IQB 01 - Bromkresolgrün – nicht nur grün - Zentrales Thema - Farbstoffe
1. Inhaltsbereiche: ♦Stoffe, Strukturen, Eigenschaften ♦ Natürliche und synthetische Stoffe ♦ Farbstoffe ♦Chemische Reaktionen ♦ Protonenübergänge ♦ Säure-Base-Konzept nach Brönsted ♦ Gleichgewichtsreaktionen ♦ chemisches Gleichgewicht ♦ Prinzip von Le Chatelier ♦Arbeitsweisen ♦- Quantitative und Instrumentelle Analyse
Reaktionskinetik = ♦ Gleichgewichtsreaktionen ♦ chemisches Gleichgewicht ♦ Prinzip von Le Chatelier
2. Download der Aufgabe im Januar 2025 unter:
https://www.iqb.hu-berlin.de/abitur/sammlung/naturwissenschaften/chemie/ bzw. unter:
3. Anmerkungen zur Aufgabe unter:
IQB 01 - Bromkresolgrün – nicht nur grün - Zentrales Thema - Farbstoffe - Chemiestunde bei Herrn Griesar
Hinweis: Die Erwartungshorizont formulierte Antwort ist etwas irreführend. Struktur A müsste farblos sein! Ohne eine Ringöffnung lässt sich die gelbe Form des Bromkresolgrüns nicht erklären!
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1. Erläutern Sie anhand der Struktur B von Bromkresolgrün unter Berücksichtigung der farbgebenden Molekülteile die Grundlagen der Farbigkeit organischer Verbindungen (M 1).
Grundlagen der Farbigkeit (für das Abitur lernen!)
a) Drei Regeln zur Farbigkeit durch Absorption von Licht:
Die Elektronen eines Stoffes können bestimmte Energiestufen einnehmen bzw. Orbitale besetzen.)
1. Die Absorption von Licht beruht auf (E1-E2/π– π*/HOMO-LUMO/d-d-) Elektronensprüngen bzw. Elektronenanregungen:
Bei der Absorption von Licht wird die eingestrahlte Lichtenergie für einen „Elektronensprung“ vom Grundzustand E1 in den angeregten Zustand (= ein energetisch
höher liegendes Orbital) E2 genutzt.
Bei organischen Farbstoffen ist die Anregung von π-Elektronen in konjugierten DB-Systemen
wichtig. Doppelbindungen bestehen immer aus einer π-Bindung und ein sigma-Bindung.
Elektronen gehen von bindenden π -Orbitale in antibindende π*-Orbitale über. Man spricht auch von „HOMO“ - „LUMO“-Übergängen. Bei Komplexverbindungen sind d-d-Übergänge wichtig!
Beim Rückfall des Elektrons in den Grundzustand wird die zuvor eingestrahlte Lichtenergie als Wärmebewegungsenergie abgegeben. Die zuvor eingestrahlte Lichtenergie wird somit absorbiert („verschluckt“)
2. Absorbiert wird Licht(energie), für deren Wellenlänge λ gilt: Energiedifferenz (zwischen E1 und E2) ΔE = h • c/λ
Aus der IQB-Formelsammlung ergibt sich:
c= Lichtgeschwindigkeit, h = Planck-Konstante, λ = Wellenlänge
Bei dieser Wellenlänge λ, deren Energie für den „Elektronensprung“ nötig ist, tritt im Absorptionsspektrum ein Absorptionsmaximum λmax auf.
3. Die IQB-Formelsammlung zeigt: Zu jedem λmax bzw. zu jeder absorbierten Spektralfarbe gehört eine sichtbare Komplementärfarbe. Diese sichtbare Komplementär-Farbe ist die Mischfarbe des reflektierten = nicht-absorbierten Lichts.
Quelle: Mathematisch-naturwissenschaftliche Formelsammlung
https://www.iqb.hu-berlin.de/abitur/abitur/dokumente/naturwissenschaften/N_Mathematischna.pdf
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Exkurs: Drei Beispiele zum Umgang mit der IQB-Formelsammlung: 1. Bsp.: Stoff 1 hat ein λmax bei 400nm => die absorbierte Spektral-Farbe ist violett (380 bis 440 nm), die sichtbare Komplementär-Farbe ist gelbgrün.
2. Bsp.: Stoff 2 hat ein λmax bei 400nm und ein λmax bei 600nm => die absorbierte Farbe für das 1. λmax ist violett die sichtbare Farbe ist gelbgrün. => die absorbierte Farbe für das 2. λmax ist orange (595 bis 605 nm), die sichtbare Farbe ist grünblau. => Wir sehen die Mischfarbe aus gelbgrün und grünblau: grün
3. Bsp.: Ein Stoffgemisch enthält die Stoffe A (λmax = 460nm) und Stoffe B (λmax = 585nm). Es ergeben sich die sichtbaren Farben gelb und blau => Die sichtbare Mischfarbe des Farbstoffgemischs ist grün. |
Grundlagen der Farbigkeit (für das Abitur lernen!)
a) Drei Farbstoffregeln
1. Regel (Größe des Chromophors = konjug. DB-Systems): Mit steigender Zahl konjugierter Doppelbindungen verschiebt sich das λmax in den langwelligen Bereich (=bathochrome Verschiebung). Faustregel: Für konjugierte Polyene gilt: Farbigkeit ab ca. 9 (λmax > 400nm) bis 19 (λmax < ca. 780 nm) konjug. Doppelbindungen auf!
2. Regel (Auxochrome und antiauxochrone Gruppen): Das Einfügen von Gruppen mit +M-Effekt (Auxochrom) oder –M-Effekt (Antiauxochrom) bewirkt eine bathochrome Verschiebung durch Erweiterung des konjugierten DB-Systems, die beim Zusammenwirken von Auxochrom und Antiauxochrom besonders groß ist.
[3. Regel (nur für Experten): Die bathochrome Verschiebung ist um so größer, je mehr energieähnliche bzw. energetisch günstige mesomere Grenzformeln sich formulieren lassen. Dies ist eben dann der Fall, wenn Auxochrom und Antiuauchrom zusammenwirken!]
„Farbgebende Molekülteile“ sind also:
1. Chromophor = das konjugiertes DB-System, in das auxochrome und antiauxochrome Gruppen i. d. R. nicht einberechnet werden. Wenn das konjugierte DB-System am zentralen C-Atom eines Triphenlymethanfarbstoffs unterbrochen ist, dann ist der Farbstoff farblos (λmax < 400 nm)
2. auxochrome Gruppen mit +M-Effekt und anitauxochrome Gruppen mit –M-Effekt
Chromophor des Bromkresolgrün: 3 Phenylringe
Auxochrome: Oxo-Gruppen und Brom-Atome (mit +M-Effekt)
Antiauxochrom: Sulfonat-Gruppe (mit -M-Effekt)
Sie führen gemeinsam zur Vergrößerung des delokalisierten π-Elektronensystems und zur bathohromen Verschiebung des Absorptionsmaximums (λmax) hin zu größeren
Wellenlängen (vgl. 2. Regel).
2 Begründen Sie, bei welcher der beiden Formen A und B von Bromkresolgrün es sich um die gelbe bzw. die blaue Form handelt (M 1, M 2). Erklären Sie den Farbumschlag mit Hilfe des Prinzips von Le Chatelier.
Die Musterlösung
des IQB und die im Erwartungshorizont formulierte Antwort ist etwas irreführend. Struktur A müsste farblos sein! Ohne eine Ringöffnung lässt sich die gelbe Form des Bromkresolgrüns nicht
erklären!
Eine neutrale phenolische –OH-Gruppe besitzt freie Elektronenpaare am O-Atom, die sie in das π-System eines aromatischen Rings einbringen kann, sie hat einen +M (also einen π-Elektronendonatoren)-Effekt.
Entscheidend ist: Der +M-Effekt einer deprotonierten –O--Gruppe ist größer. Die -O--Gruppe ist negativ geladen, besitzt also zusätzliche Elektronendichte und damit eine stärkere Elektronendonatorfähigkeit und damit eine größere auxochrome Wirkung. Dadurch wird eine bathochrome Verschiebung des Absorptionsmaximums zu höheren Wellenlängen von 440-480 nm (sichtbare Farbe: gelb) zu 580-595 nm (sichtbare Farbe: blau ermöglicht) möglich.
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Prinzip von Le Chatelier: Wird die Konzentration eines Stoffes im Gleichgewicht erhöht, wird zur Wiedereinstellung eines
Gleichgewichtszustandes die Reaktion bevorzugt ablaufen, die diesen Stoff verbraucht (Prinzip des kleinsten Zwangs/Prinzip von Le Chatelier). Erhöht die Konzentration eines Endprodukts, so setzt die Rückreaktion ein, das zugesetzte Endprodukt verbraucht; das Gleichgewicht verschiebt sich nach links. |
Die Moleküle eines Indikators bilden ein Säure-Base-Paar, sie sind selbst schwache Säuren (oder Basen). Das Molekül der Indikatorsäure wird vereinfacht als HInd bezeichnet. Nach Abgabe eines Protons bleibt die so genannte korrespondierende
Indikatorbase Ind− zurück.
Es liegen folgende Protolyse-Gleichgewichte vor:
(1) HInd (Farbe I) + H2O ó
Ind-- (Farbe II) + H3O+
(2) HInd + OH- (Farbe II) ó Ind-
(Farbe I) + H2O
Laut dem Prinzip von Le Chatelier gilt:
Bei Zugabe von Säure (H3O+) verschiebt sich das o. g. Gleichgewicht 1 nach links
=> Die Farbe I der Indikatorsäure HInd zeigt sich.
Bei Zugabe von Säure (OH-) verschiebt sich das o. g. Gleichgewicht 2 nach rechts
=> Die Farbe II der Indikatorbase Ind- zeigt sich.
• Die protonierte Form dieses Säure-Base-Paares bildet die Indikatorsäure HInd, die deprotonierte Form bildet die Indikatorbase Ind-.
• Die protonierte Form HInd entspricht der Form A, die deprotonierte Form Ind- entspricht der Form B:
HInd = A, Ind- = B
HInd + H2O ó Ind- + H3O+
(A=gelb) + H2O ó (B=blau) + H3O+
Wird der pH-Wert gesenkt, d. h. die H3O+-Ionen-Konzentration erhöht, reagieren die H3O+-Oxonium-Ionen mit Struktur B und es kommt zu einem Farbumschlag von blau zu gelb.