Übersicht

Ziel:

Verständnis der Wechselwirkung zwischen den kleinsten Bausteinen eines farbigen Stoffs und dem sichtbaren Bereich der elektromagnetischen Strahlung.

Leitfragen:

• Wann sind Stoffe farbig?
• Welche Faktoren bestimmen die Anregungsenergie eines farbigen Stoffs?

Zeitbedarf: ca. 18 Lektionen

Unsere Welt ist nicht farbig. Erst das menschliche Sehorgan erzeugt im Hirn den farbigen Eindruck, der durch Reflektion von elektromagnetischer Strahlung im sichtbaren Bereich eines farbigen Gegenstands erzeugt wird.
Von den uns umgebenden farbigen Stoffen ist Paprika der Ausgangspunkt in diesem Modul, um auf Teilchenebene die Frage zu beantworten, wann Stoffe farbig sind. Mit den dabei gewonnenen Erkenntnissen wird dann die Verbindung zum Sehvorgang hergestellt.
Das anschliessend entwickelte Elektronengas-Modell liefert mit einfachen algebraischen Rechnungen Formeln für die Bestimmung von Anregungsenergie und absorbierter Wellenlänge. Das Modell wird dann anhand der Cyanin-Farbstoffe überprüft.
Die Anwendung auf weitere Farbstoffgruppen (Polyene, Phenylpolyenale und ihre Farbsalze) zeigt, dass das Elektronengas-Modell in seinen Aussagen nicht genügt, sondern erweitert werden muss. Das Ergebnis sind Formeln, die mithilfe theoretisch berechneter und experimentell bestimmter Werte der Absorptionsenergie das Ausmass der Delokalisation von π-Elektronen zeigen. Verantwortlich dafür sind Länge und Endgruppen eines linearen Farbstoffmoleküls oder Farbstoffions.

Einsatz im Unterricht
Nach dem Modul 1 «Wellen, Licht und Elektronen» sollte ohne grossen zeitlichen Unterbruch mit der Unterrichtseinheit «Quantenchemie und organische farbige Stoffe» begonnen werden. Dazu müssen die Phenylpolyenale bereits synthetisiert sein (Synthesevorschrift im Abschnitt 5.3 des Moduls). Die Farbstoffe sind mehrere Jahre haltbar, wenn sie möglichst wenig verunreinigt sind und im Kühlschrank aufbewahrt werden.
Auf die Abschnitte 5.3 und 5.4 (Rechnungen zum eindimensionalen Kasten) kann z. B. bei Zeitmangel verzichtet werden.

Unterrichtsmaterial
Zum Experimentieren stehen neben Paprika-Pulver die Phenylpolyenale («Polyenale») und ihre Farbsalze im Zentrum. Die Synthese der Polyenale ist aufwendig und sollte rechtzeitig vor Beginn des Moduls durch die Lehrkraft durchgeführt werden. Die dazu nötigen Chemikalien sind nicht unbedenklich und müssen mit allergrösster Vorsicht gehandhabt werden. Die genauen Vorschriften für die Synthese von Trienal, Pentaenal und Heptaenal findet man im Abschnitt 5.3.1
Zur Reinheitsprüfung und zur Messung der maximalen Absorption benötigt man Material zur Dünnschichtchromatografie und ein Spektralfotometer.

Als Ergänzung stehen eine Powerpoint-Präsentation sowie zusätzliche Übungen zur Verfügung.