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Vorname Name Autor/-in11.12.2015 1 E-Lern- und Lehrmedium: Quantenchemie und Chemie farbiger Stoffe Quantenchemie und organische farbige Stoffe.

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1 Vorname Name Autor/-in E-Lern- und Lehrmedium: Quantenchemie und Chemie farbiger Stoffe Quantenchemie und organische farbige Stoffe

2 Günter Baars 2 Übersicht 2.Das Elektronengasmodell 3.Farbstoffgruppen 1.Die Farbigkeit von Stoffen

3 Günter Baars 3 1.Die Farbigkeit von Stoffen Beta-Carotin (Karotten) Fucoxanthin (Algen) Zeaxantin (Mais) Capsanthin (Paprika) Crocetin (Safran) Canthaxanthin

4 Günter Baars 4 1.Die Farbigkeit von Stoffen RetinalRetinol (Vitamin A) Spaltung  -Carotin

5 Günter Baars 5 1.Die Farbigkeit von Stoffen Wellenlängenbereich des absorbierten Lichts [nm] Farbe des absorbierten Lichts beobachtete Farbe 400 – 435violettgelbgrün 435 – – 490 blau grünblau gelb orange 490 – 500blaugrünrot 500 – grün gelbgrün purpur violett 580 – 595gelbblau 595 – 605orangegrünblau 605 – 750rotblaugrün

6 Günter Baars 6 1.Die Farbigkeit von Stoffen Wellenlänge in nmEnergiegehalt E in kJ  mol -1 (Photonen) , , , , , , ,482

7 Günter Baars 7 1.Die Farbigkeit von Stoffen H – H 436C – H413 C – N305 C – C348Si – H318C – O358 Si – Si176N – H391C – F489 F – F159P – H322C – Cl339 Cl – Cl242As – H245C – Br285 Br – Br193O – H463C – I218 I – I151S – H367Si – F586 S – S255Se – H277O – F193 Te – H241O – Cl208 N  N 945F – H567 O = O498Cl – H431C = O * 820 C = C594Br – H366 C  N 891 C  C 778I – H298* im CO 2 Bindungsenergien in kJ·mol -1

8 Günter Baars 8 1.Die Farbigkeit von Stoffen Bildung von Dewarbenzol, Benzvalen und Prisman aus Benzol durch Isomerisierung

9 Günter Baars 9 1.Die Farbigkeit von Stoffen a) Strahlungslose Desaktivierung durch Abgabe von Wärme b) Desaktivierung durch Abstrahlung von Licht, d.h. durch Fluoreszenz und Phosphoreszenz c) Desaktivierung durch Sensibilisierungsvorgänge, d.h. durch Energieübertragung auf andere Moleküle E‘ = h·f

10 Günter Baars 10 1.Die Farbigkeit von Stoffen d) Fotochemische Prozesse - Dissoziation (Spaltung) von Bindungen - Dissoziation eines Brom-Moleküls - Isomerisierung (siehe oben) E E

11 Günter Baars 11 1.Die Farbigkeit von Stoffen Spektren der drei Farbzentren eines Normalbeobachters

12 Günter Baars 12 1.Die Farbigkeit von Stoffen Isomerisierung durch Lichteinfall. 4-cis-Retinal wird durch Lichteinfall zu all-trans-Retinal Immonium-Salz des 4-cis-Retinals

13 Günter Baars 13 1.Die Farbigkeit von Stoffen Schematische Darstellung der Funktionsweise eines Spektralfotometers

14 Günter Baars 14 1.Die Farbigkeit von Stoffen Schematische Darstellung des Aufbaus eines Spektralfoto- meters

15 Günter Baars 15 1.Die Farbigkeit von Stoffen Spektrum von 11-Phenyl-undecapentaenal (Pentaenal,) in Dichlormethan gelöst

16 Günter Baars 16 2.Das Elektronengasmodell Eindimensionaler Kasten (symbolische Darstellung)

17 Günter Baars 17 2.Das Elektronengasmodell Mögliche Energiezustände (Schwingungszustände) eines Elektrons im eindimensionalen Kasten

18 Günter Baars 18 2.Das Elektronengasmodell Grafische Darstellung der quadrierten Wellenfunktionen und symbolische Darstellung der Aufenthaltswahr- scheinlichkeit des Elektrons (als Teil- chen) im eindimensionalen Kasten

19 Günter Baars 19 2.Das Elektronengasmodell Allgemeine Lewis-Formel eines Cyanin-Farbstoffmoleküls mit 3 konjugierten Doppelbindungen und 8  -Elektronen (die freie, doppelt besetzte Elektronenwolke am Stickstoff-Atom wird in das System delokalisierter Elektronen miteinbezogen)

20 Günter Baars 20 2.Das Elektronengasmodell Das Molekül eines Cyanin- Farbstoffs als eindimensio-naler Kasten: a) Ansicht der  -Elek- tronenwolken von oben; b) An- sicht von der Seite; c) Definition des eindimensionalen Kastens: Kastenlänge = L

21 Günter Baars 21 2.Das Elektronengasmodell Grafische Darstellung der Wellenfunktionen für n = 1 bis n = 5 im eindimensionalen Kasten

22 Günter Baars 22 2.Das Elektronengasmodell Grundzustand und angeregter Zustand eines Farbstoff- moleküls mit 8  -Elektronen im eindimensionalen Kasten

23 Günter Baars 23 2.Das Elektronengasmodell Potentielle Energie V der  -Elektronen eines Cyanin-Moleküls im eindimensionalen Kasten: oben: realer Verlauf (sche- matisch);unten: verein- fachter Verlauf (V = kon- stant; die delokalisierten Elektronen sind durch die gestrichelte Linie symbo- lisiert)

24 Günter Baars 24 2.Das Elektronengasmodell

25 Günter Baars 25 2.Das Elektronengasmodell [J] [kJ  mol -1 ] [nm]

26 Günter Baars 26 2.Das Elektronengasmodell Elektronen im eindimensionalen Kasten: Energien im höch- sten besetzten und im niedrigsten unbesetzten Zustand in Ab- hängigkeit von der Anzahl  -Elektronen

27 Günter Baars 27 2.Das Elektronengasmodell N(j) exp in nm ber in nm  E exp in kJ  mol -1  E ber in kJ  mol (0)590597,1202,7206,8 12 (1)709,7705,7168,5169,7 14 (2)818832,4§46,2143,9 16 (3)932959,3128,3124,8 Cyanine

28 Günter Baars 28 2.Das Elektronengasmodell 4,4'-Cyanine: Grafische Darstellung der berechneten und experimentell ermittelten Werte für Energie bzw. Wellenlänge der absorbierten elektromagnetischen Strahlung Cyanine

29 Günter Baars 29 2.Das Elektronengasmodell Grenzformeln eines 4,4'-Cyanin-Moleküls

30 Günter Baars 30 3.Farbstoffgruppen Polyene

31 Günter Baars 31 3.Farbstoffgruppen N(j) exp in nm ber in nm  E exp in kJ  mol -1  E ber in kJ  mol -1 4(2) ,6551,2376,0 6(3) ,0460,0268,6 8(4) ,4396,0208,9 10(5) ,8345,7170,9 12(6) ,2324,1144,6 22(11) ,3265,2 81,7 24(12) ,8251,8 75,2 30(15) ,0237,3 60,6 Polyene

32 Günter Baars 32 3.Farbstoffgruppen Polyene: Grafische Darstellung der berechneten und experimentellen Werte für Energie bzw. Wellenlänge der absorbierten elektro- magnetischen Strahlung (Lösemittel: Hexan)

33 Günter Baars 33 3.Farbstoffgruppen N(j)  E exp in kJ  mol -1  E ber in kJ  mol -1 V korr in kJ  mol -1 4(2)551,2376,0175,2 6(3)460268,6191,4 8(4)396208,9187,1 10(5)345,7170,9174,8 12(6)324,1144,6179,5 22(11)265,281,7183,5 24(12)251,875,2176,6 30(15)237,360,6176,7 [kJ·mol -1 ] V korr =  E exp -  E ber [kJ  mol -1 ] Polyene

34 Günter Baars 34 3.Farbstoffgruppen Grenzformeln eines 1,2-Butadien-Moleküls Polyene

35 Günter Baars 35 3.Farbstoffgruppen Idealisierter Verlauf der potentiellen Energie der  -Elektronen im Molekül 1,3,5,7,9-Decapentaen

36 Günter Baars 36 3.Farbstoffgruppen Verlauf der potentiellen Energie( ____________ ), der Wellenfunktion ( ____________ ) und der Elektronendichte ( ____________ ) für n = 4 bzw. n = 5 eines Moleküls mit 8  -Elektronen

37 Günter Baars 37 3.Farbstoffgruppen Polyene Dimethylpolyene Methylpolyenale Phenylpolyenale

38 Günter Baars 38 3.Farbstoffgruppen exp in nm für R1R1 R2R2 Namej = 5 (Lösemittel)j = 6 (Lösemittel)j = 7 (Lösemittel) –CH 3 Dimethylpolyene326 (Hexan)352 (Chloroform)375 (extrapoliert) –CHO–CH 3 Methylpolyenale395 (Dichlormethan)410 (extrapoliert)430 (Dichlormethan) –CHO–C 6 H 5 Phenylpolyenale407 (Dichlormethan)426 (Dichlormethan)440 (Dichlormethan)

39 Günter Baars 39 3.Farbstoffgruppen Phenylpolyenale Trienal (7-Phenyl-2,4,6-heptatrienal) Pentaenal (11-Phenyl-2,4,6,8,10-undecapentaenal) Heptaenal (15-Phenyl-2,4,6,8,10,12,14-pentadecaheptaenal)

40 Günter Baars 40 3.Farbstoffgruppen [kJ  mol -1 ] Phenylpolyenale

41 Günter Baars 41 3.Farbstoffgruppen N(j)  E exp in kJ  mol -1  E ber in kJ  mol -1 V korr in kJ  mol -1 6(2)371,5268,6102,9 8(3)339,9208,9131,0 10(4)315,8170,9144,9 12(5)294,8144,6150,2 14(6)281,7125,3156,4 16(7)272,7110,6162,1 Phenylpolyenale

42 Günter Baars 42 3.Farbstoffgruppen Grenzformeln eines Phenylpolyenal-Moleküls Phenylpolyenale

43 Günter Baars 43 3.Farbstoffgruppen

44 Günter Baars 44 3.Farbstoffgruppen [kJ  mol -1 ] Farbsalze der Phenylpolyenale

45 Günter Baars 45 3.Farbstoffgruppen N(j)  E exp in kJ  mol -1  E ber in kJ mol -1 V korr in kJ mol -1 8(3)243,9208,935,0 12(5)204,4144,659,8 16(7)190,5110,679,9 Zusammenhang zwischen  E exp,  E ber und V korr für Immonium- Salze der Phenylpolyenale (Lösemittel: Dichlormethan) Farbsalze der Phenylpolyenale

46 Günter Baars 46 3.Farbstoffgruppen N(j)  E exp in kJ mol -1  E ber in kJ mol -1 V korr in kJ mol -1 8(3)241,5208,932,6 12(5)190,5144,645,9 16(7)164,8110,654,2 Zusammenhang zwischen  E exp,  E ber und V korr für Oxonium- Salze der Phenylpolyenale (Lösemittel: Dichlormethan) Farbsalze der Phenylpolyenale

47 Günter Baars 47 3.Farbstoffgruppen Farbsalze der Phenylpolyenale Grenzformeln eines Immonium-Kations Grenzformeln eines Carboxonium-Kations

48 Günter Baars 48 3.Farbstoffgruppen N/Stoffe  E ber in kJ  mol -1  E exp in kJ  mol -1 ber in nm exp in nm V korr Polyene 12144,6324,1828,1369,0179,7 Phenylpolyenale 12144,6294,8828,1407,0150,2 Immonium-Salze 12144,6204,4828,1587,0 59,8 Oxonium-Salze 12144,6190,5828,1630,0 45,9 Cyanine 12169,7168,5705,6709,7 1,2 Zusammenfassung

49 Günter Baars 49 3.Farbstoffgruppen FarbstoffklasseEndgruppe Zunahme der Wirk- samkeit hinsichtlich des Bindungsaus- gleichs Polyene-H Phenylpolyenale-C 6 H 5 -CH = O Immonium-Salze der Phenylpolyenale -C 6 H 5 -CH = N + HR Carboxonium-Salze der Phenylpolyenale -C 6 H 5 -CH = O + H Cyanine-NR 2 -CH = N + R 2 Anordnung der Endgruppen hinsichtlich ihres Einflusses auf die Delokalisierung der  -Elektronen

50 Günter Baars 50 3.Farbstoffgruppen Anregungsenergie  E exp für Polyene, Phenylpolyenale, Carboxonium-Kationen, Immonium-Kationen und Cyanine

51 Günter Baars 51 3.Farbstoffgruppen Lösungen der Phenylpolyenale und ihrer Farbsalze

52 Günter Baars 52 3.Farbstoffgruppen Lösungen der Phenylpolyenale und ihrer Farbsalze

53 Günter Baars 53 3.Farbstoffgruppen UV/VIS-Spektren der Polyenale und ihrer Farbsalze


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