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Aufgabensammlung für die Schule

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Wie erklärt man die Farbigkeit von organischen Farbstoffen,
z. B. Azofarbstoffen, Indigofarbstoffen u. ä.?
(Strukturformeln und Tabellen siehe einschlägige Lehrbücher)Licht und Farbe
Das Sonnenlicht, das man mit den Augen wahrnimmt ist ein Teil des Spektrums aller elektromagnetischer Wellen, die es in unserer Umgebung gibt. Zu diesen elektromagnetischen Wellen gehören u. a. auch Rundfunkwellen, Mikrowellen, infrarotes und Ultraviolettes Licht, Röntgenstrahlen, für die wir aber kein Sinnesorgan haben. Sie unterscheiden sich in den Wellenlängen - in der oben aufgezählten Reihenfolge nimmt die Wellenlänge von einigen 1000m im Bereich der Rundfunkwellen bis zu einigen pm (Picometer) bei den Röntgenstrahlen ab. Der Bereich des sichtbaren Lichtes, auch das "Spektrum" reicht etwa von 700 bis 400 nm. Dabei nimmt man längerwelliges Licht eher als rötlich wahr, kurzwelliges mehr als bläulich.
Sehen wir das komplette Spektrum des Sonnenlicht, so beschreiben wir seine Farbe als weiß, fehlt ein Bestandteil des Spektrums, so sehen wir die sogenannte Komplementärfarbe. Fehlt also der der blaue Anteil des Lichtspektrums, werden wir die Farbe eher als rot beschreiben, umgekehrt wird der Farbeindruck mehr bläulich sein, wenn der rote Anteil des Spektrums fehlt. Dass wir viele tausend Farben sehen können, hat seine Ursache in den unendlich vielen Möglichkeiten der Kombinationen der fehlenden Bestandteile des Lichtspektrums.

Licht und Energie
Jede elektromagnetische Welle, die in den Raum strahlt, transportiert Energie, für jeden leicht nachvollzeihbar, der sich in die Sonnenlicht setzt und so den Rücken wärmt. Die Energie wird um so größer, je kürzer die Wellenlänge ist. Blaues Licht ist somit energiereicher als rotes Licht.

Licht und Energie und Farbe
Wenn ein roter Körper in das Sonnenlicht gestellt wird, reflektiert er nur den roten Teil des Sonnenlichtes, den grünen, gelben und blauen absorbiert er. Sehr oft (nicht immer) wandelt er den absorbierten Teil in Wärme um, der Körper wird warm. Mit elektrischen Meßinstrumenten, den Spektralphotometern, kann man messen, welcher Teil des Spektrums wie stark absorbiert wird. Man erhält mit Hilfe dieser Geräte Kennlinien, üblicherweise "Spektren" genannt. Die Spektren zeigen, wie groß die Absorption des Lichtes in Abhängigkeit von der Wellenlänge ist. Solche Spektren werden üblicherweise auch für den infraroten und ultravioletten Teil des Spektrums erstellt. Sie sind immer stoffspezifisch, wie ein Fingerabdruck und können zur Identifizierung der jeweiligen Substanz dienen.

Die Farbigkeit organischer Stoffe - eine Frage der Mesomerie (?)
Die Erklärung der Farbigkeit organischer Stoffe wird in verschiedenen Modellen versucht, die alle ihre Vorteile und Nachteile haben. Entweder sind sehr leicht zu verstehen, dann aber recht ungenau. (z. B. Wittsche Farbtheorie) Oder das Modell ist sehr komplex und dann auch recht exakt, dafür aber (zumindest für einen Schüler) kaum verständlich. Zudem gibt es eine in allen Bereichen wirklich schlüssige Theorie nicht, es bleiben immer Bereiche, die nicht erklärt werden.

Ein recht brauchbarer Ansatz geht davon aus, das Farbigkeit aufgrund bestimmter Mesomerieverhältnisse entsteht.
Benzol ist farblos, Nitrobenzol schwach gelb und p Nitrophenol ist schon deutlich gelb. Vergleicht man die Struktur dieser Stoffe, so ergibt sich durch die Nitrogruppe am Benzolring eine deutliche Ausweitung des mesomeren pi-Eletronensystems. die beim p Nitrophenol durch die OH-Gruppe nochmals vergrößert wird. Anscheinend hat die Farbigkeit etwas mit der Delokalisierung von pi-Elektronen, also der Mesomerie derselben zu tun.

Eigentlich hat man zwei Schreibweisen für das Benzol: Einmal ein regelmäßiges Sechseck mit drei konjugierten Doppelbindungen. Diese benutzt man üblicherweise, wenn man Reaktionen am Benzolring verdeutlichen will. Dabei ist man sich bewußt, dass hierdurch die wahren Verhältnisse im Molekül nicht im geringsten getroffen werden. Aber diese Schreibweise ist eben praktisch zur Formulierung von Reaktionsmechanismen.

Die zweite Schreibweise trifft die Verhältnisse schon eher: Sechs C-Atome als regelmäßiges Sechseck geschrieben mit einem Kreis in der Mitte. Verdeutlicht wird dadurch, das die pi-Elektronen nicht einer einzeln C-C Bindung zugeschrieben werden können, sondern über den gesamten Sechserring delokalisiert sind, das, was man überlicherweise als Mesomerie beschreibt.

Die Ursache dieser Mesomerie ist das überall in der Natur geltenden Prinzip des Energieminimums, das nämlich Stoffsysteme den für die herrschenden Bedingungen günstigsten Zustand einnehmen. Und für das Benzol bedeutet das nun einmal, dass lokalisierte pi-Elektronenpaare einen energiereicheren Zustand darstellen, weil sie ja immer hervorragende Angriffpunkte für elektrophile Teilchen bilden.

Diese Modellvorstellung von dem, was man Mesomerie nennt und wodurch die Verhältnisse der Elektronenverteilung im Benzolring beschrieben werden, kann ein wenig zum Verständnis der Farbigkeit von organischen Verbindungen beitragen. Im Gegensatz zum Benzol ist im Nitrobenzol das System delokalisierter pii-Elektronen über drei weitere Atome der Nitrogruppe ausgedehnt. Und je weiter ausgedehnt so ein System ist, also je mehr pi Elektronen zu ihm gehören, desto leichter kann es einen Zustand annehmen, den man als "angeregt" beschreibt.

Dieser angeregte Zustand wird durch die Aufnahme von Energie erreicht, man kann sich vorstellen, dass die pi-Elektronen auf ein höheres Energieniveau angehoben werden. Die für die Anregung erforderliche Energie liegt beispielsweise für das Benzol im UV-Bereich, für Farbstoffe im Bereich des sichtbaren Lichtes. Der entsprechende Teil des Spektrums fehlt dann, der Stoff erscheint in der Komplementärfarbe.

Ein gutes Hilfsmittel zur Erkennung, wie gut ein pi-Elektronensystem angeregt werden kann, sind die mesomeren Verhältnisse, die man mit Hilfe mesomerer Grenzstrukturen verdeutlichen kann. Dabei kann man sich die folgende Faustformel merken: Je mehr gleichwertige mesomere Grenzstrukturen existieren, also je weiter ein mesomeres System delokalisiert ist, um so leichter ist eine organische Verbindung anregbar. Und das ist beim Nitrobenzol eindeutig eher der Fall als beim Benzol, bei dem lediglich zwei mesomere Grenzstrukturen existieren. Je leichter aber ein System anregbar ist, um so mehr verschiebt sich sein Absorptionsmaximum in den länderwelligen Bereich: Benzol ist farblos, es absorbiert im Ultravioletten Bereich, Nitrobenzol absorbiert schon blauen Licht.
Noch größer ist das mesomere System des Nitrophenols, entsprechend absorbiert es noch längerwelliges Licht als Nitrobenzol, es ist kräftig gelb.

Halochromie - Bathochromie
Ein besonderer Effekt ist zusätzlich beim p-Nitrophenol zu beobachten: Löst man es in einer Base, zum Beispiel Natronlauge, so tritt eine deutliche Farbvertiefung ein. p-Nitrophenol reagiert hier als Säure und gibt das Proton seiner Hydroxigruppe ab, es bildet sich ein Salz. Daher nent man diesen Effekt der Farbvertiefung (Bathochromie) bei Sazlbildung saurer oder basischer Farbstoffe Halochromie (griech. Hal, das Salz). Interessant ist hierbei das Zusammenwirken der Nitrogruppe mit dem nun negativ geladenen Sauerstoff der ehemaligen Hydroxigruppe. Dabei gibt der Sauerstoff ein freies Elektronenpaar in das mesomere System des Benzolrings (+M-Effekt), die Nitrogruppe nimmt eines heraus (-M - Effekt). Dadurch entsteht ein sogenannter push-pull Effekt, der ein besonders gut delokalisiertes pi-Elektronensystem zur Folge hat. Die Folge ist eine weitere Verschiebung des Absorptionsmaximums in den längerwelligen Bereich.

Auxochrome - antiauxochrome Gruppen
Hiermit meint man Gruppen mit +M-Effekt und -M-Effekt, die analog zur obigen Beschreibung entsprechend im Zusammenwirken das mesomere System vergrößern und so für eine Farbvertiefung sorgen.

Chromophore Gruppen
Der Name bedeutet eigentlich "Farbträger". Ausgehend von der Tatsache, dass man bestimmte Bestandteile in vielen organischen Farbstoffmolekülen wieder findet, betrachtet man z. B. den Phenylrest, Azogruppe und ähnliche Systeme mit konjugierten pi-Elektronen als Grundkörper von Farbstoffe, im Zusammenwirken mit anderen Chromphoren, Auxochromen oder Antiauxochromen einen Farbstoff bilden.

Eine schöne Theorie?
Die Erklärung der Farbigkeit einer Substanz mittels einer Farbtheorie wäre perfekt, wenn man voraussagen könnte, wie sich das Absorptionsmaximum einer Substanz bei Einbringung bestimmter Substituenten verschiebt. Dieses gelingt aber nicht einmal zufriedenstellend bei einfachen Strukturen wie z. B. einfachen konjugierten Doppelbindungssystemen denen man eine Doppelbindung hinzufügt. (Siehe einschlägige Tabellen in den Lehrbüchern). Es gibt genauere und exaktere, aber auch kompliziertere Farbtheorien, die sicher besser sind als die obige Beschreibung (siehe MO - Theorie). Aber auch diesen Konzepten gelingt nicht eine stringente Farbtheorie.