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Das elektromagnetische Spektrum Warum Gras grün ist.

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Präsentation zum Thema: "Das elektromagnetische Spektrum Warum Gras grün ist."—  Präsentation transkript:

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3 Das elektromagnetische Spektrum

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5 Warum Gras grün ist

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7 Aktive Farbstoffe

8 Tausendblumenteppich verwendete Farbstoffe

9 Tausendblumenteppich Vorderseite Rückseite verwendete Farbstoffe

10 Tausendblumenteppich Vorderseite Rückseite verwendete Farbstoffe

11 Tausendblumenteppich Vorderseite Rückseite verwendete Farbstoffe

12 Carotinoide  -Carotin Zeaxantin Capsantin (Paprika) Srocatin (Safran)

13 Gelbes Dotter = glückliche Hühner?

14 Postgelb

15 Zapfenzellen?

16 Zapfenzellen!

17 Vergleich Hund - Mensch

18 Luteolin (gelb) Indigo (blau) Kermessäure (rot)Orseille (rot) Organische Farbstoffe Tausendblumenteppich

19 Periodensystem der Pigmente (anorganische Farbstoffe)

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21 Welle in einem Kasten 03,15 n = 5 n = 4 n = 3 n = 2 n = 1 L = Kastenlänge = Wellenlänge n = Schwingungs- zustand

22 Organische Farbstoffe als eindimensionaler Kasten h2h2 2 m 2 Kinetische Energie W kin = m v 2 2 = Quantenbedingung: = 2 L n W kin = h2h2 8 m L 2 n2n2 De Broglis Beziehung zwischen Wellen- und Teilchennatur: m v = h v = h m

23 Wellenfunktion des Elektrons im eindimensionalen Kasten W kin = h2h2 8 m L 2 n2n2

24 Elektronendichte im eindimensionalen Kasten

25 Cyanin mit konjugierten Doppelbindungen R R CHCHNCHCHCH R N R

26 Für die Modellvorstellung des Elektronengases gilt: 1.Das  -Elektronensystem des Farbstoffteilchens ist maximal delokalisiert. 2.Der Bindungsausgleich zwischen Einfach- und Doppelbindungen ist vollständig gewährleistet. 3.Das  -Elektronensystem des Farbstoffteilchens wird mit der Modellvorstellung des eindimensionalen Kastens behandelt. 4.Die potentielle Energie der  -Elektronen ist konstant. 5.Energieprinzip: Im Grundzustand werden die  -Elektronen auf die untersten Energieniveaus verteilt. 6.Pauli-Prinzip: Keine zwei Elektronen dürfen in allen Quantenzuständen gleich sein, d.h. ein Energieniveau darf mit maximal 2 Elektronen besetzt werden.

27 Verteilung von 8  -Elektronen Energie n=5 n=4 n=3 n=2 n=1 angeregter Zustand Energie n=5 n=4 n=3 n=2 n=1 Grundzustand HOMO LUMO

28 Berechnung der Anregungsenergie Anzahl  -Elektronen: N Höchster besetzter Zustand: Tiefster unbesetzter Zustand: Gesamtenergie im n-ten Zustand:

29 Kastenlänge: Berechnung der Anregungsenergie

30 Verhältnis der Kastenlänge zur Anregungsenergie

31 Wellenlänge der absorbierten Strahlung

32 Einige Beispiele Cyanine (4,4'-Cyanine) Polyene Phenylpolyenale Immoniumsalze Carboxoniumsalze Merocyanine

33 Experiment  Berechnung Cyanine

34 Experiment  Berechnung Polyene

35 Folgerungen Mit Hilfe von V korr lassen sich Aussagen über die Delokalisierung von  -Elektronen eines Moleküls machen. Je kleiner V korr, desto vollständiger ist die Delokalisierung; das betrachtete System entspricht damit immer besser dem Elektronengasmodell. Im Idealfall der Cyanine ist V korr gleich Null.

36 Begründung Bei den Polyenen kann der Verlauf der potentiellen Energie nicht mehr als konstant angenommen werden.

37 Begründung Verlauf der potentiellen Energie ( ), der Wellenfunktion ( _________ ) und der Elektronendichte ( ) für n = 4 bzw. n = 5 eines Moleküls mit 8  -Elektronen

38 Phenylpolyenale Trienal PentaenalHeptaenal Phenylpolyenale

39 Zunehmende Kettenlänge

40 Für Phenylpolyenale gilt: Das Modell des Elektronengases muss für die Phenylpolyenale modifiziert werden; V korr ist einzuführen. Der zusätzliche Energieaufwand zur Anregung der Moleküle der Phenylpolyenale ist geringer als bei den Polyenen. Phenylpolyenale weisen einen besseren Bindungsausgleich auf als Polyene. Die beiden Endgruppen -C 6 H 5 und -CHO sind für den besseren Bindungsausgleich verantwortlich.

41 Salze

42 TrienalPentaenalHeptaenal Farbsalze der Phenylpolyenale

43 Beispiel eines Polyenals all-trans-Retinal Rhodopsin +

44 Vergleiche

45 Zusammenfassung Die Lichtabsorption ist abhängig... 1.von der Grösse der Moleküle, d.h. von der Ausdehnung des Systems konjugierter Doppelbindungen. 2.vom Bindungsausgleich zwischen Doppel- und Einfachbindungen. Der Bindungsaus- gleich wird durch die Art der Endgruppen bestimmt.

46 Indigo

47 Azo-Farbstoffe NNR‘‘R‘ E-NummernWikipedia und

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49 Ligandenanordnung L L L L L L Z oktaedrisch L L L L Z tetraedrisch L LL L Z planar d-d-Übergänge

50 d-Orbitale in oktaedrischen Komplexen d x2-y2 d z2 d xy d xz d yz Starke Abstossung Schwache Abstossung d-d-Übergänge

51 Energie d xy d xz d yz d x -y 22 dzdz 2 d xy d xz d yz d x -y 22 dzdz 2 Ligandenfeldaufspaltung Kugelförmiges Ligandenfeld d-d-Übergänge

52 Beispiel Oktaedrische Struktur eines Co(NH 3 ) Ions d-d-Übergänge

53 Verteilung der Elektronen auf die d-Orbitale 1 e2 e3 e4 e4 e5 e5 e d xy, d yz, d zx d x 2 -y 2, d z 2 d xy, d yz, d zx d x 2 -y 2, d z 2 d xy, d yz, d zx d x 2 -y 2, d z 2 d xy, d yz, d zx d x 2 -y 2, d z 2 d xy, d yz, d zx d x 2 -y 2, d z 2 d xy, d yz, d zx d x 2 -y 2, d z 2 d xy, d yz, d zx d x 2 -y 2, d z 2 6 e6 e7 e7 e8 e9 e10 e d xy, d yz, d zx d x 2 -y 2, d z 2 d xy, d yz, d zx d x 2 -y 2, d z 2 d xy, d yz, d zx d x 2 -y 2, d z 2 d xy, d yz, d zx d x 2 -y 2, d z 2 d xy, d yz, d zx d x 2 -y 2, d z 2 d xy, d yz, d zx d x 2 -y 2, d z 2 d xy, d yz, d zx d x 2 -y 2, d z 2 d-d-Übergänge

54 starkes  schwaches Ligandenfeld 1 e2 e3 e4 e4 e5 e5 e d xy, d yz, d zx d x 2 -y 2, d z 2 d xy, d yz, d zx d x 2 -y 2, d z 2 d xy, d yz, d zx d x 2 -y 2, d z 2 d xy, d yz, d zx d x 2 -y 2, d z 2 d-d-Übergänge

55 starkes  schwaches Ligandenfeld 1 e2 e3 e4 e4 e5 e5 e d xy, d yz, d zx d x 2 -y 2, d z 2 d xy, d yz, d zx d x 2 -y 2, d z 2 d xy d xz d yz d x -y 22 dzdz 2 Energie d xy d xz d yz d x -y 22 dzdz 2 low spinhigh spin [Mn(CN) 6 ] 3- [Mn(H 2 O) 6 ] 3+ d-d-Übergänge

56 starkes  schwaches Ligandenfeld d xy d xz d yz d x -y 22 dzdz 2 Energie d xy d xz d yz d x -y 22 dzdz 2 low spinhigh spin [Fe(CN) 6 ] 3- [Fe(H 2 O) 6 ] 3+ d xy d xz d yz d x -y 22 dzdz 2 Energie d xy d xz d yz d x -y 22 dzdz 2 low spinhigh spin [Mn(CN) 6 ] 3- [Mn(H 2 O) 6 ] 3+ d-d-Übergänge

57 Spektrochemische Reihe Liganden I - < Br - < S 2- < SCN - < F - < Harnstoff < OH - < H 2 O < NH 3 < CN - < CO Zentralion Mn 2+ < Ni 2+ < Co 2+ < Fe 2+ < Fe 3+ < Co 3+ < Mn 3+ < Rh 3+ < Pd 4+ < Pt 4+ d-d-Übergänge

58 Vergleich mit 4 Liganden NH 3 Co H3NH3NH3NH3N H3NH3NH3NH3N ClFe Cl Cl Cl oktaedrisch Quadratisch planar tetraedrisch Pt H3NH3NH3NH3N NH 3 ClCl cis trans 6 Liganden 4 Liganden d-d-Übergänge

59 Energetische Aufspaltung mit 4 Liganden?????

60 Tetraedrisches Kristallfeld d-d-Übergänge

61 Tetraedrisches Kristallfeld Keines der d-Orbitale ist direkt gegen einen Liganden gerichtet. Die d xy, d xz und d yz Orbitale sind den Liganden aber näher d-d-Übergänge

62 Orbitalaufspaltungen Energie d xy d xz d yz d x -y 22 dzdz 2 Kugelförmiges Ligandenfeld d xy d xz d yz d x -y 22 dzdz 2 Tetraederfeld d x -y 22 dzdz 2 d xy d xz d yz quadratisch planares Feld

63 Orbitalaufspaltungen Energie d xy d xz d yz d x -y 22 dzdz 2 Tetraederfeld d x -y 22 dzdz 2 d xy d xz d yz quadrarisch planares Feld d xy d xz d yz d x -y 22 dzdz 2 Oktaederfeld

64 Ägyptisch Blau Rom, Zimmer der LiviaPaestum, Grab des Tauchers d-d-Übergänge

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66 Übergänge zwischen Ionen Fe 2+ Fe 3+ CN - (dunkel C, hell N) Grundzustand: [Fe 2+ (CN) 6 ] 4- + [Fe 3+ (CN) 6 ] 3- angeregter Zustand: [Fe 3+ (CN) 6 ] 3- + [Fe 2+ (CN) 6 ] 4- Berliner Blau charge transfer Fe 3+ Fe 2+

67 Saphir Fe 2+ + Ti 4+  Fe 3+ + Ti 3+ charge transfer

68 Chemische Bindung HH 1s-Orbital  1s -Orbital  1s -Orbital E Bändertheorie

69 Übergänge im Festkörper E Band Bändertheorie

70 Breites Absorptionsspektrum höchstes besetztes Band Valenzband tiefstes unbesetztes Band Leitungsband Bandlücke Bändertheorie

71 Stromerzeugung Leitungsband Valenzband Bändertheorie

72 LEDs Bändertheorie

73 Farbmischungen Bändertheorie

74 OLED Bändertheorie

75 OLED-Fernseher (ab 2011) OLED auf Youtube und flexibler Bilschirmflexibler Bilschirm Licht durch Bewegung und in der Medizinin der Medizin Bändertheorie

76 Cadmiumpigmente CdS x Se 1-x CdS gelb, CdSe braun Bändertheorie

77 Bandunterschiede CdSeCdS Bändertheorie

78 Zinnober Bändertheorie

79 Zinnober Pompeji, Mysterienvilla Bändertheorie

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81 Fe 2+ Porphyrinri ng Fe 2+ Mg 2+ R = CH 3 : Chlorophyll a R = CHO: Chlorophyll b Porphyrinderivate Elektronen im Fe 2+ /d 6 -System Ohne Sauerstoff:high spin Mit Sauerstoff:low spin

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