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



Ähnliche Dokumente
Korrektorat: Dina Baars, Bern Illustrationen: Christoph Frei, Bern. 1. Auflage 2010 Alle Rechte vorbehalten Copyright Pädagogische Hochschule PHBern

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

5 Elektronengas-Modell und Polyene

3 Elektronengas-Modell und Polyene

Korrektorat: Dina Baars, Bern Illustrationen: Christoph Frei, Bern. 1. Auflage 2010 Alle Rechte vorbehalten Copyright Pädagogische Hochschule PHBern

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

2-01. Das Ethen-Molekül. Perspektivische Darstellung des Ethen-Moleküls.

4 Wir sperren π-elektronen in einen Kasten; das Elektronengas-Modell

4. Die Bedeutung der Endgruppen am Beispiel der Phenylpolyenale und ihrer Farbsalze

2 Einführung in Licht und Farbe

Korrektorat: Dina Baars, Bern Illustrationen: Christoph Frei, Bern. 1. Auflage 2010 Alle Rechte vorbehalten Copyright Pädagogische Hochschule PHBern

Korrektorat: Dina Baars, Bern Illustrationen: Christoph Frei, Bern. 1. Auflage 2010 Alle Rechte vorbehalten Copyright Pädagogische Hochschule PHBern

5 Elektronenübergänge im Festkörper

Günter Baars E-Lern- und Lehrmedium: Quantenchemie und Chemie farbiger Stoffe

Aufgabe 2: Quantenmechanisches Modell für pseudolineare Polyene

6 Die Bedeutung der Endgruppen am Beispiel der Phenylpolyenale und ihrer Farbsalze

Lösungsvorschlag Übung 9

Farbstoffe Einleitung

Die Hückel-Theorie (HMO)

Lernziele zu Farbigkeit von Stoffen

2 Die Atombindung im Wasserstoff-Molekül

Lehrerinformation Brillantblau

4 Die Atombindung im Wasserstoff-Molekül

Spektroskopische Methoden

1. Umlagerung von Azobenzen Speicherung von Energie

Zusammenhang zwischen Farbe, Wellenlänge, Frequenz und Energie des sichtbaren Spektrums

Expertenpuzzle Quadratische Funktionen

Beschreibe die wesentlichen Unterschiede zwischen den einzelnen Anregungsmöglichkeiten.

Arbeitsblatt Wie entstehen Farben?

IV Atomlehre und Periodensystem (Mortimer: Kap. 2 u. 6; Atkins: Kap. 7)

Arbeitsblatt V/2: Version für die Lehrkraft

Günter Baars E-Lern- und Lehrmedium: Quantenchemie und Chemie farbiger Stoffe Modul: Quantenchemie und organische farbige Stoffe

Bilder Ton Zeit [s] Vorspann

Spektroskopie-Seminar SS UV-Vis-Spektroskopie. UV-Vis-Spektroskopie

Grundlagen der Farbmischung

Die Spektralfarben des Lichtes

Korrektorat: Dina Baars, Bern Illustrationen: Christoph Frei, Bern. 1. Auflage 2010 Alle Rechte vorbehalten Copyright Pädagogische Hochschule PHBern

Verschlucktes Licht Wenn Farben verschwinden

Die Farben des Lichts oder Das Geheimnis des Regenbogens

Entwicklung der Atommodelle

H H 436 X X C H 416 X X C C 345 X X C O 358 X X H O 463 X C=C 615 X X C=O 708 X X O=O 498 X X C C 811 X X

Atommodell. Atommodell nach Bohr und Sommerfeld Für sein neues Atommodell stellte Bohr folgende Postulate auf:

Pflichtteilaufgaben zu Stochastik (Pfadregeln, Erwartungswert, Binomialverteilung) Baden-Württemberg

2 Grundlagen der Photochemie

Kompetenzmodell. Geometrisches Zeichnen. Arbeitsblätter

Parallelogramme und Dreiecke A512-03

Chemie für Studierende der Human- und Zahnmedizin WS 2013/14

1. Klausur zur Vorlesung. Einführung in die organische Chemie WS 03/

Schulversuchspraktikum. Isabel Großhennig. Sommersemester Klassenstufen 11 & 12. Farbstoffe. Kurzprotokoll

Wichtige Stoffgruppen. Stoffgruppe. Atomverband. Metallische Stoffe (Gitter) - Metalle - Legierungen (- Cluster) Metall Metall:

4/5 Copyright All R e t ech e vorb al eh : ten

Kantiprüfungsvorbereitung basierend auf den Kanti- und DMS/FMS Prüfungen in SH von Teil 1: Terme, Termumformungen, Gleichungen, Brüche

Toll! Wir wissen nun eine Menge über den Bau von Atomen. Wir können Infos über Elemente aus dem PSE ablesen. Aber als Chemiker wollen wir auch

9. GV: Atom- und Molekülspektren

Sortierverfahren. Lernziele

2. Radikalische Substitution 2.1

8.2. Der harmonische Oszillator, quantenmechanisch

Abschlusstest der Unterrichtseinheit Astronomische Entfernungsbestimmung

3 Elektronen als Teilchen- und Wellenerscheinung

Stark konz., Fluoreszierend

Übungen Atom- und Molekülphysik für Physiklehrer (Teil 2)

Verschlucktes Licht Wenn Farben verschwinden

Günter Baars E-Lern- und Lehrmedium: Quantenchemie und Chemie farbiger Stoffe Leitprogramm: Quantenchemie und chemische Bindung Übungen mit Lösungen

Wechselwirkung zwischen Licht und chemischen Verbindungen

Physik, grundlegendes Anforderungsniveau

Verschlucktes Licht Wenn Farben verschwinden

Die Einheit Mol Stoffmengen können in verschiedenen Einheiten gemessen werden:

Atom-, Molekül- und Festkörperphysik

bestehenden sind, weiterhin benutzt werden. Oft beleuchten unterschiedliche Formalismen Dinge nämlich von unterschiedlichen Blickwinkeln.

Seminar: Photometrie

Einführung in die Biophysik - Übungsblatt 8

Kontrollaufgaben zur Optik

Reaktionskinetik. bimolekularen Reaktion. Für die Konzentraton des Dinitrochlorbenzols [a] gilt: = k

10 Teilchen und Wellen Strahlung schwarzer Körper

Michelson-Interferometer & photoelektrischer Effekt

Club Apollo 13, 14. Wettbewerb Aufgabe 1.

Anhang B. Fragebogen

0.1.1 Exzerpt von B. S. 414: Unendlich hoher Potenzialtopf

Quantenchemie farbiger Stoffe mit Heisenberg und Einstein

Schlüsselbegriffe. Übungsaufgaben:

1. Beschriften Sie den Versuchsaufbau für eine Leitfähigkeitsmessung

Periodensystem, elektromagnetische Spektren, Atombau, Orbitale

Das Versagen der klassischen Physik Die Entwicklung der Quantenphysik. Quantenmechanische Lösung

Verschlucktes Licht Wenn Farben verschwinden

Bundesrealgymnasium Imst. Chemie Klasse 4. Einführung Stoffe

Lk Physik in 13/1 2. Klausur aus der Physik Blatt 1 (von 2)

Allg. Chemie (PC) Probeklausur, 20. Dezember 2017 HS Probeklausur

(21. Vorlesung: III) Elektrizität und Magnetismus 21. Wechselstrom 22. Elektromagnetische Wellen )

Weißes Licht wird farbig

Entstehung des Lichtes und Emissionsspektroskopie

Björn oder die Hürden der Behörden (D 2001, 15 Minuten)

Pentan enthält 12 Atome Wasserstoff, ein Wassermolekül 2 Atome. Es entstehen also 6 Moleküle Wasser:

Anregungen für den Unterricht Primarstufe

Die Silizium - Solarzelle

Arbeitsblatt IV/1: Version für die Lehrkraft

2. Klausur in K2 am

3. Selbstbehalt und Selbstbeteiligung

Ψ = Dexp( k II a) mit k II = [ 2m e (V 0 E)/ 2] 1/2

Transkript:

Günter Baars E-Lern- und Lehrmedium: Quantenchemie und Chemie farbiger Stoffe Modul: Quantenchemie und organische farbige Stoffe Übungen mit Lösungen Korrektorat: Dina Baars, Bern Illustrationen: Christoph Frei, Bern 1. Auflage 010 Alle echte vorbehalten Copyright Pädagogische Hochschule PHBern

Quantenchemie und organische farbige Stoffe Inhaltsverzeichnis Inhaltsverzeichnis 1 Übungen 4 Lösungen zu den Übungen 8 3

1 Übungen 1 Übungen 1. Das Elektron im eindimensionalen Kasten lässt sich mit einer stehenden Welle beschreiben. Was bedeutet dies für die Aufenthaltswahrscheinlichkeit des Elektrons im zweiten Schwingungszustand?. Welche Aussagen treffen auf das Elektron im eindimensionalen Kasten zu? (Zutreffende Antworten ankreuzen) trifft zu trifft weiss nicht zu nicht Die Energie ist im dritten Schwingungszustand dreimal so hoch wie im ersten. Die Energie ist im zweiten Schwingungszustand viermal kleiner als im ersten. Die Energie ist im zweiten Schwingungszustand viermal grösser als im ersten. Das Elektron besitzt keine potentielle Energie. 3. Interpretieren Sie die folgende Abbildung, die ein Elektron im eindimensionalen Kasten in verschiedenen Energiezuständen zeigt. 4. Ohne Wellennatur des Elektrons keine Farben! Warum wären Stoffe wie die Phenylpolyenale, Carotinoide etc. nicht farbig, wenn das Elektron ein klassisches Teilchen wäre? 4

1 Übungen 5.a Berechnen Sie für die folgenden drei farbigen Stoffe A, B und C die maimal absorbierte Wellenlänge λ ber [nm] und die Anregungsenergie ΔE ber [kj mol -1 ]. Tragen Sie die berechneten Werte und die Namen der Farbstoffgruppen in der Tabelle ein. () 3 ΔE ber = 1,88 10 [kj mol -1 ]; λ = 63,71 [nm] Skelettformel Farbstoffgruppe ΔE ber in kj mol -1 λ ber in nm A O B N N + C 5.b Wie gross schätzen Sie die Unterschiede zwischen den berechneten Werten ΔE ber und λ ber und den eperimentellen Werten λ ep und ΔE ep (Begründung)? 6. 8 Elektronen eines Moleküls verhalten sich so, als ob sie in einen eindimensionalen Kasten eingesperrt wären. Was lässt sich über die Energieverteilung dieser 8 Elektronen aussagen? Der Stoff, der aus diesen Molekülen aufgebaut ist, ist farbig. Wie kann man die Farbigkeit modellmässig erklären? 7. Beschreiben Sie in wenigen Sätzen, wie man sich das Zustandekommen der Farbe eines Stoffs modellhaft vorstellt. 8. Gegeben sind zwei blaue Stoffe. Zerlegt man die von diesen beiden Stoffen reflektierte blaue Farbe, so stellt man fest, dass sich im ersten Fall die blaue Farbe nicht weiter zerlegen lässt, während im zweiten Fall eine eihe verschiedener Farben zu beobachten ist. Worin besteht der Unterschied in der Wirkungsweise der Farbstoffmoleküle gegenüber dem Sonnenlicht? 5

1 Übungen 9. Warum genügt das Teilchenmodell für Elektronen nicht, um das Verhalten des Elektrons im eindimensionalen Kasten zu beschreiben? (Zutreffende Antworten ankreuzen) trifft zu trifft weiss nicht zu nicht Laut Teilchenmodell könnte sich das Elektron an jeder Stelle des Kastens aufhalten. Laut Teilchenmodell könnte das Elektron jede beliebige Energie einnehmen. Laut Teilchenmodell könnte die Kastenlänge beliebig lang gewählt werden. Laut Teilchenmodell könnte das Elektron jede beliebige Energie absorbieren. 10. Wie viele delokalisierte Elektronen besitzt ein Farbstoffmolekül, dessen höchster besetzter Schwingungszustand bei n = 6 liegt? 11. Wie erklärt man die Ursache der Farbigkeit von Verbindungen im Elektronengasmodell? trifft zu trifft weiss nicht zu nicht Die Farbe resultiert aus einem Elektronenübergang von einem energiereichen in einen energiearmen Schwingungszustand. Die Farbe resultiert aus einem Elektronenübergang von einem energiearmen in einen energiereichen Schwingungszustand. Eines von den delokalisierten Elektronen nimmt Energie aus dem sichtbaren Licht auf. Es findet ein Elektronenübergang vom höchsten besetzten ins tiefste unbesetzte Energieniveau statt. 1. Ordnen Sie die maimal absorbierten Wellenlängen den entsprechenden Verbindungen zu, indem Sie in jeder Klammer die zutreffende Antwort ankreuzen. (Es ist zur Beantwortung der Aufgabe NICHT nötig, die Wellenlängen auswendig gelernt zu haben!) Trienal absorbiert bei (o 440 nm / o 353 nm) maimal, Heptaenal bei (o 440 nm / o 353 nm). 6

1 Übungen Das Carboonium-Salz von Pentaenal absorbiert bei (o 630 nm / o 78 nm) maimal, das Carboonium-Salz von Heptaenal bei (o 630 nm / o 78 nm). Das Immonium-Salz von Pentaenal absorbiert bei (o 587 nm / o 440 nm) maimal, Heptaenal bei (o 587 nm / o 440 nm). 13. Ordnen Sie die folgenden Verbindungen A, B, C der richtigen Farbstoffklasse zu. (Zutreffende Spalte ankreuzen) Cyanin Polyen Phenylpolyenal Carboonium-Salz eines Phenylpolyenals A N CH CH CH CH CH + N B O H C 14. Gegeben sind vier Verbindungen A, B, C und D, deren delokalisiertes System aus je 1 Elektronen besteht. A ist ein Polyen, B ein Phenylpolyenal, C das Carboonium- Ion von B, D das Immonium-Ion von B. 14.a Berechnen Sie die Anregungsenergie ΔE ber. 14.b Die eperimentell bestimmten Werte ΔE ep betragen: A: ΔE ep = 34,1 kj mol -1 B: ΔE ep = 94,8 kj mol -1 C: ΔE ep = 190,5 kj mol -1 D: ΔE ep = 04,4 kj mol -1 Berechnen Sie die V korr -Werte für A, B, C und D. 14.c In welcher Verbindung sind die Elektronen am besten delokalisiert? 14.d Wozu wird die Energiedifferenz zwischen ΔE ep und ΔE ber verwendet? 7

Lösungen zu den Übungen Lösungen zu den Übungen 1. Das Elektron kann im eindimensionalen Kasten nur ganz bestimmte Energiezustände (stehende Wellen; Schwingungszustand) besitzen. Im. Schwingungszustand bildet die stehende Welle einen Knoten zwischen den Seitenwänden des Kastens. Das Quadrat dieser stehenden Welle sagt demnach aus, dass das Elektron mit grösster Wahrscheinlichkeit in der Mitte der beiden Kastenhälften zu finden ist. In der Mitte des Kastens hingegen ist das Elektron nie anzutreffen (ψ : Aufenthaltswahrscheinlichkeit).. trifft zu trifft nicht zu Die Energie ist im dritten Schwingungszustand dreimal so hoch wie im ersten. Die Energie ist im zweiten Schwingungszustand viermal kleiner als im ersten. Die Energie ist im zweiten Schwingungszustand viermal grösser als im ersten. Das Elektron besitzt keine potentielle Energie. weiss nicht 3. Das Elektron im eindimensionalen Kasten kann nur ganz bestimmte Energiezustände (stehende Wellen; Schwingungszustände) einnehmen. Die Wellenlänge muss dabei L den Wert λ = annehmen (n: Nummer des Schwingungszustands). n 4. Ein Elektron als klassisches Teilchen könnte jede beliebige Energie aufnehmen. Damit würde jeder Stoff das gesamte sichtbare Licht absorbieren. Der Stoff wäre schwarz. 3 () 5.a ΔE ber = 1,88 10 [kj mol -1 ]; λ ber = 63,71 [nm] Phenylpolyenale: N = 1; z = 1; = 144,6 kj mol -1 N = 1; z = 1; λ = 63,71 () = 88,3 nm ber 8

Lösungen zu den Übungen 3 () Cyanine: N = 1; z = 11; ΔE ber = 1,88 10 = 169,7 kj mol -1 N = 1; z = 11; = λ ber = 63,71 = 705,71 nm Polyene: N = 1; z = 1; = 144,6 kj mol -1 N = 1; z = 1; λ = 63,71 = 88,3 nm ber Skelettformel Farbstoffgruppe ΔE ber in kj mol -1 λ ber in nm A O Phenylpolyenale 144,6 88,3 B N N + Cyanine 169,7 705,71 C Polyene 144,6 88,3 5.b Bei den Cyaninen ist der Unterschied zwischen ΔE ber und ΔE ep nicht sehr gross, da die π-elektronen praktisch vollständig über das gesamte Molekülion delokalisiert sind. Entsprechendes gilt für die λ ber - und λ ep -Werte. Die π-elektronen sind in den Molekülen der Phenylpolyenale und der Polyene praktisch nicht delokalisiert. Deshalb müssen die eperimentellen Werte stark von den berechneten abweichen. Für ΔE ber sind die berechneten Werte viel zu niedrig bzw. für λ ber viel zu hoch. 6. Die 8 Elektronen nehmen die 14 energieärmsten Zustände ein. Für den Übergang eines Elektrons vom 14. (dem höchsten besetzten Zustand; HOMO) in den 15. Energiezustand (den niedrigsten unbesetzten Zustand; LUMO) genügt die Energie einer bestimmten Wellenlänge (einer bestimmter Farbe) des sichtbaren Lichts. Diese wird absorbiert, die Mischung der reflektierten Wellenlängen entspricht der Farbe des Gegenstands. 7. Die kleinsten Teilchen eines farbigen Stoffs besitzen ein System mehr oder weniger gut delokalisierter Elektronen (ein System konjugierter Doppelbindungen). Absorbiert ein π-elektron einen bestimmten Teil des sichtbaren Lichts, so ist der Stoff farbig. Die 9

Lösungen zu den Übungen nicht absorbierten Lichtanteile werden vom Sehorgan des Menschen als Farbe des Gegenstands wahrgenommen. 8. Erster Fall: Der blaue Stoff (seine kleinsten Teilchen) absorbiert alle Farben des sichtbaren Lichts, mit Ausnahme der blauen Farbe. Zweiter Fall: Der blaue Stoff (seine kleinsten Teilchen) absorbiert die Komplementärfarbe von Blau (Orange). Die Mischung der nicht absorbierten Lichtanteile wird vom Sehorgan des Menschen als Farbe Blau des Gegenstands wahrgenommen. 9. trifft zu Laut Teilchenmodell könnte sich das Elektron an jeder Stelle des Kastens aufhalten. Laut Teilchenmodell könnte das Elektron jede beliebige Energie einnehmen. Laut Teilchenmodell könnte die Kastenlänge beliebig lang gewählt werden. Laut Teilchenmodell könnte das Elektron jede beliebige Energie absorbieren. trifft nicht zu weiss nicht 10. Jeder Schwingungszustand kann mit zwei Elektronen besetzt werden. Folglich lassen sich dem Farbstoffmolekül 1 π-elektronen zuordnen. 11. trifft zu Die Farbe resultiert aus einem Elektronenübergang von einem energiereichen in einen energiearmen Schwingungszustand. Die Farbe resultiert aus einem Elektronenübergang von einem energiearmen in einen energiereichen Schwingungszustand. Eines von den delokalisierten Elektronen nimmt Energie aus dem sichtbaren Licht auf. Es findet ein Elektronenübergang vom höchsten besetzten ins tiefste unbesetzte Energieniveau statt. trifft nicht zu weiss nicht 1. Trienal absorbiert bei (o 440 nm / 353 nm) maimal, Heptaenal bei ( 440 nm / o 353 nm). Das Carboonium-Salz von Pentaenal absorbiert bei ( 630 nm / o 78 nm) maimal, das Carboonium-Salz von Heptaenal bei (o 630 nm / 78 nm). 10

Lösungen zu den Übungen 13. Das Immonium-Salz von Pentaenal absorbiert bei ( 587 nm / o 440 nm) maimal, Heptaenal bei (o 587 nm / 440 nm). A N CH CH CH CH CH + N Cyanin Polyen Phenylpolyenal O Carboonium-Salz eines Phenylpolyenals B H C 3 () 14.a ΔE ber = 1,88 10 [kj mol -1 ] A) Polyen: N = 1; z = 1; B) Phenylpolyenal: N = 1; z = 1; C) Carboonium-Ion: N = 1; z = 1; D) Immonium-Ion: N = 1; z = 1; = 144,6 kj mol -1 = 144,6 kj mol -1 = 144,6 kj mol -1 = 144,6 kj mol -1 14.b V korr = ΔE ep - ΔE ber A): V korr = 179,5 kj mol -1 ; B): V korr = 150, kj mol -1 ; C): V korr = 45,9 kj mol -1 ; D): V korr = 49,8 kj mol -1 14.c Je kleiner V korr, desto besser sind die π-elektronen delokalisiert. 14.d Die Werte V korr gelten als Mass für die Delokalisierung von π-elektronen. 11