Günter Baars E-Lern- und Lehrmedium: Quantenchemie und Chemie farbiger Stoffe Modul: Quantenchemie und Pigmente Übungen mit Lösungen

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2 Günter Baars E-Lern- und Lehrmedium: Quantenchemie und Chemie farbiger Stoffe Modul: Quantenchemie und Pigmente Übungen mit Lösungen Korrektorat: Dina Baars, Bern Illustrationen: Christoph Frei, Bern 1. Auflage 2010 Alle Rechte vorbehalten Copyright Pädagogische Hochschule PHBern 2

3 Inhaltsverzeichnis Inhaltsverzeichnis 1 Übungen 4 2 Lösungen zu den Übungen 7 3

4 1 Übungen 1. Übungen 1. Thénards Blau [CoAl 2 O 4 ] ist ein synthetisches Pigment, das anfangs des 19. Jahrhunderts erstmals grosstechnisch hergestellt wurde. Für authentische Himmelblautöne in der Landschaftsmalerei ist es das Pigment der Wahl. 1.a Welche Ladung trägt das Kobalt-Ion in diesem Pigment? 1.b Wie viele d-elektronen trifft man in diesem Ion an? 1.c Auf welchem Mechanismus beruht die Farbigkeit des Pigments? 1.d Zeichnen Sie eine mögliche Elektronenkonfiguration der d-elektronen im Grundzustand und die entsprechende Konfiguration im angeregten Zustand. 2.a Versetzt man gebrannten Kalk (CaO) mit Wasser, so entsteht eine alkalische Lösung (eine Lauge). Formulieren Sie für diesen Vorgang die Reaktionsgleichung. 2.b Die Farben eines Freskos sind durch eine feine Kalkschicht geschützt. Wie kommt es zur Ausbildung dieser Kalkschicht (nur Reaktionsgleichung)? 3. Gegeben ist ein oktaedrischer Komplex, der als Zentralteilchen ein Übergangsmetallion besitzt. Welche der mit A, B, C, D und E bezeichneten d-orbitale des Zentralteilchens sind im oktaedrischen Komplex energiereicher, welche energieärmer? (Die Kreise stellen die Liganden dar.) energiereicher: energieärmer: A B C D E 4

5 1 Übungen 4.a Gegeben ist ein oktaedrischer Komplex, dessen Zentralteilchen sechs d-elektronen besitzt. Kreuzen Sie diejenige der abgebildeten Elektronenverteilungen an, welche dem Grundzustand dieses Komplexes entspricht. o o o o o 4.b Zeichnen Sie die Elektronenverteilung für den bei Aufgabe 4.a angekreuzten Komplex im angeregten Zustand. 4.c Warum ist der Komplex von 4.a farbig? 5. In einem Edelstein sind Eisen(II)- und Titan(IV)-Ionen vorhanden. Durch Lichteinfall wird ein Elektron zwischen den beiden verschoben. Welche Ionen liegen nach der Lichtabsorption im Edelstein vor? Vervollständigen Sie die Reaktionsgleichung. Fe 2+ + Ti Welche der folgenden Aussagen treffen auf Berliner Blau zu? Wenn Licht auf Berliner Blau fällt, gibt ein Fe 2+ -Ion ein Elektron ab. Wenn Licht auf Berliner Blau fällt, gibt ein Fe 3+ -Ion ein Elektron ab. Die Farbigkeit von Berliner Blau resultiert aus einem Charge-Transfer-Prozess. Die Farbigkeit von Berliner Blau resultiert aus einem d-d- Übergang. trifft zu trifft nicht zu weiss nicht 5

6 1 Übungen 7. Ein Pigment, das aufgrund eines Elektronenübergangs zwischen Bändern farbig ist, absorbiert nicht nur eine einzige Wellenlänge weil ein Band verschiedene Energiebereiche enthält.... ein Band nur einem einzigen Energiezustand entspricht.... die Bandlücke im sichtbaren Bereich der elektromagnetischen Strahlung liegt.... es verschiedene mögliche Elektronenübergänge zwischen Bändern gibt. trifft zu trifft nicht zu weiss nicht 6

7 2 Lösungen zu den Übungen 2 Lösungen zu den Übungen 1.a Co 2+ Al 2 O 4 1.b Das Ion besitzt 5 d-elektronen. 1.c d-d-übergang 1.d Grundzustand angeregter Zustand 2.a CaO(s) + H 2 O(l) Ca 2+ (aq) + 2 OH - (aq) 2.b Ca 2+ (aq) + 2 OH - (aq) + CO 2 (g) CaCO 3 (s) + H 2 O(l) 3. energiereicher: A, B energieärmer: C, D, E 4.a 4.b o o o o x 4.c Die für den Übergang eines Elektrons in den höheren Schwingungszustand nötige Energie ist im sichtbaren Licht enthalten und wird deshalb vom Komplex absorbiert. Das reflektierte Restlicht entspricht der Farbe des Stoffs. 5. Fe 2+ + Ti 4+ Fe 3+ + Ti 3+ 7

8 2 Lösungen zu den Übungen 6. trifft zu trifft nicht zu Wenn Licht auf Berliner Blau fällt, gibt ein Fe 2+ -Ion ein x Elektron ab. Wenn Licht auf Berliner Blau fällt, gibt ein Fe 3+ -Ion ein x Elektron ab. Die Farbigkeit von Berliner Blau resultiert aus einem x Charge-Transfer-Prozess. Die Farbigkeit von Berliner Blau resultiert aus einem d- x d-übergang. weiss nicht 7. Ein Pigment, das aufgrund eines Elektronenübergangs zwischen Bändern farbig ist, absorbiert nicht nur eine einzige Wellenlänge weil ein Band verschiedene Energiebereiche enthält. x... ein Band nur einem einzigen Energiezustand entspricht.... die Bandlücke im sichtbaren Bereich der elektromagnetischen Strahlung liegt.... es verschiedene mögliche Elektronenübergänge zwi- x schen Bändern gibt. trifft zu trifft nicht zu x x weiss nicht 8

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