Elemente und Moleküle, Schulbuch

257 16.2 grUnDlagen Der lichTaBSOrPTiOn 16.1 grUnDlagen 16.2 GRUNDLAGEN DER LICHtABSORPtION Lichtabsorption • Schwingungen • Rotationen • Chromophore Gruppen • Auxo - chrome Gruppen Wie bereits bekannt, regen elektromagnetische Wellen Elektronen von Atomen an (Seite 15). Derselbe Vorgang ist auch mit Molekülen möglich. Energiereich genug für die Anregung von Valenzelektronen sind UV-Licht und bei färbigen Stoffen sichtba - res Licht. Bei Molekülen entstehen aber nicht Linienspektren, sondern breite Banden (Abb. 257.1), dh. die Anregung erfolgt nicht zwischen zwei exakt definierten Ener - gieniveaus. Der Grund für diese Erscheinung ist die Ausdehnung von Molekülen. Zum Unter - schied von Atomen sind Moleküle schwingungsfähige Teilchen und können Energie in Form von Schwingungsenergie speichern. Es treten Schwingungen in der Bin - dungslänge (Streckschwingung) und Deformationsschwingungen unter Verände - rung von Bindungswinkeln auf. Diese Schwingungen sind wie die Elektronenanre - gungen quantisiert, dh. auch bei Schwingungen können nur ganz bestimmte Energiestufen auftreten. Die Energiedifferenzen zwischen den Schwingungsniveaus entsprechen einer Absorption von IR-Quanten. Dies wird zum Identifizieren von Verbindungen durch die Infrarotspektroskopie genützt. Aber auch die Schwingungs - niveaus sind durch Energieniveaus zur Rotationsanregung (mittels Mikrowellen möglich) nochmals unterteilt. Daher wird eine Elektronenanregung in einem be - stimmten Wellenlängenbereich mit allen Wellenlängen des Lichtes oder der UV- Strahlung möglich. (Abb. 257.1) Bei färbigen Stoffen soll die Absorptionsbande (oder zumindest ein Teil der Absorp - tionsbande) im sichtbaren Bereich liegen. Dazu benötigt man leicht anregbare Elek - tronen, da die Quanten des sichtbaren Lichtes energieärmer sind als UV-Quanten. Solche leicht anregbaren Elektronen sind in nichtbindenden Elektronenpaaren (n- Elektronen) oder in Doppelbindungen ( π -Elektronen) zu finden. Gruppen, die solche Elektronen enthalten, nennt man Chromophore . (Griech.: Farbträger) Auch die Elektronen aus Chromophoren sind nicht mit Lichtquanten anregbar. Al - lerdings genügen hier bereits Quanten des langwelligen UV-Lichtes. Befinden sich mehrere Chromophore in einem Molekül, so ändert sich nichts an der Anregbarkeit, wenn die Chromophore isoliert sind. Die Intensität der UV- Absorption steigt aller - dings. Sind die Chromophore konjugiert, so verschiebt sich das Absorptionsmaxi - mum in den längerwelligen Bereich und es kommt zu einer Absorption von sichtba - rem Licht. Färbige organische Verbindungen enthalten also ein System konjugierter Chromo - phore. Den Einfluss der Konjugation auf die Lichtabsorption sieht man gut am Bei - spiel des Indikatorfarbstoffes Phenolphthalein (Abb. 257.3). Im Basischen liegt ein System mit 3 konjugierten Benzenringen vor. Der Farbstoff absorbiert im Sichtbaren und ist violett. Im Sauren ist die Konjugation gestört, eine Absorption im sichtbaren Bereich wird unmöglich. Meist sind in Farbstoffen noch Gruppen enthalten, die man Auxochrome nennt. (Griech.: Hilfsfärber) Es sind Gruppen mit nichtbindenden Elektronenpaaren, die sich mit diesen Elektronenpaaren am konjugierten System beteiligen. Dabei stellen sie ihr Elektronenpaar zur Verfügung, sie sind also Elektronendonatoren. In Abb. 257.2 ist am Beispiel einiger Benzenderivate die Wirkung von Chromophoren und Auxochromen erläutert. Benzen selbst ist durch sein Elektronensystem zwar ein Chromophor, absorbiert aber nicht im sichtbaren Bereich, sondern im langwel - ligen UV. Die Einführung einer Nitrogruppe bewirkt die Verschiebung der Absorption in den sichtbaren Bereich. Die Nitrogruppe beteiligt sich am konjugierten System der π-Elektronen. Nitrobenzen ist färbig (schwach gelblich). Es absorbiert UV-Strahlung und teilweise den energiereichen Blauanteil des sichtbaren Lichtes. Übrig bleibt die Komplementärfarbe gelb. Die Aminogruppe in p-Stellung wirkt nun als Auxochrom. Das Absorptionsmaximum rückt in den sichtbaren Bereich (blau), p-Nitroanilin ist daher intensiv gelb. Abb. 257.1: Anregung im Einzelatom (oben) und im Molekül (unten) Abb. 257.3: Der Einfluss der Resonanz auf die Färbig- keit organischer Moleküle am Beispiel des Phenolphthaleins Abb. 257.2: Der Einfluss von chromophoren bzw. au- xochromen Gruppen auf die Färbigkeit or- ganischer Moleküle Schwingungen Rotationen max. min. Absorption angeregter Zustand Grund- zustand Absorption λ E E λ E E violett farblos C C O O O H H O C O O C OO H 3 O O H O 2 N O 2 N N H 2 Benzen farblos Nitrobenzen gelblich p-Nitroanilin gelber Farbstoff Nur zu Prüfzwecken – Eig ntum des Verlags öbv