Strahlung. Aufgrund ihres hohen Energiegehalts ist solch eine Strahlung für den Menschen gefährlich. Gegen die UV-Strahlung können wir uns zum Glück mit Sonnencreme schützen.

    Das sichtbare Licht umfasst nur einen kleinen Bereich des Spektrums. Alle Strahlung außerhalb von 400-700 nm Wellenlänge kann von uns optisch nicht wahrgenommen werden.

    Das heißt nicht, dass wir andere Strahlungsarten überhaupt nicht wahrnehmen können. Infrarot-Strahlen erwärmen so z.B. die Haut, wenn sie darauf trifft. Radiostrahlen können zum Übertragen von Informationen genutzt werden, die wir dann akustisch wahrnehmen können.

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