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Farben und Chemie: Alles über Farbstoffe, Absorption und Aromaten!

Name: Knowunity
Brand: Knowunity

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Farben und Chemie: Alles über Farbstoffe, Absorption und Aromaten!

Natalia Brunsmann

@natbrm

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Farbstoffe und Farbigkeit in der Chemie: Eine umfassende Einführung für Schüler

Die Chemie der Farben ist ein faszinierendes Thema, das die Grundlagen des sichtbaren Lichts und die molekularen Strukturen, die für Farbigkeit verantwortlich sind, umfasst. Diese Zusammenfassung erklärt die wichtigsten Konzepte:

Sichtbares Licht umfasst Wellenlängen von 380-780 nm im elektromagnetischen Spektrum
Chromophore sind konjugierte Doppelbindungssysteme, die für Farbigkeit verantwortlich sind
Auxochrome sind Molekülgruppen, die die Farbintensität beeinflussen
Die Hückel-Regel definiert aromatische Verbindungen
Elektrophile Substitution ist eine wichtige Reaktion bei Aromaten
Azofarbstoffe sind eine bedeutende Klasse von synthetischen Farbstoffen

5.3.2021

3379

OS
*Merimal:
Eigenschaften des Lichts:
Sichtbarer Bereich des Lichts: Wellenlängenbereich 380nm-780nm
des elektromagnetischen Spektrums
Lich

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Veränderung von Erstsubstituenten und Azofarbstoffe

Erstsubstituenten an Aromaten können durch verschiedene Reaktionen verändert werden. Dies ermöglicht die Synthese einer Vielzahl von Verbindungen aus einfachen aromatischen Grundstrukturen.

Wichtige Umwandlungen von Erstsubstituenten:

Reduktion von Nitrogruppen: NO₂ → NH₂ (mit Sn/HCl oder H₂/Kat)
Oxidation von Alkylresten: -CH₃ → -COOH (mehrstufige Oxidation mit KMnO₄)

Example: Toluol (Methylbenzol) kann durch Oxidation in Benzoesäure umgewandelt werden.

Azofarbstoffe sind eine wichtige Klasse synthetischer Farbstoffe mit der charakteristischen Azogruppe (-N=N-). Sie haben vielfältige Anwendungen:

Färbemittel für Wolle und Leder
Lebensmittelfarbstoffe
Säure-Base-Indikatoren

Vocabulary: Die Azogruppe (-N=N-) ist die namensgebende funktionelle Gruppe der Azofarbstoffe.

Azofarbstoffe bestehen typischerweise aus aromatischen Ringsystemen, die durch die Azogruppe verbunden sind. Oft enthalten sie zusätzliche Substituenten, die die Farbeigenschaften und andere Charakteristika beeinflussen.

Highlight: Die Vielseitigkeit der Azofarbstoffe macht sie zu einer der wichtigsten Klassen synthetischer Farbstoffe in der modernen Industrie.

Die Chemie der Farbstoffe und der Farbigkeit ist ein faszinierendes Gebiet, das Grundlagen der Quantenmechanik, organischen Chemie und Materialwissenschaften vereint. Das Verständnis dieser Konzepte ermöglicht es Chemikern, neue Farbstoffe zu entwickeln und bestehende zu optimieren, was weitreichende Anwendungen in Industrie, Medizin und Technologie hat.

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Eigenschaften des Lichts und Grundlagen der Farbigkeit

Die Farbigkeit in der Chemie basiert auf den Eigenschaften des Lichts und der Wechselwirkung von Licht mit Materie. Der sichtbare Bereich des Lichts umfasst Wellenlängen von 380 nm bis 780 nm im elektromagnetischen Spektrum.

Die Absorption von Licht durch Moleküle führt zu Elektronenübergängen zwischen verschiedenen Energieniveaus, insbesondere vom HOMO (höchstes besetztes Molekülorbital) zum LUMO (niedrigstes unbesetztes Molekülorbital).

Definition: HOMO steht für "highest occupied molecular orbital" und LUMO für "lowest unoccupied molecular orbital".

Die Farbigkeit von Molekülen wird durch zwei Hauptfaktoren bestimmt:

Chromophore: Dies sind konjugierte Doppelbindungssysteme, die für die Grundfarbigkeit verantwortlich sind.
Auxochrome: Diese Molekülgruppen liefern oder nehmen Elektronen auf und beeinflussen dadurch die Farbintensität.

Highlight: Je länger das konjugierte System eines Chromophors ist, desto längerwelliges Licht wird absorbiert, was zu einer Verschiebung der Farbe in Richtung Rot führt. Dies wird als bathochrome Verschiebung bezeichnet.

Die Mesomerie spielt eine wichtige Rolle bei der Farbigkeit. Je vollkommener die Mesomerie, desto längerwelliges Licht wird absorbiert.

Vocabulary: Mesomerie beschreibt die Erscheinung, dass die Elektronenverteilung zwischen mehreren (fiktiven) Grenzformeln liegt.

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Aromaten und die Hückel-Regel

Aromaten sind eine besondere Klasse von zyklischen, ungesättigten Kohlenwasserstoffen mit besonderen Eigenschaften. Die Hückel-Regel, benannt nach Erich Hückel, definiert aromatische Verbindungen:

Definition: Ein Aromat ist eine Verbindung, deren ebenes (planares) und ringförmiges, konjugiertes System (4n+2) delokalisierte Elektronen besitzt, wobei n eine ganze Zahl ist (n = 0, 1, 2, ...).

Benzol ist das klassische Beispiel für einen Aromaten mit 6 delokalisierten Elektronen (4·1+2, n=1).

Wichtige Eigenschaften von Aromaten:

Alle C-C Bindungen sind gleich lang
Sie bilden ein regelmäßiges, planares Sechseck
Die Bindungslänge liegt zwischen einer Einfach- und einer Doppelbindung (139 pm)
Aromaten sind um 151 kJ/mol energieärmer als das hypothetische Cyclohexatrien (Mesomerieenergie)

Example: Benzol (C₆H₆) ist der einfachste Aromat und dient als Grundstruktur für viele komplexere aromatische Verbindungen.

Elektrophile Substitution (SE) ist die charakteristische Reaktion von Aromaten. Dabei wird ein Wasserstoffatom durch ein Elektrophil ersetzt. Wichtige elektrophile Substitutionsreaktionen sind:

Halogenierung (z.B. mit Br₂)
Sulfonierung (z.B. mit SO₃)
Nitrierung (z.B. mit HNO₃)
Alkylierung (z.B. mit C₂H₄)

Highlight: Die KKK-Regel (Kälte, Katalysator, Kern) begünstigt die elektrophile Substitution am aromatischen Ring, während die SSS-Regel (Sonnenlicht, Siedehitze, Seitenkette) Reaktionen an der Seitenkette fördert.

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Elektrophile Zweitsubstitution und Effekte von Substituenten

Bei der elektrophilen Zweitsubstitution an Aromaten nimmt der Erstsubstituent Einfluss auf die Reaktivität und Orientierung der Zweitsubstitution. Dies geschieht durch induktive (I-Effekt) und mesomere Effekte (M-Effekt).

Definition:

I-Effekt: Änderung der Elektronendichte im Ring aufgrund einer Elektronegativitätsdifferenz

M-Effekt: Einbeziehung bzw. Herausziehen eines Elektronenpaares in die / aus der Mesomerie des Ringes

Substituenten können die Reaktivität des Rings im Vergleich zu Benzol erhöhen (Aktivierung) oder verringern (Desaktivierung). Sie dirigieren auch die Zweitsubstitution in bestimmte Positionen:

ortho (o): direkt benachbart
para (p): gegenüber
meta (m): mittig

Example:

Aktivierende Gruppen mit +M-Effekt (z.B. -OH, -NH₂) dirigieren in o,p-Position

Desaktivierende Gruppen mit -M-Effekt (z.B. -NO₂, -COOH) dirigieren in m-Position

Die Reaktivität und Orientierung hängen vom Zusammenspiel von I- und M-Effekten ab:

Wenn -I < +M, erfolgt die Zweitsubstitution in o,p-Position
Wenn -I > +M, erfolgt die Zweitsubstitution in m-Position

Highlight: Die Kenntnis dieser Effekte ist entscheidend für die Vorhersage und Kontrolle von Reaktionen in der organischen Synthese.

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Veränderung von Erstsubstituenten und Azofarbstoffe

Erstsubstituenten an Aromaten können durch verschiedene Reaktionen verändert werden. Dies ermöglicht die Synthese einer Vielzahl von Verbindungen aus einfachen aromatischen Grundstrukturen.

Wichtige Umwandlungen von Erstsubstituenten:

Reduktion von Nitrogruppen: NO₂ → NH₂ (mit Sn/HCl oder H₂/Kat)
Oxidation von Alkylresten: -CH₃ → -COOH (mehrstufige Oxidation mit KMnO₄)

Example: Toluol (Methylbenzol) kann durch Oxidation in Benzoesäure umgewandelt werden.

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Definition: HOMO steht für "highest occupied molecular orbital" und LUMO für "lowest unoccupied molecular orbital".

Die Farbigkeit von Molekülen wird durch zwei Hauptfaktoren bestimmt:

Chromophore: Dies sind konjugierte Doppelbindungssysteme, die für die Grundfarbigkeit verantwortlich sind.
Auxochrome: Diese Molekülgruppen liefern oder nehmen Elektronen auf und beeinflussen dadurch die Farbintensität.

Highlight: Je länger das konjugierte System eines Chromophors ist, desto längerwelliges Licht wird absorbiert, was zu einer Verschiebung der Farbe in Richtung Rot führt. Dies wird als bathochrome Verschiebung bezeichnet.

Die Mesomerie spielt eine wichtige Rolle bei der Farbigkeit. Je vollkommener die Mesomerie, desto längerwelliges Licht wird absorbiert.

Vocabulary: Mesomerie beschreibt die Erscheinung, dass die Elektronenverteilung zwischen mehreren (fiktiven) Grenzformeln liegt.

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Definition: Ein Aromat ist eine Verbindung, deren ebenes (planares) und ringförmiges, konjugiertes System (4n+2) delokalisierte Elektronen besitzt, wobei n eine ganze Zahl ist (n = 0, 1, 2, ...).

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Wichtige Eigenschaften von Aromaten:

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