thema: organische farbstoffe im schulunterricht...farben und farbstoffe im unterricht zu behandeln...
TRANSCRIPT
Wissenschaftliche Hausarbeit im Rahmen der Ersten Staatsprüfung für das Lehramt
an Gymnasien im Fach Chemie,
eingereicht dem Landesschulamt - Prüfungsstelle Marburg.
Thema: Organische Farbstoffe im Schulunterricht
Verfasserin: Maren Elisabeth Caroline Weigand
Gutachter: Herr Dr. Philipp Reiß
Abgabedatum: 27. November 2013
Quelle: www.chids.de
„Es ist heilsam, sich mit farbigen Dingen zu umgeben. Was das Auge freut, erfrischt
den Geist, und was den Geist erfrischt, erfrischt den Körper.“1
Prentice Mulford (1834 - 1891)
Journalist, Erzieher, Goldgräber
Danksagung
Auf diesem Wege möchte ich mich bei Herrn Jonas Hühn und Herrn Andreas Schrimpf für die
Bereitstellung der von Ihnen selbst gedrehten Videoversuche zum Thema Organische Farbstoffe
bedanken. Weiterhin möchte ich meinen Dank an Herrn Dr. Reiß aussprechen, der mir diese Arbeit
überhaupt erst ermöglicht hat.
Mein besonderer Dank geht an meine Familie, die mich immer unterstützt, und an meine Freunde
und Kommilitonen, die meine Studienzeit in Marburg bereichert und die anstrengenden Laborzeiten
versüßt haben!
I Organische Farbstoffe im Schulunterricht
Inhalt
1 Einleitung ......................................................................................................................................... 3
1.1 Vorwort ................................................................................................................................... 3
1.2 Lehrplanbezug und Schulrelevanz ........................................................................................... 4
1.3 Einführung im Schulunterricht ................................................................................................ 5
2 Grundlagen – eine interdisziplinäre Behandlung ............................................................................ 6
2.1 Licht ......................................................................................................................................... 6
2.1.1 Elektromagnetische Strahlung ........................................................................................ 6
2.1.2 Sichtbares Spektrum ....................................................................................................... 8
2.1.3 Welle-Teilchen-Dualismus ............................................................................................. 12
2.2 Farbmischungen .................................................................................................................... 24
2.2.1 Additive Farbmischung .................................................................................................. 24
2.2.2 Subtraktive Farbmischung ............................................................................................. 34
2.3 Farbentstehung ..................................................................................................................... 41
2.3.1 Absorption ..................................................................................................................... 41
2.3.2 Emission......................................................................................................................... 64
3 Farbstoffklassen ............................................................................................................................ 73
3.1 Triphenylmethanfarbstoffe ................................................................................................... 73
3.2 Azofarbstoffe ......................................................................................................................... 82
3.3 Polymethinfarbstoffe ............................................................................................................ 87
3.4 Anthocyane ........................................................................................................................... 94
4 Farben in Technik, Labor und Alltag .............................................................................................. 97
4.1 Funktionelle Farbstoffe ......................................................................................................... 97
4.1.1 Indikatoren und Nachweise .......................................................................................... 97
4.1.2 Farbstoff-Marker ......................................................................................................... 104
4.1.3 Solvatochromie und Thermochromie ......................................................................... 105
4.1.4 Funktionelle Farbstoffe in Organismen ....................................................................... 108
4.2 Färbungen ........................................................................................................................... 109
II Organische Farbstoffe im Schulunterricht
4.2.1 Textilfärbung ............................................................................................................... 110
4.2.2 Farbfotografie.............................................................................................................. 114
5 Zusammenfassung ....................................................................................................................... 115
6 Anhang ........................................................................................................................................ 117
7 Literaturverzeichnis ..................................................................................................................... 127
8 Abbildungsverzeichnis ................................................................................................................. 132
9 Tabellenverzeichnis ..................................................................................................................... 134
10 Eidesstattliche Erklärung ......................................................................................................... 135
3 Organische Farbstoffe im Schulunterricht
1 Einleitung
1.1 Vorwort
Rot, grün, gelb, blau, lila, rosa, türkis, braun, orange, pink, magenta – der Himmel, der Regenbogen,
das Meer, Gras, Laub, Blumen, Pflanzen, Schmetterlinge, Fische, Vögel, Autos, Möbel, Kleidung,
Kunststoffe, Lebensmittel… Farben sind jederzeit allgegenwärtig und aus dem menschlichen Leben
gar nicht wegzudenken. Was wäre die Welt ohne ihre bunten, leuchtenden und schillernden Farben?
Dass sich das Sehvermögen des Menschen schrittweise nach der Geburt entwickelt und Säuglinge
deshalb erst nach einigen Monaten Farben wahrnehmen können, ist für den Menschen eigentlich gar
nicht vorstellbar.
Farben bieten einen besonderen Alltags- und Lebensbezug – für den Chemieunterricht vergleichbar
mit dem Unterrichtsthema „Kunststoffe“ – und eignen sich deshalb fantastisch für den
Schulunterricht. Erfahrungsgemäß werden Farben und Farbstoffe allerdings nicht sehr häufig und
intensiv im Chemieunterricht behandelt. Vielfach findet eine didaktische Reduzierung auf
Synthesemöglichkeiten verschiedener Farbstoffe und Textilfärbung statt. Das kann einerseits daran
liegen, dass der Lehrplan nicht viel zeitlichen Raum dafür ermöglicht. Andererseits kann ein
mögliches, persönliches Empfinden des Lehrers1, die thematischen Grundlagen und die Theorie der
Farbstoffe sei zu komplex für den Schulunterricht, eine Rolle dabei spielen. Aus dieser Vermutung
heraus hat die folgende Arbeit den Anspruch, thematisch in die Welt der organischen Farbstoffe
einzuleiten, indem vor allem eine interdisziplinäre Betrachtung vollzogen und grundlegende
Kenntnisse über die Farbentstehung und die chemischen Besonderheiten von Farbstoffen vermittelt
werden sollen.
Umsetzungsbeispiele und inhaltliche Bezüge zum Schulunterricht sollen dabei nicht vernachlässigt
werden. Deshalb sind didaktische und methodische Tipps in blau hinterlegten Feldern dem Text
eingegliedert. Übungsaufgaben für Schüler befinden sich in grün hinterlegten und inhaltliche
Ergänzungen in grau hinterlegten Feldern. Diese können auch als interessante Zusatzinformationen
in den Schulunterricht eingebettet werden. Zusätzlich werden an geeigneten Stellen Hinweise auf
Videoversuche gegeben, die dieser Arbeit als DVD beigefügt sind.
Insgesamt besteht die Absicht, dass das allgemeine Interesse an Farbstoffen geweckt, die Theorie der
Farbentstehung verstanden, das Thema als Unterrichtsinhalt geschätzt und dessen Potential für
interessanten Unterricht erkannt wird.
1 Ohne Bevorzugung auf eines der Geschlechter wird im Folgenden die Bezeichnung ‚Lehrerinnen und Lehrer‘ mit der maskulinen Form ‚Lehrer‘ abgekürzt; das gleiche gilt für ‚Schülerinnen und Schüler‘.
4 Organische Farbstoffe im Schulunterricht
Lehrplan Hessen G8 2010 (vgl. Hessisches Kultusministerium 2010)
LK in Q2-Phase Farbstoffe (fakultativer Unterrichtsinhalt)
Natürliche und synthetische Farbstoffe
Struktur und Lichtabsorption
Mesomerie-Modell
Textilfärbung; Färbeverfahren GK/LK in Q4-Phase Farbstoffe (Wahlthema: Angewandte Chemie)
Licht und Farbe
Theorien der Farbigkeit
Einteilung der Farbstoffe nach Farbstoffklassen
Synthese von Farbstoffen
Färbetechniken
pH-Indikatoren
Lebensmittelfarbstoffe
Farbfotografie
Natürliche Farbstoffe und Pigmente
1.2 Lehrplanbezug und Schulrelevanz
Hinweis: Das Wahlthema Angewandte Chemie beinhaltet weitere Unterrichtsinhalte wie
großtechnische Verfahren, Werkstoffe, Waschmittel, Nahrungsmittel, Umweltchemie und umfasst
insgesamt 24 Schulstunden im GK und 43 Schulstunden im LK. Deshalb können die Farbstoffe
schätzungsweise maximal 4 Schulstunden im GK und 8 Schulstunden im LK unterrichtet werden.
Dies stellt eine zeitlich unzureichende Rahmenbedingung für die Durchführung eines so
vielschichtigen Themas dar. Andererseits muss nicht zwangsläufig eine allumfassende
Unterrichtseinheit geplant und durchgeführt werden. Durch die weitreichenden und auf andere
chemischen Schulinhalte übertragbaren thematischen Inhalte können die Farbstoffe auch in anderen
Unterrichteinheiten teilweise eingegliedert und dadurch sukzessiv unterrichtet werden. Weiterhin
kann ebenso eine Projektarbeit entwickelt werden, sodass die chemische Farbenwelt beispielsweise
innerhalb einer Woche beleuchtet wird.
Farben und Farbstoffe im Unterricht zu behandeln ist in jedem Falle lohnenswert, da sie den
schönsten, farbigsten und damit wahrscheinlich interessantesten Alltagsbezug für Schüler bieten.
5 Organische Farbstoffe im Schulunterricht
1.3 Einführung im Schulunterricht
Als Einführung des Unterrichtsthemas „Organische Farbstoffe“ eignet sich hervorragend ein für
Schüler interessanter und beeindruckender Versuch wie beispielsweise „Rot leuchtender Tee“.
Hierzu kann der erste Videoversuch („Rot leuchtender Tee“) angeschaut werden. Ein
Pfefferminzbeutel wird in einem abgedunkelten Raum zum Leuchten gebracht. Dazu wird er in eine
transparente Lösung aus Ethylacetat, Wasserstoffperoxid und DNPO – für Schüler handelt es sich
scheinbar um Wasser – getaucht. Das Bewegen des Teebeutels in der Lösung führt zu roter
Chemolumineszenz. Dieser Effekt müsste unter den Schülern allgemeines Erstaunen und Verblüffen
hervorrufen. Auf den Versuch aufbauend, können Überlegungen zu Licht und Farbe angestellt
werden. Die Aufklärung über die chemischen Abläufe dieses Versuches muss nicht an dieser Stelle,
sondern kann als abschließender Rahmen am Ende der Unterrichtseinheit erfolgen.
Eine andere Möglichkeit das Unterrichtsthema „Organische Farbstoffe“ einzuleiten, besteht darin,
den Schülern den Lebensbezug von Farben zu vergegenwärtigen. Dazu können anregende und
provozierende Fragen in den Raum geworfen werden, die scheinbar so banal sind, dass sie noch nie
gestellt wurden; Fragen, die sich ständig im Alltag ergeben würden.
Warum ist der Himmel blau und wie entsteht ein Regenbogen?
Warum schimmern Seifenblasen so schön?
Warum sind die Blätter grün und warum verfärbt sich das Laub im Herbst?
Welche Farben stecken in den so vielfältigen bunten Blüten?
Weshalb haben Radieschen eine rote Schale und warum sind Karotten gesund?
Warum sind Gummibärchen so bunt und wie kommen Lebensmittel zu ihrer Farbe?
Warum werden die Haare meiner Omas blau?
Wieso ist die Jeans blau und was bedeutet ‚used look‘?
Warum leuchtet weiße Kleidung im Diskolicht und schwarze nicht? Was sind Neonfarben?
Wie funktionieren Knicklichter?
6 Organische Farbstoffe im Schulunterricht
2 Grundlagen – eine interdisziplinäre Behandlung
Die Thematik der organischen Farbstoffe ist durch ihre relativ komplizierte Theorie, ihre zahlreichen
Farbstoffe und die daraus resultierenden mannigfaltigen Anwendungsbereiche sehr vielschichtig. Um
sich die Lehre der Farbstoffe in der Summe vollends erschließen zu können, werden fundamentale
Kenntnisse über die physikalische Betrachtungsweise von Licht, die Farbwahrnehmung im
menschlichen Auge und ein anschauliches Wissen über quantenmechanische Grundsätze der
Farbentstehung vorausgesetzt. Aus diesem Grund sollen die Grundlagen interdisziplinär –
physikalisch, biologisch, chemisch – betrachtet und ausführlich dargelegt werden.
2.1 Licht
Ohne Licht würden wir nicht nur in vollkommender Dunkelheit leben; alles Leben auf unserer Erde
würde erst gar nicht existieren. Licht ist primäre Energie- und Wärmequelle unseres Planeten. Um
sich die alltägliche Bedeutung von Licht zu verdeutlichen, sollte man am besten auf einen Gipfel eines
Gletschers steigen und die Augen schließen. Beim Öffnen der Augen würde man schlagartig vom
Licht geblendet werden, denn das Licht ist „sofort da“! Wie schnell ist also Licht? Licht entsteht in der
Sonne und braucht für die Strecke bis zu unserer Erde (ca. 149.600.000 km) rund 8 Minuten. Die
Entfernung zwischen Mond und Erde (ca. 384.400 km) legt das Licht ungefähr innerhalb 1,3
Sekunden zurück. Licht bewegt sich folglich mit der Lichtgeschwindigkeit von c ≈ 2,99∙108 m/s fort
(vgl. Erbrecht 2008: 122). Bereits im 17. Jahrhundert gab es erste Versuche die Lichtgeschwindigkeit
zu ermitteln. Erst um 1850 gelang dem französischen Physiker Leon Foucault die erste Methode – die
sogenannte Drehspiegelmethode – eine genauere Berechnung der Lichtgeschwindigkeit zu
entwickeln (vgl. Hilscher 1992).
2.1.1 Elektromagnetische Strahlung
Licht, wie wir es nennen, zählt zu elektromagnetischer Strahlung. Dabei handelt es sich um sich
ausbreitende Schwingungen eines elektromagnetischen Feldes. Elektrisches und magnetisches Feld
sind miteinander gekoppelt und stehen bei linear polarisierten Wellen senkrecht aufeinander.
Elektromagnetische Schwingungen werden als Sinuswellen dargestellt, die sich transversal
fortbewegen.
7 Organische Farbstoffe im Schulunterricht
Folgende Abbildung stellt das kontinuierliche Spektrum elektromagnetischer Strahlung :
Abbildung 1: Spektrum elektromagnetischer Strahlung (vgl. Atkins 2006: 244).
Darstellungen des Spektrums orientieren sich generell an den Wellenlängen der Strahlungen. So
nimmt die Wellenlänge in dem hier dargestellten Spektrum von links nach rechts ab. Strahlungen
ähnlicher Wellenlängen und ähnlicher Eigenschaften sind gruppiert und klassifiziert (vgl. Atkins 2006:
244):
Radiowellen gehören zur langwelligen Strahlung im Wellenlängenbereich von Kilometer bis
Meter. Radiowellen werden beispielsweise für Hörfunk, Fernseher, Radar und MRT
(Magnetresonanztomographie) verwendet.
Mikrowellen sind Strahlen im Meter- bis Millimeter-Bereich und finden Verwendung für
Mobilfunknetze, WLAN, Bluetooth, GPS, Satellitenrundfunk und Haushaltsmikrowellen.
Infrarotstrahlung umfasst Strahlen von 1 mm bis 780 nm und wird in der
Infrarotspektroskopie angewandt.
Der Wellenlängenbereich 780 nm – 380 nm (vgl. Erbrecht 2008: 122) wird sichtbares Licht
genannt.
UV-Strahlung (380 nm – 1 nm) ist auch als Blacklight bekannt und findet unter anderem
Anwendung zur Banknotenprüfung und zur Desinfektion.
Röntgenstrahlung reicht bis 1 pm und wird in der medizinischen Diagnostik verwendet.
Gammastrahlung besitzt eine kleinere Wellenlänge als 1 pm und ist die energiereichste
Strahlung. Sie wird ebenfalls in der medizinischen Diagnostik angewandt. Natürliche
Gammastrahlung aus dem Weltall wird vollständig von der Atmosphäre absorbiert (vgl.
Haas).
Je kurzwelliger eine Strahlung, desto energiereicher ist sie (Verweis auf 2.1.2)!
8 Organische Farbstoffe im Schulunterricht
Ergänzung: Ist Handystrahlung wirklich so gefährlich?
Sowohl bei deutschen Mobilfunknetzwerken als auch bei WLAN handelt es sich um
Mikrowellen, deren Energie wesentlich geringer ist als das natürliche Farbspektrum des
Sonnenlichts. Besonders dessen UV-Anteil kann durch dessen hohe Energie eine
photoinduzierte Thymidin-Dimerbildung in der DNA hervorrufen, was schwerwiegende,
negative Konsequenzen für die Zellteilung und für das Ablesen der auf der DNA
verborgenen Erbinformation hat. UV-Strahlung – und nicht etwa Mobilfunkstrahlung – kann
deshalb als krebserregend eingestuft werden (vgl. ChemgaPedia (2013).
2.1.2 Sichtbares Spektrum
Der vom Menschen optisch wahrgenommene Bereich der elektromagnetischen Strahlung wird als
sichtbares Licht bezeichnet.
Sichtbares Licht – ob natürliches von der Sonne oder künstliches aus der Glühbirne – erscheint
„weiß“.
Der englische Mathematiker und Physiker Sir Isaac Newton (1643-1727) führte bereits 1666
Prismenversuche mit Licht durch. In einem abgedunkelten Raum lenkte er einen schmalen Lichtstrahl
durch ein Prisma (vgl. Welsch 2012: 295). Auf einer dahinterliegenden Wand erschienen die Farben
des Regenbogens.
Abbildung 2: Newtons Prismenversuche (vgl. Welsch 2012: 294).
9 Organische Farbstoffe im Schulunterricht
Tipp für die Schule:
Obwohl Prismenversuche eher in den Physikunterricht gehören, sind sie jedoch auch ganz
einfach im Chemieunterricht durchzuführen und sehr eindrucksvoll für Schüler!
Tipp für die Schule:
Fragen für Schüler: Wann sind Regenbogen am Himmel sichtbar? Aus welchem Blickfeld ist
der Regenbogen sichtbar? Welche Farben hat der Regenbogen? Sind es immer dieselben
Farben? In welcher Reihenfolge tauchen sie am Himmel auf? Und warum ist das so?
Die Newtonschen Prismenversuche zeigen auf, dass in weißem Licht alle Farben des Regenbogens
enthalten sind. Weißes Licht setzt sich aus allen Spektralfarben zusammen. Bei schrägem Einfall in
optisch dichteres Material, wie beispielsweise ein Prisma, wird Licht abhängig seiner Wellenlänge
unterschiedlich stark gebrochen. Dies wird als Dispersion bezeichnet. Kurzwelliges blaues Licht wird
stärker gebrochen als langwelliges rotes Licht (hängt mit der wellenlängenabhängigen
Phasengeschwindigkeit zusammen). Da das aufgetrennte Licht beim Austritt aus dem Prisma in
einem anderen Winkel auf die Grenzfläche fällt, wird die Divergenz der farbigen Lichtstrahlen beim
Übergang in das optisch dünnere Material (Luft) nicht wieder kompensiert (vgl. Welsch 2012: 300).
In folgender Abbildung ist das kontinuierliche Spektrum im sichtbaren Wellenlängenbereich
aufgezeigt, welches alle Spektralfarben enthält:
Abbildung 3: Kontinuierliches Spektrum sichtbaren Lichts (vgl. Universität Düsseldorf 2013).
10 Organische Farbstoffe im Schulunterricht
Ergänzung: Beobachtungen am Himmel I
- Bei strahlendem Sonnenschein erscheint ein Blatt Papier im Freien weiß, die Sonne selbst
jedoch fast gelb. Das gesamte Tageslicht stammt von der Sonne. Daraus ist zu schließen,
dass es sich um rein weißes Licht handeln muss.
Die Gelberscheinung der Sonne hängt mit der Atmosphäre zusammen. Meist erscheint die
Sonne nur aus diesem Grund weiß, da sie durch ihre Helligkeit eine völlige Überbelichtung
im Auge verursacht und dabei alle Rezeptoren maximal angeregt werden.
Bei den Spektralfarben violett, blau, grün, gelb, orange und rot handelt es sich jeweils um
monochromatisches Licht (aus dem Griechischen, bedeutet einfarbig). In nachfolgender Tabelle sind
sie nach ihren Wellenlängen aufgetrennt.
Da es sich um ein kontinuierliches Farbspektrum handelt, sind die Farbübergänge fließend. Ferner ist
der individuelle Farbeindruck im Detail auch immer vom Wahrnehmungsvermögen des Auges
abhängig, unterscheidet sich jedoch zwischenmenschlich nur in Nuancen. Aus der Summe der
monochromatischen Strahlen ergibt sich polychromatisches Licht (aus dem Griechischen, bedeutet
vielfarbig), welches in der Summe weiß erscheint (vgl. Meier 1963).
Tabelle 1: Monochromatisches Licht und deren Wellenlängen.
polychromatisches, weißes Licht
11 Organische Farbstoffe im Schulunterricht
Ergänzung: Beobachtungen am Himmel II
- Vom Mond aus betrachtet erscheint der Tageshimmel schwarz und die Sterne sind immer
zu sehen. Die Sonne erscheint bis zu ihrem Verschwinden am Horizont unverändert weiß.
Im Gegensatz zu Sonnenaufgängen/-untergängen, die von der Erde aus beobachtet werden:
Sonnenstrahlen wechselwirken mit den Luftmolekülen und werden gestreut. Höher
frequentes blaues Licht wird dabei sehr viel stärker gestreut als niedrig frequentes rotes
Licht. Rotes Licht ist „linientreuer“. Je weiter der Weg des Lichts durch die Atmosphäre ist,
desto mehr blaues Licht wird gestreut. Die verbliebenen Rotanteile lassen die Sonne beim
Auf- und Untergang in orange-roten Farben erscheinen.
Resultierend aus den Ergebnissen der Prismenversuche stellte Newton 1669 die Korpuskeltheorie
des Lichts auf, nach welcher Licht aus kleinsten Teilchen oder Korpuskeln (aus dem Lateinischen,
bedeutet Körperchen) besteht. Im Widerspruch zu dieser Theorie stand die von Christiaan Huygens
(1629-1695) im Jahre 1677 formulierte Wellentheorie des Lichts. Diese konnte erst 1802 durch
Lichtversuche am Doppelspalt, die von Thomas Young (1773-1829) durchgeführt wurden, und deren
Deutung der sich bildenden Interferenzmuster verifiziert werden. Im weiteren Verlauf wurde sowohl
die Polarisierbarkeit als auch der Elektromagnetismus des Lichts von Michael Faraday (1791-1867)
entdeckt. James Clerk Maxwell (1831-1879) stellte im Jahre 1871 die elektromagnetische
Lichttheorie – die im obigen Abschnitt beschrieben wurde – auf, welche einige Jahre später
experimentell durch Heinrich Hertz (1857-1894) bestätigt wurde (vgl. Wedler 2004).
12 Organische Farbstoffe im Schulunterricht
Übungsaufgabe 1:
Triphenylmethanfarbstoffe werden vor allem zum Färben von Papier, zur Herstellung
von Tinten, Kohlepapier, Farbbändern und als Kosmetik-, Lebensmittel- und
Mikroskopierfarben eingesetzt. Der Farbstoff Thymolphthalein liegt je nach pH-Wert
entweder in der Lactonform (farblos) oder in der Chinoidform (farbig) vor.
Lactonform Chinoidform
Ordnen Sie den beiden Kurven die jeweilige Thymolphthalein-Struktur (Lactonform
bzw. chinoide Form) zu, begründen Sie Ihre Aussage und leiten Sie mithilfe der
angegebenen Tabelle die Farbe der beiden Thymolphthalein-Formen ab!
2.1.3 Welle-Teilchen-Dualismus
Wellencharakter des Lichts
Licht als elektromagnetische Welle wird allgemein als Sinusfunktion dargestellt und wird anhand der
Wellenlänge, der Frequenz, der Amplitude und der Phase charakterisiert. Sie pflanzt sich transversal
fort.
13 Organische Farbstoffe im Schulunterricht
Periode y
Abbildung 4: Wellenbeschreibung.
Die Wellenlänge λ (Lambda) stellt den kleinsten Abstand zweier Punkte gleicher Phase dar. Zwei
Punkte haben die gleiche Phase, wenn sie im zeitlichen Verlauf die gleiche Auslenkung und die
gleiche Bewegungsrichtung haben. Die Wellenlänge wird meist in nm (Nanometer) angegeben (vgl.
Lichtscheidl 2013).
Die Frequenz f gibt die Anzahl der Schwingungen (=Periode) pro Zeiteinheit (Sekunde) wieder. Sie
wird in der Einheit Hertz Hz = [1/s] gemessen; benannt nach dem deutschen Physiker Heinrich Hertz.
Wellenlänge und Frequenz stehen in direktem Zusammenhang (vgl. Meier 1963):
(1)
Dabei gilt: c: Lichtgeschwindigkeit (Naturkonstante im Vakuum; c ≈ 2,99∙108 m/s)
λ: Wellenlänge in nm
f: Frequenz in Hz
Die Wellenlänge ist umgekehrt proportional zur Frequenz. Das bedeutet, je kleiner die Wellenlänge
ist, desto größer ist die Frequenz (Verweis auf 2.1.1).
Die Amplitude y stellt die maximale Auslenkung einer Schwingung dar, welche direkt mit der
Intensität, also der Helligkeit des Lichts, einhergeht: je größer die Amplitude, desto heller ist das
Licht.
Der höchste Punkt / das Maximum einer Schwingung wird als Wellenberg; der niedrigste Punkt / das
Minimum als Wellental bezeichnet.
14 Organische Farbstoffe im Schulunterricht
Interferenz
Treffen zwei Wellen aufeinander, entsteht eine so genannte Interferenz. Interferenz beschreibt die
Überlagerung von mindestens zwei Wellen. Das entstehende Muster wird als Interferenzmuster
bezeichnet.
Für ein stabiles Interferenzmuster müssen die aufeinandertreffenden Wellen kohärent sein. Das
bedeutet, sie müssen die gleiche Frequenz aufweisen und es muss zwischen ihnen eine zeitlich
konstante Phasenbeziehung bestehen. Dann entsteht aus der Summe der beiden aufeinander
treffenden Wellen eine neue Welle. Formal wird zwischen konstruktiver und destruktiver Interferenz
unterschieden, wobei zwangsläufig auch Mischformen auftreten können (vgl. Meier 1963).
Konstruktive Interferenz
Ist der Gangunterschied der beiden Wellen ein Vielfaches ihrer Wellenlänge, so treffen immer zwei
Wellenberge und zwei Wellentäler aufeinander. Haben beide Wellen dieselbe Amplitude, verdoppelt
sich diese (vgl. Lichtscheidl 2013).
Interferenzmuster
Welle 1:
Welle 2:
konstruktive Interferenz
y = a
y = 2a
y = a
Abbildung 5: Konstruktive Interferenz.
Destruktive Interferenz
Ist der Gangunterschied ein Vielfaches der halben Wellenlänge, sind die Wellen gegeneinander
verschoben. Deshalb trifft immer ein Wellenberg auf ein Wellental. Dies kann – bei gleicher
Amplitude – zur vollständigen Auslöschung der beiden ursprünglichen Wellen führen (vgl. Lichtscheidl
2013).
15 Organische Farbstoffe im Schulunterricht
Interferenzmuster
Welle 1:
Welle 2:
destruktive Interferenz
y = a
y = a
y = 0
Abbildung 6: Destruktive Interferenz.
Das Phänomen der Interferenz ist sowohl bei Wasserwellen als auch bei Lichtwellen zu beobachten.
Beim Betrachten einer Wasserwelle, die auf ein Hindernis wie beispielsweise einen Spalt trifft, sind
zum einen Wellenberge und -täler deutlich mit dem Auge sichtbar; zum anderen entsteht ein für
Wellen typisches Beugungsmuster. Dabei bildet sich neue so genannte Elementarwelle:
Abbildung 7: Beugung von Wasserwellen am Einzelspalt (vgl. Grössing).
Trifft eine Wellenfront auf ein Hindernis mit einem Doppelspalt, entstehen – ebenso wie am
Einzelspalt durch Beugung – zwei neue Elementarwellen. Diese überlagern sich, sodass es zur
Interferenz der beiden Elementarwellen kommt.
ankommende
Wellenfront
Spalt Wellenberg
Wellental
16 Organische Farbstoffe im Schulunterricht
Tipp für die Schule:
Im Schulunterricht können Beugungs- und Interferenzmuster ganz leicht in einer
transparenten, mit Wasser gefüllten Schale und einem Impulsgeber, der Wasserwellen
erzeugt, über den Overhead-Projektor gezeigt werden.
Alternativ kann die Entstehung von Interferenz am Doppelspalt mit einem Zirkel auf einem
Blatt Papier einfach gezeichnet werden. Die Überschneidung der farbigen, sich
abwechselnden Wellenberge und -täler ergibt das Interferenzmuster.
Abbildung 8: Beugung und Interferenzmuster am Doppelspalt (vgl. Grössing).
Soll dieser Versuch mit Licht anstelle von Wasser durchgeführt werden, wird monochromatisches
Licht (beispielsweise ein Laser) in einem abgedunkelten Raum auf einen Doppelspalt geschickt. Die
Interferenzen sind im Raum nicht sichtbar, allerdings kann das Interferenzmuster an einer hinter dem
Doppelspalt angebrachten Wand visualisiert werden. Mit diesem Versuch konnte Young im Jahre
1802 die bereits 1677 von Huygens aufgestellte Wellentheorie des Lichts scheinbar bestätigen.
ankommende
Wellenfront
Doppelspalt
17 Organische Farbstoffe im Schulunterricht
Tipp für die Schule:
Demonstrationen des Doppelspalt-Versuches gibt es in einer Vielzahl auf YouTube zu finden.
Das auftretende Interferenzmuster sieht wie folgt aus:
Die Abbildung zeigt eine fotografische Aufnahme eines Interferenzmusters durch einen Helium-
Neon-Laser, der rotes Licht aussendet. Es handelt sich um ein scharfes Spaltbild, das durch
Lichtbanden verschiedener Breite und Intensität gekennzeichnet ist. Die grafische Auftragung zeigt
die Intensitätsverteilung in Abhängigkeit des einfallenden Lichtwinkels. Hier wird deutlich, dass das
Licht mit der höchsten Intensität direkt hinter dem Abstandhalter der zwei Spalten auftritt (maximale
konstruktive Interferenz). Dies ist das Lichtmaximum 0. Ordnung. Die beiden nächst größeren Peaks
rechts und links davon stellen die Lichtmaxima 1. Ordnung dar usw. Die Zwischenräume sind dunkel
und durch destruktive Interferenz entstanden (überlappende Wellen löschen sich aus). Je größer der
einfallende Winkel wird, desto schwächer, schmaler und weiter voneinander entfernt liegen die
Lichtbanden .
Eine Veränderung des Abstand der beiden Spalten beeinflusst die Beugungsmaxima und -minima. Die
Spaltbreite hingegen bestimmt die Breite der Hüllkurve (als grüne Funktion in der Abbildung grafisch
dargestellt), den Bereich höchster Intensität (vgl. Burggräf 2010).
Intensität
roter Laser
Abbildung 9: Interferenzmuster eines Lasers am Doppelspalt (vgl. Universität Oldenburg).
18 Organische Farbstoffe im Schulunterricht
Mit der klassischen Wellentheorie des Lichts können die vorgestellten Eigenschaften von Licht wie
Ausbreitung, Interferenz, Beugung und weitere wie Polarisation, Reflexion und Brechung modellhaft
erklärt werden. Über Jahrhunderte galt die Annahme Licht sei eine Welle.
Teilchencharakter des Lichts
Die schon 1666 von Newton aufgestellte Korpuskeltheorie des Lichts wurde aufgrund der vielen
begründeten Annahmen, Licht sei eine Welle, Jahrhunderte lang vernachlässigt. Anfang des 20.
Jahrhunderts wurden photoelektrische Versuche durchgeführt, die allgemeines Staunen und
Verwirrung verursachten. Es wurden Beobachtungen gemacht, mit denen niemand rechnete und die
zunächst nicht erklärt werden konnten.
Photoelektrischer Effekt
Beim photoelektrischen Versuch wird allgemein eine Metall- oder Halbleiteroberfläche bestrahlt.
Dabei werden Elektronen heraus gelöst (emittiert), welche anhand eines elektrischen Stroms
gemessen werden können.
Damit Elektronen aus dem Metall heraus gelöst werden, muss Energie vom Licht auf das bestrahlte
Material übertragen werden. Aufgrund der Annahme Licht sei eine Welle, sollte eine Lichtwelle einen
ihrer Intensität (Amplitude y) proportionalen Impuls besitzen und diesen auf die Elektronen
übertragen können. Das bedeutet für die Praxis: je intensiver, also heller das Licht ist, desto mehr
Elektronen werden aus dem Metall heraus gelöst.
Tatsächliche Beobachtungen:
Praktisch wurde jedoch beobachtet, dass die Intensität des einfallenden Lichts – ob poly- oder
monochromatisch – keine Auswirkung auf das Herauslösen der Elektronen hat.
Werden durch orangefarbenes Licht (600 - 640 nm) keine Elektronen aus dem Metall heraus
gelöst, dann kommt es durch eine Erhöhung der Intensität und eine damit verbundene Erhöhung der
Helligkeit auch zu keiner Veränderung (siehe nächste Abbildung).
Im Gegensatz zur Bestrahlung mit orangefarbenem Licht wird ein Photoelektrischer Effekt
schon bei Bestrahlung mit blauem Licht geringster Intensität (460 - 490 nm) beobachtet.
19 Organische Farbstoffe im Schulunterricht
Dies stellt folgende Abbildung dar:
Der Photoelektrische Effekt steht folglich in direktem Zusammenhang mit der Frequenz des
einstrahlenden Lichts.
De facto ist die kleinste benötigte Frequenz von einem vom Metall abhängigen energetischen
Schwellenwert abhängig. Dieser Schwellenwert muss höher als die Bindungsenergie der Elektronen
im Metall sein. Selbst bei einer geringen Intensität werden dann Elektronen sofort heraus gelöst. Die
Intensität wirkt sich nur auf die Stärke des Elektronenstroms aus, das heißt auf die Zahl der pro
Zeiteinheit emittierten Elektronen.
Die kinetische Energie der emittierten Elektronen (von Einstein als Photoelektronen bezeichnet)
nimmt dabei linear mit der Frequenz zu. Dies ist in folgender Abbildung dargestellt:
Abbildung 11: Grafische Darstellung des photoelektrischen Effekts (vgl. Atkins 2006: 251).
Metall
herausgelöstes Elektron
Abbildung 10: Photoelektrischer Effekt beim Bestrahlen eines Metalls mit blauem Licht - schematische Darstellung.
20 Organische Farbstoffe im Schulunterricht
Beim Vergleich verschiedener Metalle (Rubidium, Kalium, Natrium) wird deutlich, dass sich die
Funktionen lediglich parallel verschieben und nicht beispielsweise in ihrer Steigung ändern. Das
bedeutet in diesem Fall, dass Licht einer Wellenlänge von 593 nm, also einer Frequenz von
5,02∙1014Hz – das entspricht gelbem Licht – notwendig ist, um Elektronen aus Rubidium heraus zu
lösen. Dementsprechend sind Frequenzen von 5,41∙1014 Hz bzw. 5,53∙1014 Hz nötig um einen
Elektronstrom bei der Bestrahlung von Kalium bzw. Natrium hervorzurufen. Dabei steigt ebenfalls die
kinetische Energie der Photoelektronen linear mit der Frequenz (vgl. Atkins 2006: 250 f.).
Diese Beobachtungen waren unvereinbar mit der Wellentheorie des Lichts, da Energie nicht
kontinuierlich in Wellenform, sondern vielmehr in Portionen transportiert werden müsste. Dies warf
zu Beginn des 20. Jahrhunderts viele Fragen auf.
Max Planck (1858-1947) stellte 1900 seine Quantentheorie auf; Albert Einstein (1879-1955) konnte
1905 in Erweiterung dieser Theorie den Photoelektrischen Effekt erklären und erhielt dafür 1921 den
Nobelpreis:
Demnach breitet sich Licht in Form einzelner Lichtportionen oder Lichtteilchen aus. Diese werden
Quanten genannt. Sie besitzen eine Energie, die im Zusammenhang mit der Frequenz des Lichts und
einer Naturkonstanten steht (vgl. Meier 1963):
(2)
Dabei gilt: E: Energie der Quanten
h: Plancksches Wirkungsquantum (Naturkonstante h ≈ 6,626∙10-34 J∙s)
ν: Frequenz bzw. Geschwindigkeit (gilt z.B. für Elektronen)
Aus dieser Formel (2) ist zu schließen, dass die Energie der Quanten immer ein Vielfaches von h ist.
Das bedeutet, Licht kann nur bestimmte (=diskrete) Energien besitzen:
ein Quant besitzt die Energie h∙ν, zwei Quanten: 2∙h∙ν, drei Quanten: 3∙h ν usw.
Folglich Licht ist gequantelt und keine kontinuierliche Welle!
Die Beziehung E = h ν impliziert ebenfalls, dass mit einer Erhöhung der Frequenz die Energie der
Quanten proportional steigt (vgl. Atkins 2006).
Nach Einstein werden diese Quanten Photonen genannt und bewegen sich mit der
Lichtgeschwindigkeit c (siehe Formel (1)) (vgl. Wedler 2004).
21 Organische Farbstoffe im Schulunterricht
Tipp für die Schule:
Die Vorstellung, dass Licht gleichzeitig Welle und Teilchen sein kann, ist für Schüler schwer zu
begreifen. Folgendes Bild kann dabei helfen: Eine Wasserwelle im Meer wird weit weg vom
Land erzeugt und pflanzt sich an der Wasseroberfläche kilometerlang fort bis sie den Strand
erreicht, dort bricht und sich in eine Gischt von unendlich vielen Wasserpartikeln auflöst.
Tipp für die Schule:
Generell muss bei den physikalischen Grundlagen damit gerechnet werden, dass nicht alle
Schüler über ein fundiertes Fachwissen in Physik verfügen. Deshalb muss besonderes
Augenmerk auf eine für Schüler nachvollziehbare Einführung dieser Grundlagen gelegt
werden.
Der Photoelektrische Effekt ist das absolute Paradebeispiel für den Teilchencharakter von Licht. Er
hatte nicht nur fundamentale Auswirkungen auf die allgemeine Vorstellung von Licht, sondern
bewirkte ebenso die Entwicklung und heutige Nutzung von Solarzellen und Nachtsichtgeräten, die
auf diesem Effekt beruhen.
Welle-Teilchen-Dualismus
Die Tatsache, dass Licht einerseits als Wellen- und andererseits als Teilchenstrahlung beschrieben
werden kann, wird als Welle-Teilchen-Dualismus des Lichts bezeichnet.
Dabei ist nicht die Natur des Lichts dualistisch, sondern nur die modellhafte Beschreibung. Modelle
haben zum einen erkenntnistheoretischen und zum anderen didaktischen Anspruch. Sie sollen
Naturphänomene, Gesetzmäßigkeiten oder Eigenschaften beschreiben und erklären, müssen jedoch
komplexe Sachverhalte reduziert und vereinfacht darstellen. Modelle versuchen die Natur
wiederzugeben, um reproduzierbare Voraussagen machen zu können. Deshalb ist das Modell des
Welle-Teilchen-Dualismus in sich kein Widerspruch.
Jede Wellenstrahlung hat Teilchencharakter. Deshalb ist davon auszugehen, dass jede Strahlung
beliebiger Teilchen ebenfalls umgekehrt als Wellenstrahlung aufgefasst werden kann.
22 Organische Farbstoffe im Schulunterricht
Impuls p = m∙v Einheit:
𝑘𝑔∙𝑚
𝑠
Die Wellenbeschreibung beliebiger Teilchen geht auf Louis de Broglie (1892-1987) zurück (vgl.
Erbrecht 2008: 97):
(3)
Dabei gilt: λ: Wellenlänge eines bewegten Teilchens
h: Plancksches Wirkungsquantum (Naturkonstante h ≈ 6,626∙10-34 J∙s)
m: Masse des bewegten Teilchens
ν: Geschwindigkeit des bewegten Teilchens
Diese 1924 aufgestellte Gleichung stellt den Zusammenhang zwischen dem Impuls eines Teilchens
und seiner Wellenlänge dar und erlaubt die Berechnung der Wellenlänge eines Teilchens abhängig
von dessen Impuls p.
Kurz nach Veröffentlichung dieser Hypothese wurde sie durch Clinton Davisson (1881-1958) und
Lester Germer (1896-1971) experimentell bestätigt: Es konnten Beugungsmuster von
Elektronenstrahlen – ebenso wie bei Röntgenstrahlen – beim Durchgang eines Nickelkristalls
beobachtet werden (vgl. Wedler 2004). Dies war der erste Versuch, der die Wellennatur von
Elektronen aufzeigte.
Merke:
Der Welle-Teilchen-Dualismus besagt, dass Licht sowohl Wellencharakter als auch Teilchencharakter
besitzt.
Ein beispielhafter Versuch für die Welleneigenschaft von Licht ist der Versuch am Doppelspalt,
derjenige für die Teilcheneigenschaft von Licht ist der Photoelektrische Effekt.
23 Organische Farbstoffe im Schulunterricht
Stärkeres Licht kann einerseits eine Steigerung der Intensität und andererseits eine Erhöhung der
Energie bedeutet. Es kommt immer auf die Betrachtungsweise an:
Abbildung 12: Unterschied intensiveres/energiereicheres Licht.
24 Organische Farbstoffe im Schulunterricht
2.2 Farbmischungen
Farben hatten schon immer eine anziehende Wirkung auf den Menschen. So beschäftigten sich über
die Jahrtausende viele Forscher, Gelehrte und Wissenschaftler sowohl mit der Entstehung von Farbe
als auch mit deren Farbsymboliken, ihrem Effekt und den Auswirkungen auf den Menschen. Deshalb
gab es vor allem in den letzten Jahrhunderten verschiedenste Farbmodelle und Farblehren. Newton
stellte ebenso die Lehre der Newtonschen Spektralfarben auf, auf welcher die Dreifarbentheorie von
Young und Helmholtz basiert. Diese soll im nächsten Abschnitt dargestellt und anhand der additiven
Farbmischung beschrieben werden (vgl. Welsch 2012: 129).
2.2.1 Additive Farbmischung
Die Dreifarbentheorie nach Young und Helmholtz – oder auch als Trichromatische Theorie bezeichnet
– besagt grundsätzlich, dass aus farbigem Licht dreier Primärfarben jede beliebige andere Farbe
gemischt werden kann.
Unter der additiven Farbmischung wird eine Farbmischung von Lichtfarben verstanden und
unterscheidet sich grundlegend von Farbmischungen mit Körperfarben.
Bei den Farben des Regenbogens handelt es sich um Lichtfarben. Sie können ebenfalls durch
Projektion an Farbfiltern entstehen. Die additive Farbmischung kann folglich nur durch Lichtquellen
dargestellt werden (vgl. Welsch 2012: 130).
Die Primärfarben der additiven Farbmischungen können nicht aus anderen Lichtfarben entstehen.
Tabelle 2: Primärfarben additiver Farbmischung.
Primärfarben
additiver Farbmischung
rot
grün
blau
25 Organische Farbstoffe im Schulunterricht
Folgende Fotoreihe zeigt die Entstehung von Mischfarben (Sekundärfarben) durch eine Überlagerung
von Primärfarben aus projizierten Lichtquellen:
Abbildung 13: Additive Farbmischung (vgl. Welsch 2012: 130).
Tabelle 3: Sekundärfarben additiver Farbmischung.
Überlagerung der Primärfarben resultierende Mischfarbe
grün + blau cyan
rot + blau magenta
grün + rot yellow (gelb)
grün + rot + blau weiß
26 Organische Farbstoffe im Schulunterricht
Da sich die Lichtintensitäten der einzelnen Lichtquellen addieren, sind die Sekundärfarben cyan,
yellow und magenta gegenüber den Primärfarben wesentlich heller. Beim Überlagern aller drei
Primärfarben in voller Sättigung entsteht das hellste „unbunte“ Licht, nämlich weißes (vgl. Welsch
2012: 130).
Die Mischung der drei Primärfarben und deren Beziehung zueinander sind in folgendem Schaubild
nochmals dargestellt:
Abbildung 14: Schaubild additiver Farbmischung (vgl. Weckner).
Aus dem Schaubild sind weitere Beziehungen zu entnehmen: Weißes Licht entsteht sowohl bei der
Überlagerung zweier der drei Sekundärfarben (cyan, yellow, magenta) als auch bei der Überlagerung
zweier Komplementärfarben.
Unter Komplementärfarben wird hier ein Farbenpaar bestehend aus einer Primärfarbe und deren
diametral gegenüber liegenden Sekundärfarbe verstanden.
Tabelle 4: Tertiärfarben additiver Farbmischung.
Überlagerung der
Komplementärfarben
resultierende Mischfarbe
(Tertiärfarbe)
rot + cyan weiß
blau + yellow weiß
grün + magenta weiß
27 Organische Farbstoffe im Schulunterricht
Tipp für die Schule:
Mithilfe einer Lupe können Schüler die drei Farbpunkte an Farbfernseher oder Farbmonitoren
mit eigenen Augen sehen.
Additive Farbmischung erfolgt bei
rotierendem Kreisel: wenn eine abwechselnde Farbfolge mit so hoher Wechselfrequenz
dreht, dass das Auge die Farben durch die zeitliche Abfolge nicht mehr auflösen kann;
der Farbentstehung von Farbmonitoren oder Farbfernseher: wenn Farbpunkte so nahe
beieinander liegen, dass diese vom Auge räumlich nicht mehr aufgelöst werden können.
Daraus entwickelte sich das RGB-Farbmodell (Red, Green, Blue), welches der additiven
Farbmischung zugrunde liegt (vgl. Welsch 2012).
Da die Additive Farbmischung prinzipiell in Auge und Gehirn des Betrachters stattfindet, wird sie
auch Physiologische Farbmischung genannt.
So ist die Dreifarbentheorie (1850) von Young und Helmholtz eigentlich eine historische Hypothese
zur Farbwahrnehmung im menschlichen Auge mit der Idee, dass im Auge drei Rezeptortypen
existieren müssen – analog zu den drei Primärfarben der additiven Farbmischung – , die für diese drei
Primärfarben empfindlich sind. Ende des 19. Jahrhunderts gab es experimentelle Nachweise für drei
unterschiedliche Farbsinneszellen in der Netzhaut des Auges (vgl. Welsch 2012).
Angenommen die drei Achsen des Farbwürfels würden die drei Farbsinneszellen im Auge darstellen,
entstünde im Ursprung (0/0/0) der Farbeindruck schwarz. Bei gleichzeitiger, maximaler Anregung
Abbildung 15: RGB-Farbwürfel (vgl. Funk 2009).
28 Organische Farbstoffe im Schulunterricht
entstünde der Farbeindruck weiß (liegt in Raumdiagonalen vom Ursprung). Die Intensität der
Anregung wird durch den Wert der Achse festgelegt. So könnte ein jeder Punkt, d.h. jede Farbe, der
sich im Raum der drei Farbachsen befindet, durch unterschiedliche Anregung der drei
Farbsinneszellen beschrieben werden (vgl. Funk 2009).
2.2.1.1 Farbwahrnehmung
Wie nach der oben beschriebenen Young/Helmholtz-Hypothese vermutet, existieren drei
Farbsinneszellen im menschlichen Auge, die Zapfen genannt werden:
Tabelle 5: Zapfentypen des menschlichen Auges.
Zapfentyp Empfindlichkeit im sichtbaren
Spektralbereich
L-Zapfen lange Wellenlängen (λmax = 564 nm)
M-Zapfen mittellange Wellenlängen (λmax = 534 nm)
K-Zapfen kurze Wellenlängen (λmax = 420 nm)
Die Zapfentypen unterscheiden sich minimal in ihren Proteinanteilen des Opsins. Daraus resultieren
unterschiedliche Empfindlichkeiten gegenüber Photonen. Sie weisen dementsprechend ähnliche,
jedoch parallel verschobene Absorptionsspektren auf. Das bedeutet, die Absorptionsmaxima der drei
Zapfentypen liegen bei unterschiedlichen Wellenlängen.
Folgende Abbildung zeigt die Absorptionsspektren der drei Zapfen und der so genannten Stäbchen S:
Abbildung 16: Absorptionsspektren der drei Zapfen und Stäbchen (vgl. Bäker 2013).
S K
29 Organische Farbstoffe im Schulunterricht
Die L-Zapfen haben ein Absorptionsmaximum bei 564 nm, die M-Zapfen bei 534 nm und die K-Zapfen
bei 420 nm (vgl. Bäker 2013). Alle 125∙106 Stäbchen sind vom gleichen Typ und besitzen bei 498 nm
maximale Absorption. Insgesamt wird durch die Zapfen der gesamte sichtbare Spektralbereich von
400 – 700 nm abgedeckt. Weiterhin überlappen sich deren Absorptionsspektren. Dies bedeutet, dass
bei einer Reizung mehrerer Zapfen mit unterschiedlicher Intensität sich additiv Mischfarben ergeben.
Nach dem Prinzip der additiven Farbmischung werden die aus der Photoabsorption an
unterschiedlichen Zapfentypen entstehenden elektrischen Impulse im Gehirn als Information
zusammengefasst und es entsteht ein Farbeindruck. Durch die drei Zapfentypen mit deren drei
Reizzentren für rotes, grünes und blaues Licht und deren überlappenden Absorptionsspektren
können etwa 2∙106 Farbtöne (vgl. FdChI 1993) und bis zu 7∙106 Mio. Farbnuancen (vgl. Weber 2001)
unterschieden werden.
Es wird von trichromatischen Farbensehen gesprochen.
Beispiele:
Fällt grünes Licht der Wellenlänge 500 nm auf die Netzhaut, werden die M-Zapfen mit einer
höheren Intensität physiologisch gereizt. K-Zapfen absorbieren in diesem
Wellenlängenbereich nicht, sodass nur eine Signaltransduktion vor allem von den M-Zapfen
weitergeleitet wird. Es entsteht der Farbeindruck grün.
Werden alle drei Zapfentypen gleichzeitig und gleich intensiv gereizt, entsteht nach der
additiven Farbmischung der Farbeindruck weiß.
Bei einer Intensität gegen null werden keine Zapfen gereizt und ein schwarzer Farbeindruck
entsteht (vgl. FdChI 1993).
Wie verläuft die Photoabsorption im Auge?
Beim Betrachten eines Gegenstandes fällt das von ihm reflektierte oder emittierte Licht in unser
Auge. Die Lichtstrahlen passieren die Pupille, sie werden in der Linse gebrochen, passieren den
Glaskörper und treffen auf die Netzhaut (Retina), die von der innersten Schicht der Membranen im
hinteren Auge gebildet wird. Durch die Brechung der Lichtstrahlen in der Linse wird der Gegenstand
auf der Netzhaut verkleinert und umgekehrt abgebildet.
30 Organische Farbstoffe im Schulunterricht
Die folgende Abbildung zeigt den strukturellen Aufbau eines menschlichen, so genannten inversen
Linsenauges:
Abbildung 17: Inverses Linsenauge (vgl. Franke 2013).
Die Netzhaut wurde ursprünglich während der Embryonalentwicklung als Teil des Gehirns entwickelt
(vgl. Weber 2001). Sie ist nur 0,2 mm dick, besteht jedoch aus unzähligen Lichtsinneszellen, welche
wiederum mit Photorezeptoren ausgestattet sind.
Die Photorezeptoren sind sehr sensibel für Licht des Wellenlängenbereichs von 400 - 750 nm.
Deshalb wird dieser Bereich des elektromagnetischen Spektrums auch als sichtbares Licht (ist auf den
Menschen bezogen) bezeichnet. Durch den physiologischen Reiz von Licht entsteht in den
Photorezeptoren und den nachgeschalteten Nervenzellen ein elektrischer Impuls, welcher über den
Sehnerv an das Gehirn weitergegeben wird. Das Gehirn verarbeitet diese Information zu einem
Sinnes- bzw. Farbeindruck (vgl. FdChI 1993).
Unter den Photorezeptoren der Netzhaut werden Stäbchen – für das Hell-Dunkel-Sehen – und
Zapfen – für das Farbensehen – unterschieden.
Stäbchen sind für das Hell-Dunkel-Sehen verantwortlich, da sie extrem lichtempfindlich sind.
In der Netzhaut befinden sich ca. 125∙106 Stäbchen, vor allem aber im Randbereich der
Netzhaut.
Zapfen sind für das Farben-Sehen verantwortlich. Sie sind sehr viel weniger lichtempfindlich
als die Stäbchen. In der Netzhaut befinden sich ca. 6∙106 Zapfen (es gibt 20 Mal so viele
Stäbchen!). Diese sind hauptsächlich im optischen Zentrum (in der optischen Mitte)
vorhanden. Die Stelle des schärfsten Sehens und der höchsten Farbempfindlichkeit ist mit
der größten Anzahl an Zapfen besetzt und wird als gelber Fleck bezeichnet. Er liegt direkt auf
der optisch inneren Achse des Auges.
31 Organische Farbstoffe im Schulunterricht
Ergänzung:
Am Nachthimmel können schwach leuchtende Sterne viel besser wahrgenommen werden,
wenn der Blick nicht direkt auf sie gerichtet ist – denn für das Hell-Dunkel-Sehen sind die im
Randbereich der Netzhaut sitzenden Stäbchen verantwortlich.
Folgende Abbildung zeigt den Aufbau der Netzhaut. Im hinteren, hier rechten Teil der Netzhaut
liegen die Photorezeptoren (Stäbchen und Zapfen). Das Licht fällt von links ein und passiert zunächst
die Sehnervenzellen und die Bipolarzellen bis es in den Photorezeptoren absorbiert wird (Merkmal
eines inversen Linsenauges: die lichtempfindlichen Zellen sind dem Licht abgewandt und der
blutversorgenden Aderhaut zugewandt.).
Abbildung 18: Aufbau der Netzhaut (vgl. Meindl 2013).
Verantwortlich für die Absorption des Lichts ist Rhodopsin. Dieses wird ursprünglich aufgrund seiner
roten Farbe Sehpurpur genannt. Unzählige Moleküle Rhodopsin befinden sich in einem
Photorezeptor. Es besteht aus einer Proteineinheit (Opsin) und dem Farbstoff Retinal, der als
Cofaktor wirkt.
32 Organische Farbstoffe im Schulunterricht
Tipp für die Schule:
In verschiedenen Lehrbüchern wird veraltet die cis-trans-Schreibweise verwendet. Die E-
/Z-Benennung nach CIP betrachtet nicht die Stellung gleichartiger sondern höchstrangiger
Substituenten an einer Doppelbindung und ist deshalb bei mehr als zwei Substituenten
eindeutig und deshalb empfehlenswert. Retinal kann mit seinen zwei Substituenten an C11
auch in cis-trans-Schreibweise dargestellt werden: 11-cis-Retinal und all-trans-Retinal
anstelle von 11-Z-Retinal und 11-E-Retinal.
Folgende Abbildung zeigt schematisch die Darstellung von Rhodopsin:
Der farbig gezeichnete Molekülteil stellt 11-cis-Retinal dar, welcher an einen Amin-Substituenten des
Proteins Opsin kovalent gebunden wird. Rhodopsin zeichnet sich unter anderem durch diese Imin-
Verbindung aus.
Photorezeption – Chemie des Sehens
Wie funktioniert die Informationsaufnahme und -umwandlung von Farbe?
Durch die Absorption eines Photons bestimmter Quantenenergie aus dem sichtbaren Licht
isomerisiert 11-cis-Retinal in nur wenigen Picosekunden (10-12 s) zu seiner konfigurationsisomeren
Form all-trans-Retinal. 11-cis-Retinal besitzt eine C-C-Doppelbindung mit cis-Konfiguration in 11-
Stellung; all-trans-Retinal eine trans-Konfiguration (vgl. Atkins 2006: 490).
33 Organische Farbstoffe im Schulunterricht
Es findet folglich eine Photo-Isomerisierung statt (vgl. Vollhardt 2005: 936):
Die cis-trans-Isomerisierung erfordert eine freie Drehbarkeit der C-C-Doppelbindung in 11-Stellung
und kann nur unter Spaltung der π-Bindung ermöglicht werden.
Diese Spaltung kann thermisch oder durch Energie elektromagnetische Strahlung induziert werden.
Sobald sich die Überlappung der p-Orbitale der π-Bindung aufgehoben hat, kann eine Rotation der
sp2-hybridisierten C-Atome um die verbliebene σ-Bindung stattfinden. Der Übergangszustand ist
erreicht, sobald die p-Orbitale senkrecht zueinander stehen und die π-Bindung vollständig gebrochen
ist. Nach weiterer Rotation um 90° wird die π-Bindung erneuert, indem die p-Orbitale wieder
überlappen. Das trans-konfigurierte Retinal liegt nun vor. Bei 11-cis-Retinal und all-trans-Retinal
handelt es sich um Diastereomere (vgl. Wollrab 2009: 88 f.).
Die Isomerisierung führt zu geometrischen Veränderungen, sodass das trans-Isomer nicht mehr in
das aktive Zentrum des Opsins passt und es zu einer Dissoziation (Hydrolyse) des Rhodopsins kommt
(vgl. Vollhardt 2005: 936).
Ein Molekül all-trans-Retinal aktiviert hunderte Enzyme und löst eine Erregungskaskade und eine
damit verbundene Signaltransduktion aus. Na+-Ionenkanäle der Rezeptormembran werden
geschlossen. Dies führt zu einer Hyperpolarisation, welche die Transmitterausschüttung der
Synapsen hemmt. Die den Photorezeptoren nachgeschalteten Ganglienzellen (siehe Abbildung 18)
setzen diese Information in Aktionspotential – einen elektrischen Impuls – um, welches über den
Sehnerv zum Gehirn weiter geleitet wird (vgl. Triebel 2005: 82 f.).
Schließlich wird nach wenigen Sekunden all-trans-Retinal mithilfe des Enzyms Retinal-Isomerase in
das cis-Isomer überführt. Opsin hingegen muss im Körper neu synthetisiert werden und kann dann
wieder mit dem cis-Retinal unter ATP-Verbrauch Rhodopsin bilden.
Alle bekannten visuellen Systeme der Natur – egal welcher evolutionären Abstammung – verwenden
zur visuellen Anregung das Retinalsystem. Dies ist bemerkenswerterweise schon für ein Photon
sensibel (vgl. Vollhardt 2005: 936).
34 Organische Farbstoffe im Schulunterricht
Ergänzung:
Bei starker Belichtung (Blick in die Sonne) zerfällt in sehr kurzer Zeit mehr Rhodopsin als
benötigt wird, deshalb nimmt die Photoempfindlichkeit schlagartig und kurzzeitig ab, bis
Rhodopsin wieder regeneriert wurde. Deshalb sieht man nach direktem Blick in die Sonne
an dieser Stelle erst einmal schwarz.
Merke:
Lichtfarben bzw. das Spektrum des sichtbaren Lichts können nicht direkt mit unserem Sehsystem
wahrgenommen werden. Die drei Zapfentypen der Netzhaut liefern dem Gehirn lediglich durch
elektrische Impulse Informationen über die Intensität ihrer Photoabsorption, initiiert durch das
einfallende Licht. Daraus entsteht durch additive Farbmischung – allerdings nur in unserem Gehirn –
der Farbeindruck (vgl. Welsch 2012: 297).
2.2.2 Subtraktive Farbmischung
Anders als bei der additiven Farbmischung, die durch Lichtfarben entsteht – also einer Mischung aus
monochromatischem Licht – beruht die subtraktive Farbmischung auf einer Vermischung materieller
Farbsubstanzen oder so genannter Körperfarben (vgl. Weckner 2013). Damit unterscheiden sie sich
grundsätzlich.
Die Farbe der additiven Farbmischung resultiert aus einer Summierung der Lichtfarben. Sie werden
sozusagen übereinander gelegt und addiert. Bei der subtraktiven Farbmischung entsteht Farbe durch
Subtraktion einer bestimmten oder mehrerer bestimmter Wellenlängen polychromatischen Lichts,
welches die Körperfarben anstrahlt (vgl. Weber 2001). Die Farbmischung resultiert deshalb nicht aus
der Überlagerung von Lichtquellen, sondern hängt von der Lichtabsorption und -reflexion eines
Körpers ab (vgl. Weller).
35 Organische Farbstoffe im Schulunterricht
Ergänzung:
Künstler der Renaissance entdeckten zuerst die Möglichkeit aus den Primärfarben alle
vorstellbaren Farbmischungen kreieren zu können.
Die Primärfarben subtraktiver Farbmischung sind:
Tabelle 6: Primärfarben subtraktiver Farbmischung.
Primärfarben
subtraktiver Farbmischung
cyan
magenta
yellow (gelb)
Sie entsprechen den Sekundärfarben der additiven Farbmischung.
Die subtraktive Farbmischung stellt die gewohnte Art der Farbmischung dar, die beispielsweise mit
Farben aus dem Malkasten gemischt und erzeugt werden können (vgl. Weber 2001). Deshalb sind sie
wahrscheinlich intuitiv nachzuvollziehen und einfacher zu merken.
Die Mischung der drei Primärfarben und deren Beziehung zueinander sind in folgendem Schaubild
dargestellt:
Abbildung 19: Schaubild subtraktiver Farbmischung (vgl. Weckner).
36 Organische Farbstoffe im Schulunterricht
Tabelle 7: Sekundärfarben der subtraktiven Farbmischung.
Mischung der Primärfarben resultierende Mischfarbe
cyan + yellow grün
cyan + magenta blau
magenta + yellow rot
cyan + magenta + yellow schwarz
Die resultierenden Sekundärfarben entsprechen den Primärfarben der additiven Farbmischung.
Aus dem Schaubild sind weitere Beziehungen zu entnehmen: Schwarz entsteht sowohl bei der
Mischung zweier der drei Sekundärfarben (rot, grün, blau) als auch bei der Mischung zweier
Komplementärfarben.
Unter Komplementärfarben wird hier ein Farbenpaar bestehend aus einer Primärfarbe und deren
diametral gegenüber liegenden Sekundärfarbe verstanden.
Tabelle 8: Mischung der Komplementärfarben.
Mischung der
Komplementärfarben
resultierende Mischfarbe
(Tertiärfarbe)
rot + cyan schwarz
blau + yellow schwarz
grün + magenta schwarz
Die Komplementärfarben sind exakt die gleichen wie bei der additiven Farbmischung. Allerdings
resultiert bei der Mischung der Komplementärfarben nicht weißes Licht, sondern schwarze Farbe
(der Unterschied zwischen Licht und Farbe ist hier wesentlich!).
Die subtraktive Farbmischung ist nicht wie die additive Farbmischung sinnesphysiologischer Natur,
sondern beruht auf physikalischen Hintergründen. Das bedeutet, es muss immer unterschieden
werden, welche Farbe nach der subtraktiven Farbmischung durch einen „Körper“ subtrahiert wird
und welche Farbe nach der Dreifarbentheorie vom Auge wahrgenommen wird.
37 Organische Farbstoffe im Schulunterricht
Beispiel: Ein „Körper“ erscheint gelb.
Aus Sicht der subtraktiven Farbmischung Aus Sicht der Drei-Farben-Theorie
(Farbwahrnehmung)
Von schwarz wird blau subtrahiert. Der
„Körper“ erscheint in der Komplementärfarbe
gelb.
Die L- und M-Zapfen für rotes und grünes
Licht werden gereizt und führen zu einem
gelben Farbeindruck. (Blau wurde also vom
„Körper“ subtrahiert.)
Weitere Zusammenhänge von subtraktiver Farbmischung und Farbwahrnehmung:
Tabelle 9: Zusammenhänge subtraktive Farbmischung und Farbwahrnehmung.
Farbeindruck Subtraktive Farbmischung Farbwahrnehmung
yellow schwarz – blau rot + grün = yellow
cyan schwarz – rot grün + blau = cyan
magenta schwarz – grün rot + blau = magenta
grün schwarz – magenta weiß – rot – blau = grün
blau schwarz – yellow weiß – rot – grün = blau
rot schwarz – cyan weiß – grün – blau = rot
weiß schwarz – magenta – yellow – cyan rot + grün + blau = weiß
schwarz magenta + yellow + cyan weiß – rot – grün – blau = schwarz
Hierbei darf nicht der falsche Anschein entstehen, dass bei der Farbwahrnehmung Lichtfarben von
weiß subtrahiert werden. Diese Darstellung soll lediglich eine Hilfe zur Verknüpfung der beiden
Modelle sein und zeigen, dass grünes Licht nur im Auge entsteht wenn magenta absorbiert wird, d.h.
rotes und blaues Licht durch einen Farbstoff aus dem Spektrum subtrahiert werden.
38 Organische Farbstoffe im Schulunterricht
Tipp für die Schule:
Der Unterschied von additiver und subtraktiver Farbmischung kann ganz kurz und mit
einfachen Mitteln im Unterricht gezeigt werden. Für die additive Farbmischung werden
drei Farbquellen (rot, grün, blau) in einem abgedunkelten Raum benötigt, die zum
Veranschaulichen übereinander gelegt werden. Für die subtraktive Farbmischung können
Farben in Geschäften für Kunstbedarf gekauft und im Unterricht demonstrativ vermischt
werden. Wichtig ist, dass ganz bestimmte Farben verwendet werden: Chromgelbzitron
(entspricht yellow), Echtpurpur (entspricht magenta), Cyanblau (entspricht cyan) (vgl.
Rudolf 2010).
Die subtraktive Farbmischung leitet sich also von der additiven ab und stellt eine Vereinfachung für
den alltäglichen Gebrauch von Farbmischungen dar, weil sie die Farbwahrnehmung indirekt
impliziert.
Subtraktive Farbmischung erfolgt bei
der Mischung aller materieller Farben wie Kunstfarben, Lacke etc. durch Absorption und
Lichtreflexion
Farbfiltern durch Transmission
Daraus entwickelte sich das CYMK-Farbsystem (Cyan, Yellow, Magenta und K steht für black),
welches in der Entwicklung von Tintenstrahldruckern (Vierfarben-Druckverfahren) und in der
Farbfotografie Anwendung findet (vgl. Welsch 2012).
Merke:
Ein farbiger Körper absorbiert immer den Wellenlängenbereich seiner Komplementärfarbe ein
gelb erscheinender Körper absorbiert blaues Licht!
An dieser Stelle kann der Videoversuch „Papierchromatographie“ präsentiert werden. Dieser zeigt
wie Farben subtraktiver Farbmischungen voneinander getrennt werden können, und damit wie sie
zusammengesetzt sind:
39 Organische Farbstoffe im Schulunterricht
Tipp für die Schule:
Zur Visualisierung der Farbtrennung und als Beweis, dass sich alle Farben aus den
Primärfarben subtraktiver Farbmischung mischen lassen, ist dieser farbenfrohe Versuch
sehr gut geeignet und macht jedem Schüler jeden Alters Spaß.
Außerdem kann er ebenso zum Thema Trennmethoden durchgeführt werden.
Die Chromatographie (aus dem Griechischen von chroma, bedeutet Farbe und von graphein,
bedeutet schreiben) zählt allgemein zu Stofftrennungsverfahren. Mit diesem können beispielsweise
die verschiedenen Farbstoffe, die in einem farbigen Filzstift vermischt sind, auf einem Filterpapier
aufgetrennt werden.
Abbildung 20: Aufgetragene Filzstiftfarben (vgl. Hühn).
Abbildung 21: Aufgetrennte Filzstiftfarben (vgl. Hühn).
Für den auf dem Filterpapier gemalten Farbkreis wurden Filzstifte der Farben gelb (rechts), rot
(oben), blau (links) und grün (unten) verwendet.
Der gelbe Filzstift setzt sich nur aus gelber Farbe (yellow) zusammen. Dies ist eine
Primärfarbe subtraktiver Farbmischung.
Der rote Filzstift setzt sich aus yellow und magenta zusammen.
Die Farbe des blauen Filzstifts resultiert aus cyan und violett (eigentlich magenta).
Die Farbe des grünen Filzstifts entsteht aus yellow und cyanähnlicher Farbe.
Unterschiedliche Hersteller verwenden unterschiedliche Farbzusammensetzungen. Deshalb kann
nicht unbedingt von den drei Primärfarben ausgegangen werden.
40 Organische Farbstoffe im Schulunterricht
Übungsaufgabe 2:
Ermitteln Sie mithilfe des Farbkreises, in welchem Wellenlängenbereich ein gelber Farbstoff
das Licht absorbiert, und skizzieren Sie ein entsprechendes Absorptionsspektrum!
Merke:
Subtraktive Farbmischung entsteht durch die Subtraktion von Körperfarben ausgehend von schwarz.
Primärfarben sind cyan, yellow und magenta. Eine Farbmischung ergibt schwarze Farbe. Abgeleitet
wurde daraus das CYM-Modell (erweitert: CYMK-Modell) beispielsweise für Farbdrucker.
Additive Farbmischung entsteht durch die Summierung von Lichtfarben. Primärfarben sind rot, grün
und blau. Eine maximale Überlagerung dieser ergibt weißes Licht. Abgeleitet wurde daraus das RGB-
Modell beispielsweise für Farbfernseher.
41 Organische Farbstoffe im Schulunterricht
2.3 Farbentstehung
Obwohl sich polychromatisches Licht aus allen Spektralfarben zusammensetzt, können wir diese
nicht sehen und nehmen polychromatisches Licht transparent („weiß“) wahr.
Wie kommt es also, dass etwas farbig erscheint?
Ein Farbeindruck kann nur dann entstehen, wenn Licht mit Materie wechselwirkt. Dazu werden
verschiedene Möglichkeiten der Interaktion zwischen Licht und Materie betrachtet:
Tabelle 10: Wechselwirkung Licht - Materie.
Art der Wechselwirkung
Elektronensystem der bestrahlten Materie
Auswirkung
Absorption Delokalisierte π-Elektronensysteme (organische Verbindungen)
Energieaufnahme durch Lichtabsorption; subtrahiert Wellenlängenbereiche des sichtbaren Lichts Elektronen in Übergangsmetallionen
(anorganische Verbindungen)
Emission Delokalisierte π-Elektronen Energieaufnahme und anschließende Emission von sichtbarem Licht
Richtungsänderung (physikalischer Natur)
- Beugung
Interferenz
Brechung
Streuung
2.3.1 Absorption
Definition
Bei der Lichtabsorption wird Licht von einem Farbstoff absorbiert (aufgenommen). Dieses Licht einer
bestimmten Wellenlänge aus dem sichtbaren Spektralbereich fehlt dem polychromatischen Licht,
woraus ein Farbeindruck im Auge des Betrachters entsteht (siehe Farbwahrnehmung).
Es gilt: Lichtabsorption = Energieabsorption, da
(2)
42 Organische Farbstoffe im Schulunterricht
allgemein gilt:
Aufgrund der Absorption von Energie kann allgemein ein Elektron von einem Grundzustand Ψ in
einen energetisch höheren Zustand Ψ* (angeregter Zustand, wird mit * gekennzeichnet) angeregt
werden. Diese energetischen Zustände besitzen ganz bestimmte Energiedifferenzen:
(4)
Entspricht ein Lichtquant bzw. Licht einer bestimmten Wellenlänge dieser Energiedifferenz, so wird
es absorbiert und zur energetischen Anregung des Elektrons verwendet. Die wahrgenommene Farbe
entspricht dann der Komplementärfarbe der absorbierten Wellenlänge (vgl. FdChI 1993: 29 f.).
Bei einer einfachen Betrachtung – gilt für Elektronen von ungeladenen Atomen und Ionen –
entspricht die absorbierte Energie exakt dieser Energiedifferenz:
(5)
Bei Untersuchungen von Licht an einer Natriumdampflampe wird eine scharfe, schwarze
Absorptionslinie (D-Linie) bei 589 nm vor einem kontinuierlichen Farbspektrum aufgenommen (vgl.
Röder 1999: 10). Natriumdampf erscheint blau. Bei der Flammenfärbung von Natrium werden dessen
Elektronen thermisch angeregt. Beim Rückgang vom angeregten Zustand in den Grundzustand wird
die absorbierte Energie vollständig in Form von Licht der Wellenlänge 589 nm emittiert. Die
Flammenfärbung von Natrium erscheint gelb (vgl. Röder 1999: 10).
Im Gegensatz zu Atomen werden bei der Elektronenanregung von Molekülen zusätzlich
Schwingungen (ES) und Rotationen (ER) angeregt. Für die absorbierten Energien in Molekülen gilt:
(6)
Aufgrund dieser Überlagerung verschiedener absorbierter Energien entstehen keine scharfen
Absorptionslinien wie bei Natriumatomen sondern breite strukturierte Absorptionsbanden (vgl.
Farbstoff
Grundzustand Farbstoff
angeregter Zustand
ΔE = h∙ν
Elektron
Grundzustand Elektron
angeregter Zustand ΔE = h∙ν
ΔE = h∙ν
Ψ
Ψ* E
43 Organische Farbstoffe im Schulunterricht
Röder 1999: 10). Da die absorbierten Energien für Schwingung und Rotation wesentlich kleiner sind
als die absorbierte Energie für die Elektronenanregung, werden sie im Folgenden vernachlässigt.
Molekulare Anregungen durch Energieabsorption (vgl. FdChI 1993):
Tabelle 11: Molekulare Anregungen durch Energieabsorption.
Absorbierte Energie Molekulare Anregung
< Energie des sichtbaren Lichts
= IR, Mikrowellen
Schwingungs- und Rotationsanregung
des Moleküls
= Energie des sichtbaren Lichts Elektronenanregung
> Energie des sichtbaren Lichts
= UV, Röntgenstrahlung
Ionisierung (Elektronen werden aus
Molekül herausgeschlagen)
Aus der Tabelle folgt, dass Energie des sichtbaren Lichts, also diskrete Energien zwischen 160 - 300
kJ/mol absorbiert werden müssen, damit Moleküle farbig erscheinen können (vgl. FdChI 1993).
Zwischen der Wellenlänge des absorbierten Lichts λ und der Energiedifferenz zwischen angeregtem
Zustand und Grundzustand eines Elektrons ΔE besteht ein direkter Zusammenhang, der durch
Gleichsetzen folgender Gleichungen mathematisch dargestellt werden kann:
(1) und (2) und (4)
Daraus ergibt sich eine Gleichung für die Wellenlänge λ in Abhängigkeit der Energiedifferenz ΔE:
(7)
Die absorbierte Wellenlänge ist umgekehrt proportional zur Energiedifferenz von Ψ und Ψ*. Daher
folgt: je kleiner ΔE, desto größer λ.
Merke:
1. Ein Farbstoff zeichnet sich prinzipiell dadurch aus, dass er bestimmte Elektronen besitzt, die in der
Lage sind, Lichtquanten (Energieportionen) des sichtbaren Lichts zu absorbieren.
2. Je kleiner die Energiedifferenz zwischen Ψ und Ψ*, desto größer ist der Wert der absorbierten
Wellenlänge.
44 Organische Farbstoffe im Schulunterricht
Auf der Suche nach dem Zusammenhang zwischen Lichtabsorption und chemischer Struktur eines
Farbstoffs:
Um einerseits begründen zu können, warum Elektronen energetisch – allerdings nur mit diskreten
Energien – angeregt werden können und andererseits die daraus resultierende Farbigkeit zu
erklären, müssen zunächst die anzuregenden Elektronensysteme verschiedener Farbstoffe
unterschieden werden:
1. σ- und π-Elektronensysteme in organischen, konjugierten Doppelbindungssystemen
σ σ*; π π*
2. Elektronen in d-Orbitalen anorganischer, farbiger Komplexverbindungen
3. Elektronen in anorganischen Charge-Transfer-Komplexen
2.3.1.1 Organische Farbstoffe
Organische Farbstoffe zeichnen sich allgemein durch deren delokalisierte π-Elektronensysteme aus,
die in Verbindungen konjugierter Doppelbindungen entstehen. In diesen Verbindungen können
sowohl σ-Elektronen als auch π-Elektronen angeregt werden. Für die Entstehung von Farbigkeit sind
jedoch die π-Elektronen deutlich hervorzuheben.
2.3.1.1.1 Mesomerie-Modell
Das einfachste und in der Schule verbreitetste Modell zur Farbigkeit ist das Mesomerie-Modell.
Dieses betrachtet lediglich den Grundzustand der π-Elektronen. Die Farbigkeit resultiert sowohl aus
der Größe des konjugierten π-Systems als auch aus der Anzahl mesomerer Grenzstrukturen und der
damit verbundenen Stabilisierungen.
Aus Gründen didaktischer Reduktion können an dieser Stelle das Mesomerie-Modell und die
Farbentheorie nach Witt (1876) zusammengefasst werden:
Nach Witt besteht ein Farbstoff sowohl aus einem Farbträger, dem so genannten Chromophor, der
das Grundgerüst bildet und Voraussetzung für die Entstehung eines Farbstoffs ist, als auch aus
Auxochromen und bzw. oder Antiauxochromen – funktionellen Gruppen, die die Farbigkeit
beeinflussen.
π
π* ΔE = h∙v
45 Organische Farbstoffe im Schulunterricht
Zur Veranschaulichung können hier verschiedene Azoverbindungen herangezogen werden. (Diese
wurden historisch erstmals zur Erklärung der Farbigkeit mittels des Mesomerie-Modells
herangeführt):
N
N
Chromophor
CH-
N
N CH+
Diese Azoverbindung ermöglicht eine Delokalisation der π-Elektronen der beiden Phenylringe über
das gesamte System (siehe rote Pfeile in Abbildung). Sie bildet den Chromophor. Es existieren zwei
mesomere Grenzstrukturen, die durch auftretende Coulombsche Kräfte stabilisiert sind.
Bei der Addierung eines Auxochromen existieren ebenso zwei mesomere Grenzstrukturen, allerdings
ist das konjugierte π-System erweitert und damit stabiler:
N
N N
Auxochrom
CH-
N
N N+
Der Auxochrom, hier Dimethylamin, zeichnet sich durch ein freies, nichtbindendes Elektronenpaar
aus, welches durch seinen elektronenschiebenden Charakter (+M-Effekt) zur Erweiterung des π-
Systems beiträgt. Bei dem Farbstoff handelt es sich um Buttergelb, einer der einfachsten
Azofarbstoffe, da er nur aus dem Chromophor und einem Auxochromen besteht.
Bei der Addierung einer weiteren funktionellen Gruppe, eines Antiauxochromen, existieren ebenso
zwei mesomere Grenzstrukturen:
N
N N
S
O
O
O-
N
N N+
S
O-
O-
O
Antiauxochrom
Das konjugierte π-System ist nochmals erweitert. Dieses Molekül ist am besten stabilisiert. Der
Antiauxochrom, hier Sulfonsäure, zeichnet sich durch seinen elektronenziehenden Charakter (–M-
Effekt) aus. Bei diesem Azofarbstoff handelt es sich um Methylorange.
46 Organische Farbstoffe im Schulunterricht
Dieser Effekt der Beeinflussung von funktionellen Gruppen auf den Chromophor wird als Push-Pull-
System bezeichnet:
Die Bezeichnung Push-Pull-System verdeutlicht den Effekt der Substituenten: π-Elektronen werden
auf der einen Seite in den Chromophor geschoben und auf der anderen Seite heraus gezogen. Die
Delokalisierung der π-Elektronen erstreckt sich somit durch +M- und –M-Effekte über das gesamte
Molekül und bezieht jeden Substituenten mit ein.
In folgender Tabelle sind wichtige Antiauxochrome und Auxochrome aufgelistet:
Tabelle 12: Verschiedene Antiauxochrome und Auxochrome.
Antiauxochrome Auxochrome
elektronenziehend elektronenschiebend
-M-Effekt +M-Effekt
-NO2, -SO3-, -CN -NR2,-NH2, -OR,-OH, -SR, -SH
Durch das Zusammenwirken von Antiauxochromen und/oder Auxochromen kann die Farbigkeit des
Chromophors erheblich verändert werden. Am Beispiel von drei weiteren Azofarbstoffen soll dies
demonstriert werden:
π e- π e
-
Abbildung 22: Push-Pull-System des Mesomerie-Modells.
Antiauxochrom Chromophor Auxochrom
47 Organische Farbstoffe im Schulunterricht
AuxochromeN
N N
N+
O
O-
Antiauxochrom
AuxochromeN
N N
N+
O
O-
SO
O
CH3
Antiauxochrom
Antiauxochrom
AuxochromeN
N N
N+
O
O-
SO
O
CH3
N
Antiauxochrom
Antiauxochrom
Antiauxochrom
pu
sh-p
ull-
Effe
kt v
ergr
öß
ert
-Sys
tem
Ver
sch
ieb
un
g d
er A
bso
rpti
on
in lä
nge
rwel
ligen
Ber
eich
scharlachrot
rotviolett
rotstichiges blau
Abbildung 23: Bathochromer Effekt von Azofarbstoffen (nach Röder 1999: 11).
Je mehr Auxochrome und Antiauxochrome an den Chromophor substituiert und je mehr mesomere
Grenzstrukturen dadurch ermöglicht werden, desto einfacher können die delokalisierten π-
Elektronen angeregt werden. Damit geht einher, dass die Energie des dadurch absorbierten Lichts
sinkt (und die Wellenlänge sich erhöht). Es wird von einer Verschiebung in den längerwelligen
Bereich gesprochen, was als Rotverschiebung bzw. als Bathochromer Effekt (aus dem Griechischen
bathys bedeutet tief, chroma bedeutet Farbe) bezeichnet wird. Resultiert die bathochrome
Verschiebung aus einer negativ geladenen (salzartigen) Gruppe, wird dies als Halochromer Effekt
bezeichnet (vgl. Chemie.de 2012).
Im Gegenzug tritt ebenso eine Blauverschiebung, also eine Verschiebung der Absorption in den
kürzerwelligen Bereich auf, wenn das π-Elektronensystem durch Auxochrome verkleinert wird. Dies
wird Hypsochromer Effekt (aus dem Griechischen hypsos bedeutet hoch, chroma bedeutet Farbe)
genannt.
48 Organische Farbstoffe im Schulunterricht
Übungsaufgabe 3:
Bis 1938 wurde der Farbstoff Buttergelb zum Anfärben von Margarine verwendet:
N
N N
*
Die Bezeichnung "Buttergelb" weist auf die Eigenfarbe der Verbindung hin. Diskutieren
Sie an diesem Beispiel ausführlich den Zusammenhang zwischen Molekülstruktur und
Farbigkeit! Grenzstrukturformeln sind nicht erforderlich.
Im Labor wird in das Molekül an der mit * gekennzeichneten Position eine
antiauxochrome Gruppe eingeführt. Erklären Sie unter Zuhilfenahme geeigneter
Strukturformeln den Einfluss der von Ihnen gewählten Gruppe auf die Farbigkeit des
Stoffes!
Vorteile des Mesomerie-Modells:
Dieses Modell beschreibt die Entstehung von Farbigkeit auf molekularer Ebene. Durch das
Umklappen von Doppelbindungen an den Molekülen werden sowohl die Delokalisation der π-
Elektronen als auch die Erweiterung dieses Systems durch Auxochrome und Antiauxochrome für
Schüler ersichtlich. Folgende Annahme ist sehr einprägsam: je größer ein π-Elektronensystem
delokalisiert ist, desto größer wird die absorbierte Wellenlänge.
Nachteile des Mesomerie-Modells:
Weder σ-Elektronen noch der angeregte Zustand π* werden in diesem Modell berücksichtigt.
Deshalb kann weder eine qualitative, noch eine quantitative Aussage über Energiedifferenzen oder
über absolute Werte absorbierter Wellenlängen gemacht werden.
Aus diesen Gründen ist das Mesomerie-Modell zwar für das allgemeine Verständnis von
Wechselwirkungen von Licht und Molekül nützlich, besitzt jedoch wenig Aussagekraft und kann kein
detailliertes Verständnis über die Vorgänge von Absorption vermitteln.
49 Organische Farbstoffe im Schulunterricht
Übungsaufgabe 4:
Entscheidend für die Farbe eines Farbstoffes ist die Struktur seiner Moleküle. Aus dem
farblosen Phenol kann man durch Einführen dreier jeweils gleicher Substituenten am C2-,
C4 und C6-Atom einen Farbstoff erhalten. Folgende Substituenten stehen zur Auswahl:
Nitrogruppe
Aminogruppe
Hydroxygruppe
Erläutern Sie unter Mitverwendung von Grenzstrukturformeln, welcher der drei
Substituenten die oben beschriebene Änderung der Farbe ermöglicht!
2.3.1.1.2 Teilchen im Kasten-Modell
Eine einfache und gut übertragbare quantenmechanische Modellvorstellung zum Zusammenhang
zwischen Lichtabsorption und Konstitution eines Moleküls bietet das Modell zum Teilchen im
eindimensionalen Kasten. Das Modell bietet die Möglichkeit eine qualitative Aussage darüber zu
machen, wie die Ausdehnung der Delokalisation der π-Elektronen eines Chromophors von der Lage
und den Eigenschaften der Energieniveaus des Grundzustandes und des angeregten Zustandes
abhängt (vgl. Röder 19999: 11).
Grundlegende Annahme dieses Modells ist die Vorstellung, ein Elektron befinde sich in einem Kasten
der Länge L (Black Box), den es nicht verlassen kann. Das Elektron wird als Teilchenstrahlung, also
Materiewelle betrachtet und als stehende Welle (eine am Kastenrand reflektierte Welle bildet durch
Interferenz eine stehende Welle) im Kasten beschrieben. Die potentielle Energie im Kasten sei
konstant. Am Kastenrand besitze die Welle Knotenpunkte. Diese Randbedingungen führen dazu, dass
das Elektron nur bestimmte Schwingungszustände einnehmen kann (vgl. Baars 2010: 14).
Folgende Abbildung zeigt die möglichen Schwingungszustände des Elektrons: mit n=1, n=2, n=3, n=4,
n=5; n steht für die Nummer des Energiezustandes und stellt die Hauptquantenzahl in der Theorie
der Quantenmechanik dar.
50 Organische Farbstoffe im Schulunterricht
Abbildung 24: Teilchen im Kasten – Schwingungszustände (verändert nach Baars 2010: 14).
Die beschreibende mathematische Wellenfunktion basiert auf einer Sinusfunktion (vgl. Baars 2010:
14):
( ) √
(8)
Dabei gilt: Ψn: Amplitude im n-ten Energiezustand am Ort x
n: Nummer des Energiezustandes
L: Kastenlänge
Daraus folgend kann die Energie eines bestimmten Schwingungszustandes En mathematisch
dargestellt werden (die Herleitung dieser Funktion sei hier unerheblich):
mit
ste
igen
dem
Sch
win
gun
gszu
stan
d g
eht
ein
e St
eig
eru
ng
des
Ener
giez
ust
and
es e
inh
er
51 Organische Farbstoffe im Schulunterricht
(9)
Dabei gilt: En: Energie des Elektrons im n-ten Schwingungszustand
h: Plancksches Wirkungsquantum
me: Elektronenmasse
Bei h und me handelt es sich um Naturkonstanten; L ändert sich in diesem Beispiel nicht. En ist somit
direkt abhängig von n. Da nur bestimmte Schwingungszustände möglich sind, muss n immer eine
ganze Zahl sein {n = Z+}. Deshalb kann En ebenso nur bestimmte Energiezustände annehmen.
Für die Lichtabsorption bedeutet dies, dass nur Licht diskreter Energien, beispielsweise von
Eabs. = En=2 – En=1 (10)
absorbiert wird. Dabei steht En=1 für den Grundzustand und En=2 für den angeregten Zustand des
Elektrons. Eabs ist in diesem Modell berechenbar.
Dieses Modell kann theoretisch auf ein Vielelektronensystem übertragen werden. Das bedeutet, es
wird nicht von einem Elektron, sondern von mehreren ausgegangen, beispielsweise Elektronen eines
Moleküls bestehend aus konjugierten Doppelbindungen. Die nun betrachteten π-Elektronen
verhalten sich ebenfalls nach den oben genannten Bedingungen im eindimensionalen Kasten. Der
Kasten stellt das Molekül dar. Da das energetische Potential innerhalb des Kastens konstant ist, muss
von einer vollständiges Delokalisation der π-Elektronen ausgegangen werden. Am Rand des Kastens
steigt die potentielle Energie ins Unendliche (vgl. Baars 2010: 14)
Abbildung 25: Vielelektronensystem im Kasten – Energieverteilung (vgl. Pilgrim 2008).
Durch die Erweiterung zum Vielelektronensystem, wird die Kastenlänge L zu einer Variablen. Sie
nimmt linear mit der Anzahl der Elektronen zu. Das bedeutet für (9), dass En mit steigender
Kastenlänge L im Quadrat sinkt.
52 Organische Farbstoffe im Schulunterricht
0,00
0,05
0,10
0,15
0,20
0,25
0,30
0,35
4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32
Energie [Vielfach
von h^2/8mL^2]
Anzahl Elektronen im eindimensionalen Kasten
ELEKTRON IM EINDIMENSIONALEN KASTENEnergie des höchsten besetzten und niedrigsten unbesetzten
Zustandes
höchster besetzter Zustand
niedrigster unbesetzter Zustand
Diese Aussage kann mithilfe folgender Abbildung verdeutlicht werden. Sie zeigt, dass
Eabs. = En=2 – En=1 (10) mit zunehmender Elektronenanzahl sinkt:
Die energetischen Abstände zwischen höchstem besetztem und niedrigstem unbesetztem Zustand
werden immer kleiner, sodass bei einer hohen Anzahl von Elektronen sichtbares Licht absorbiert
werden kann und das Molekül somit für den Menschen farbig erscheint.
Bezugnahme auf Mesomerie-Modell:
Mit größerer Delokalisation der π-Elektronen des Chromophors – zum Beispiel durch Auxochrome
und Antiauxochrome – verringert sich der energetische Abstand zwischen π* und π im Quadrat
(siehe (9)).
Vorteile des Teilchen-im-Kasten-Modells:
Schüler können wichtige quantenmechanische Erkenntnisse über Lichtabsorption und
Energiezuständen von Elektronen gewinnen. Sowohl Schwingungs- als auch Energiezustände sind
mathematisch fundiert dargestellt und deshalb quantitativ berechnet werden. Sie können visualisiert
und deren Lage kann beschrieben werden.
Nachteile des Teilchen-im-Kasten-Modells:
Für die Durchführung im Unterricht muss klar sein, dass Quantenmechanik grundsätzlich ein sehr
komplexes Thema für Schüler und dadurch meist unbeliebt ist.
Abbildung 26: Teilchen im Kasten – Vielelektronensystem (vgl. Baars 2010: 15).
53 Organische Farbstoffe im Schulunterricht
Das Modell ist nur auf unverzweigte, lineare Moleküle mit konjugierten Doppelbindungen ohne
Heteroatome anwendbar (beispielsweise für Polymethinfarbstoffe; siehe dazu Abschnitt 3.3) und
deshalb sehr eingeschränkt.
Die Anzahl der Knoten (n-1) der möglichen Schwingungszustände eines Elektrons bestimmt in der
Quantenmechanik die Gestalt der Atomorbitale/ p-Molekülorbitale: je mehr Knotenflächen ein
Zustand besitzt, desto energiereicher ist er.
Diese Aussage führt zum Molekülorbital-Modell.
2.3.1.1.3 Molekülorbital-Modell
Die Molekülorbitaltheorie beschreibt grundsätzlich die Aufenthaltswahrscheinlichkeiten von
Elektronen in einem Molekül anhand so genannter Molekülorbitale (Abkürzung: MO) und leitet sich
quantenmechanisch von der Schrödinger-Gleichung ab. Molekülorbitale werden durch
Linearkombination von Atomorbitalen (Abkürzung: AO) angenähert. Die Anzahl der entstehenden
MO entspricht der Anzahl der AO. Sie spalten sich dabei in bindende und antibindende – bei
ungeradzahligen MO ergeben sich zusätzlich nicht bindende MO. Das Quadrat der MO gibt
Aufschluss über die Aufenthaltswahrscheinlichkeit eines Elektrons. Jedem MO ist ein bestimmtes
Energieniveau zugeordnet. Es wird mit jeweils zwei Elektronen nach dem Pauli-Prinzip aufgefüllt (vgl.
FdChI 1993).
Das MO-Modell stellt eine zuverlässige Beschreibung der Lichtabsorption dar. Für den Schulgebrauch
ist aus Gründen didaktischer Reduktion das HMO-Modell – eine 1938 von Emil Hückel vereinfachte
Version „HMO-Modell“ – ausreichend.
Annahmen des HMO-Modells (vgl. FdChI 1993: 32):
Das Molekülgerüst besteht aus σ-Bindungen; diesem überlagern sich die π-Bindungen
σ- und π-Bindungen beeinflussen sich gegenseitig nicht
MO betrachten nur π-Bindungen konjugierter Verbindungen; MO erlauben freie
Delokalisation der π-Elektronen
Abstoßungspotentiale von Elektronen werden nicht berücksichtigt
Einfachstes Beispiel zur allgemeinen Erläuterung von Molekülorbitalen und die denkbar einfachsten
Chromophore stellen Alkene dar. Beispielsweise zeichnet sich Ethen durch eine Doppelbindung aus,
welche sich aus einer σ-Bindung und einer π-Bindung zusammensetzt. Die σ-Bindung bildet sich
54 Organische Farbstoffe im Schulunterricht
durch Überlappung zweier sp2-hybridisierter Orbitale (Atomorbitale); die π-Bindung bildet sich durch
Überlappung zweier p-Orbitale (Atomorbitale). Die daraus entstehenden p-Molekülorbitale werden
in ihrer bindenden und antibindenden Form in folgendem Schema betrachtet.
Darstellung der Molekülorbitale der π-Elektronen von Ethen, 1,3-Butadien und 1,3,5-Hexatrien in
einem Energieterm:
Abbildung 27: Energieterm von Molekülorbitalen.
Der Energieterm zeigt zum einen, dass die Energiedifferenz der Molekülorbitale mit zunehmender π-
Delokalisation bzw. mit zunehmender Anzahl an Molekülorbitalen abnimmt. Zum anderen ist der
Trend zu erkennen, dass mit zunehmender Anzahl an Knotenebenen („Nullstellen“) der stehenden
Wellen das Energieniveau der Molekülorbitale steigt. Die Knotenebenen sind in den rot gezeichneten
stehenden Wellen als Nullstellen abzulesen (kein Bezug zu Farbe; Farbwahl war beliebig und soll nur
Wellen hervorheben).
55 Organische Farbstoffe im Schulunterricht
π1-3 und π*1-3 beziffert die Molekülorbitale (π: bindend; π*: antibindend).
Die Molekülorbitale werden nun nach dem Pauli-Prinzip mit π-Elektronen aufgefüllt:
Abbildung 28: Mit Elektronen aufgefüllte Molekülorbitale.
Im Molekülorbital-Modell erfolgt die Elektronenanregung durch Lichtabsorption von HOMO (highest
occupied molecular orbital) zu LUMO (lowest unoccupied molecular orbital) ohne Spinumkehr
(dargestellt durch blaue, grüne und rote Pfeile; Farbwahl hat keinen Bezug zu Farbigkeit und soll nur
die Unterschiede von ΔE verdeutlichen).
Bei diesen Beispielen handelt es sich nur um theoretische Chromophore. Die tatsächliche absorbierte
Wellenlänge liegt weit im UV-Bereich und kann nicht als Farbe wahrgenommen werden. Wird die
Anzahl der konjugierten Doppelbindungen weiter erhöht, wird ΔE so klein, dass auch Licht im
56 Organische Farbstoffe im Schulunterricht
Tipp für die Schule:
Im Schulunterricht können alle drei vorgestellten Theorien zur Entstehung der
Farbigkeit behandelt werden. In jedem Fall sollten Schlagworte wie Mesomerie, Push-
Pull-System durch Auxochrome und Antiauxochrome, Absorption diskreter Energien,
HOMO und LUMO fallen. Dies ist jedoch immer auf die Lerngruppe abzustimmen.
Schüler sollten in diesem Rahmen bereits Kenntnisse über Kohlenwasserstoff-
verbindungen, konjugierte Doppelbindungssysteme, Aromaten und delokalisierte π-
Elektronensysteme mitbringen.
Da diese drei Theorien grundlegend für ein gutes chemisches Verständnis sind, ist es
lohnenswert sie intensiv zu behandeln. Dazu können Modelle gebastelt werden:
Auf Papier gezeichnete Atome, bindende und einsame Elektronenpaare sowie
Elektronenpfeile können entweder auf einem Tisch ausgelegt oder an einer
Magnettafel befestigt werden. Daraus können Moleküle gebaut und deren
mesomere Grenzformeln praktisch und jederzeit im Unterricht gezeigt werden.
Zur Erzeugung stehender Wellen kann ein Seil an einer Stativstange festgemacht
werden. Ein Schüler nimmt das andere Ende in die Hand, schwingt das Seil und
wirkt somit als Impulsgeber. Im Mathematikum in Gießen gibt es große Modell, die
ebenso ausprobiert werden können.
sichtbaren Bereich für die Elektronenanregung ausreicht. Dabei handelt es sich dann um Polyene
CH2-(CH=CH)n-CH2.
Vorteile des Hückel-Molekülorbital-Modells:
Das Modell stellt durch die Betrachtung der p-Molekülorbitale und deren Zustände πn und π*n, das
heißt der HOMO‘s und LUMO’s, eine nachvollziehbare Beschreibung der Lichtabsorption dar.
Nachteile des Hückel-Molekülorbital-Modells:
Die Lage der Energieniveaus ist relativ und kann anhand dieser Darstellung nicht näher beschrieben
werden. Nur mithilfe aufwendiger Rechenprogramme kann sie genauer bestimmt werden.
Farbstoffe sind grundsätzlich komplexer in ihrem Aufbau; das Prinzip ist jedoch das gleiche.
57 Organische Farbstoffe im Schulunterricht
Übungsaufgabe 5:
Die folgende Abbildung zeigt die Absorptionsspektren von drei Farbstofflösungen. Von
links nach rechts: 4-Nitrophenolat, Methylorange in saurem Milieu und
Bromkresolgrün in alkalischem Milieu.
Erörtern Sie anhand der gegebenen Farbstoffbeispiele den Zusammenhang zwischen
Molekülstruktur und Lage der Absorptionsmaxima λmax!
Beschreiben Sie die Auswirkung auf die Lage des Absorptionsmaximums λmax, wenn die
Lösung von 4-Nitrophenolat angesäuert wird! Begründen Sie Ihre Aussage!
2.3.1.2 Anorganische Farbstoffe
2.3.1.2.1 Ligandenfeldtheorie
Farbigkeit und Magnetismus anorganischer Verbindungen können anhand der Kristallfeldtheorie
verständlich erklärt werden. Diese wurde durch die Ligandenfeldtheorie erweitert, welche die
Theorie anorganischer Komplexverbindungen modelliert (vgl. Röder 1999: 12).
Bei einem isolierten Metallion (im Gaszustand) sind die fünf d-Atomorbitale entartet (energetisch
gleichwertig).
58 Organische Farbstoffe im Schulunterricht
Abbildung 29: d-Orbitale.
Bei einer metallischen Komplexbildung nähern sich die Liganden dem zentralen Metallion, sodass
sich bestimmte d-Elektronen des Metallions und die Elektronen der Liganden abstoßen. Dabei
nähern sich beispielsweise bei oktaedrischen Komplexverbindungen die Liganden dem Metallion
längs der Achsen im kartesischen Koordinatensystem:
Abbildung 30: Ligandenannäherung im oktaedrischen Feld.
Es erfolgen stark abstoßende Wechselwirkungen mit denjenigen d-Orbitalen, deren Elektronendichte
längs der Achsen liegen (dz² und dx²-y²). Dadurch werden diese beiden d-Orbitale energetisch
angehoben, bleiben jedoch entartet (eg-Orbitale). Die Orbitale dxz, dyz und dxy werden dabei
energetisch abgesenkt und sind ebenfalls untereinander entartet (t2g-Orbitale). Die energetische
59 Organische Farbstoffe im Schulunterricht
Aufspaltung der fünf d-Orbitale führt je nach Anzahl der d-Elektronen zu einer Schwächung oder
Stärkung des Ligandenfeldes (vgl. Hollemann 2007: 1357 ff.).
Folgende Abbildung zeigt die schematische Ligandenfeldaufspaltung bei oktaedrisch-, tetraedrisch-
und quadratisch-planar-koordinierten Komplexverbindungen:
tetraedrisches
Ligandenfeld
entartete
d-Orbitale
Δt ≈ 4
9 Δo
2
5 Δt
3
5 Δt
3
5 Δo
2
5 Δo
Δo = 10 Dq
dz² dx²-y²
dxy dxz dyz
dxy dxz dyz dz² dx²-y²
dxz dyz
dz²
dxy
dxy dxz dyz
dz² dx²-y²
dx²-y²
kugelsymmetrisches
Ligandenfeld
oktaedrisches
Ligandenfeld
quadratisch-
planares
Ligandenfeld
E
eg
t2g
Abbildung 31: Aufspaltung der d-Orbitale in verschiedenen Ligandenfeldern.
60 Organische Farbstoffe im Schulunterricht
Ergänzung: Jahn-Teller-Verzerrung
Für einen Komplex im oktaedrischen Ligandenfeld mit ungefüllten oder nur halb gefüllten
Orbitalen kann es günstig sein, den Oktaeder zu strecken oder zu stauchen und dadurch
die Metallorbitale noch weiter aufzuspalten. Verlängert man beispielsweise den Abstand
zu den in z-Richtung gebundenen Liganden, werden d-Orbitale mit z-Anteil (dxz, dyz, dz²)
durch eine verringerte Coulomb-Repulsion der Metall- und Ligandenorbitale energetisch
abgesenkt. Diejenigen ohne z-Anteil werden energetisch angehoben (dxy, dx²-y²). Einen
extremen Fall der Jahn-Teller-Verzerrung stellen dabei quadratisch planare, vierfach
koordinierte d8-Metallzentren dar, da in diesem Fall die Liganden entlang der z-Achse
theoretisch „unendlich weit“ vom Metallion entfernt werden und dadurch die Energie des
dz²-Orbitals noch unter die des dxy-Orbitals abgesenkt werden kann (vgl. Hollemann 2007).
In der Abbildung ist jede Ligandenfeldaufspaltung durch ein Beispiel gekennzeichnet. So ist [NiII(Cl)4]2-
mit 8 d-Elektronen ein Beispiel für tetraedrisch koordinierte Ligandenfelder. [TiIII(H2O)6]3+ besitzt 1 d-
Elektron im oktaedrisch koordinierten Ligandenfeld und [NiII(CN)4]2- 8 d-Elektronen im quadratisch
planar koordinierten Ligandenfeld (vgl. Hollemann 2007: 1353).
Die Aufspaltung des Ligandenfeldes hängt nicht nur von der Anzahl der d-Elektronen, sondern direkt
von den Liganden selbst ab:
Spektrochemische Reihe:
I- < Br- < Cl- < F- < OH < O2- < H2O < SCN- < NH3 < NO2- < CN-
CN- sorgt als Ligand für die stärkste Ligandenfeldaufspaltung (siehe quadratisch planarer Nickel(II)-
tetracyano-Komplex).
Durch diese Aufspaltung der d-Orbitale kann ein durch Lichtabsorption initiierter d-d-Übergang
stattfinden. Dieser führt zur Farbentstehung. Im oktaedrischen Ligandenfeld erfolgt der Übergang
von t2g eg.
61 Organische Farbstoffe im Schulunterricht
Ein d-d-Übergang findet bei [TiIII(H2O)6]3+ bei einer Wellenlänge von λ = 500 nm statt. Deshalb
erscheint der Komplex in Lösung gelb. Ebenso wie [NiII(CN)4]2-. Das Ligandenfeld des [NiII(Cl)4]2-
unterliegt aufgrund seiner Chlorid-Liganden einer schwächeren Aufspaltung, sodass zur Anregung
eines d-Elektrons energieärmeres Licht ausreicht. Es erscheint deshalb blau.
Die Lichtabsorption stellt folglich ein direktes Maß für die Größe der Ligandenfeldaufspaltung dar.
2.3.1.2.2 Charge-Transfer-Komplexe
Bei Charge-Transfer-Komplexen handelt es sich um sehr farbintensive Verbindungen. Für die
Entstehung von solchen auffallend farbigen Komplexen sind ein Übergangsmetall (in hoher
Oxidationsstufe) und Liganden (mit geringer Elektronegativität) erforderlich. Die charakteristischen
Farben von Übergangsmetall-Komplexen beruhen oftmals auf Übergängen zwischen den d-Orbitalen
innerhalb des Zentralatoms. Alternativ kann aber auch in einem Komplex, in welchem allgemein ein
Elektronen-Akzeptor und ein Elektronen-Donor miteinander wechselwirken, ein Elektron aus dem
energetisch hochliegenden HOMO des Elektronen-Donors in das energetisch niedrig liegende LUMO
des Elektronen-Akzeptors angeregt werden. Dabei liegt diese Energiedifferenz im sichtbaren Bereich
des Lichts, was in einer starken Färbung des Komplexes resultiert (vgl. Hollemann 2007: 102).
Abbildung 32: Schematische Darstellung von HOMO (Donor) und LUMO (Akzeptor).
Prinzipiell können drei Arten des Ladungstransfers unterschieden werden:
Metall Ligand-Ladungstransfer
Bei einem Ladungstransfers vom Metall zum Liganden (MLCT, metal to ligand charge transfer) wie
beispielsweise in [FeII(2,2'-Bipyridyl)3]2+ ist das leicht zu oxidierende Fe2+-Zentrum (d.h. energetisch
Donor Akzeptor
HOMO
ΔE
LUMO
E
d-Elektron
d-Elektron* ΔE = h∙v
62 Organische Farbstoffe im Schulunterricht
hoch liegendes HOMO) der Donor und wird zu Fe3+ oxidiert. Der Ligand Bipyridin weist energetisch
niedrig liegende, unbesetzte π*-Orbitale (LUMO) auf, welche als Akzeptor für das Elektron wirken. Es
handelt sich also um einen d π* Übergang, bei welchem der Komplex grünes Licht der
Wellenlänge λ = 522 nm absorbiert und deshalb in seiner Komplementärfarbe rot erscheint.
Über die intensive Färbung des [FeII(2,2'-Bipyridyl)3]2+-Kations kann die Fe2+-Konzentrationen in
eisenhaltigen Lösungen kolorimetrisch bestimmt werden (vgl. Hollemann 2007: 102).
Ligand Metall-Ladungstransfer
Bei einem Ladungstransfer vom Liganden zum Metall (LMCT, ligand to metal charge transfer) wie
beispielsweise in dem Eisen(III)-thiocyanat-Komplex [FeIII(SCN)3] überträgt ein Ligand ein Elektron aus
einem nichtbindenden Orbital in ein unbesetztes d-Orbital des Eisenzentrums und reduziert durch
diesen p d Übergang das Fe3+- zum Fe2+-Kation. Dabei wird gelbgrünes Licht der Wellenlänge λ =
550 nm absorbiert und führt zur violetten Farbe der Verbindung.
In diesem Fall kann man über die Ausbildung des farbigen [FeIII(SCN)3]-Komplexes kolorimetrisch die
Fe3+-Konzentration in Lösungen bestimmen. Ebenfalls sehr bekannte LMCT-Komplexe sind das
Permanganatanion MnO4- (violett) oder das Chromatanion CrO4
2- (gelb).
Metall Metall-Ladungstransfer
Es existiert ebenfalls die Möglichkeit eines Ladungstransfers vom Metall zum Metall (MMCT, metal to
metal charge transfer) in gemischt-valenten Metallkomplexen. Liegen in einer Verbindung
verschieden koordinierte Metallzentren mit unterschiedlichen Oxidationsstufen vor, können über die
Liganden Elektronen der unterschiedlichen Metallzentren ausgetauscht werden. Beispiel hierfür ist
das „Berliner Blau“ [FeIIFeIII(CN)6]-, welches seine Färbung durch den d d Übergang eines Elektrons
des niedriger oxidierten Fe2+-Zentrums zum Fe3+-Zentralatom erhält. Der Komplex absorbiert Licht
der Wellenlänge λ = 680 nm, was in der namensgebenden, intensiv blauen Färbung resultiert (vgl.
Hollemann 2007: 1650f.).
63 Organische Farbstoffe im Schulunterricht
Ergänzung:
„Berliner Blau“ wurde erstmals im 18. Jahrhundert dargestellt und ist damit eines der ersten
synthetischen Pigmente, welches aufgrund seiner guten Photostabilität auch seither gerne in
der Malerei verwendet wurde. Ein weiteres in der Malerei wichtiges Pigment ist das rote
„Mennige“ (Pb2IIPbIVO4).
Abbildung 34: Berliner Blau - Kristallstruktur.
Die Struktur des Berliner Blaus kann man sich so vorstellen, dass auf einem Würfel abwechselnd FeII-
und FeIII-Ionen sitzen und dazwischen die hantelförmigen Cyanidionen. Hierbei ordnet sich ganz nach
dem HSAB-Prinzip das weichere Kohlenstoffatom in Richtung des weicheren FeII-Ions an während das
harte FeIII-Zentrum durch den harten Stickstoff koordiniert wird. Die Lichtabsorption, die daraus
resultierende „Vertauschung von FeII und FeIII“ und die anschließende „Rücktauschung“ erfolgen so
schnell, dass es zu keinen Differenzen des HSAB-Konzepts kommt.
In Charge-Transfer-Komplexen kann der Elektronentransfer folglich je nach Verbindungstyp sowohl
von d π*, p d als auch von d d erfolgen. Da die Übergänge alle nicht verboten sind, treten
sehr intensive Farben auf (vgl. Hollemann 2007).
64 Organische Farbstoffe im Schulunterricht
Um die Thematik der Lichtabsorption abzuschließen, stellt sich noch die Frage, was mit der
absorbierten Energie geschieht.
Der energetisch angeregte Zustand kann zu verschiedenen Folgeprozessen führen (vgl. Fonds):
Energieabgabe in Form von Schwingung (Wärme) = strahlungslose Desaktivierung
Energieumwandlung in chemische Energie (Photoreaktion, Farbstoffzerstörung)
Energieabgabe in Form von Licht = strahlende Desaktivierung (z.B. Fluoreszenz und
Phosphoreszenz)
Dies führt direkt zu einer weiteren Art der Wechselwirkung von Licht und Materie, der Emission
(siehe Tabelle 10).
2.3.2 Emission
Definition
Unter Lichtemission wird ein Aussenden (emittere, aus dem Lateinischen, bedeutet aussenden) von
Energie im sichtbaren Bereich des Lichts verstanden. Dieses Licht einer bestimmten Wellenlänge aus
dem sichtbaren Spektralbereich sorgt für einen Farbeindruck im Auge des Betrachters (siehe additive
Farbmischung und Farbwahrnehmung 2.2.1).
Emission setzt immer eine Energieabsorption voraus (thermisch oder nicht-thermisch beispielsweise
durch Licht). Sie resultiert aus der freigewordenen Energie beim Rückgang von Elektronen eines
angeregten Zustands Ψ* in den Grundzustand Ψ:
Bei der Flammenfärbung von Natrium werden wie bereits beschrieben Elektronen thermisch
angeregt. Beim Rückgang vom angeregten Zustand in den Grundzustand wird die absorbierte Energie
vollständig in Form von Licht (λemit = 589 nm) emittiert. Die Flammenfärbung von Natrium erscheint
gelb (vgl. Röder 1999: 10). Lichtemission als Folge thermischer Energieabsorption findet bei allen
Flammenfärbungen – bei Flammenentstehung allgemein –, in der Glühbirne und bei der
Lichtentstehung in der Sonne statt.
Die Lichtemission infolge von nicht-thermischer Energieabsorption tritt wesentlich seltener auf und
wird allgemein als Lumineszenz bezeichnet. Nachfolgende Tabelle zeigt verschiedene Typen von
Lumineszenz, die auf unterschiedlichen Energieabsorptionen beruhen (vgl. Weiß 2012):
Ψ* - (ΔEemit = h∙ν) Ψ
65 Organische Farbstoffe im Schulunterricht
Tabelle 13: Arten der Lumineszenz.
Art der Lumineszenz Art der Energieabsorption
Radiolumineszenz Radioaktive Strahlung
Röntgenlumineszenz Röntgenstrahlung
Sonolumineszenz Schallwellen (unter Wasser)
Tribolumineszenz Reibung
Kathodenlumineszenz Elektronenbeschuss
Elektrolumineszenz elektrisch
Chemolumineszenz chemisch
Photolumineszenz Fluoreszenz Photonen (= Lichtabsorption)
Phosphoreszenz
Im Folgenden soll nur auf die durch Licht induzierte so genannte Photolumineszenz eingegangen
werden. Die Photolumineszenz wird in Fluoreszenz und Phosphoreszenz unterschieden.
Unter Fluoreszenz versteht man die spontane Emission von Licht, die nur so lange auftritt, wie die
fluoreszierenden Moleküle durch Lichtabsorption angeregt werden. Die Fluoreszenz-Strahlung wird
senkrecht zur Richtung der anregenden Strahlung beobachtet. Die abgestrahlte Energie wird
innerhalb von Nanosekunden emittiert und ist wegen der strahlungslosen Energieverluste durch
Schwingungen im elektronisch angeregten Zustand kleiner als die bei der Absorption
aufgenommene. Das Fluoreszenz-Spektrum ist im Vergleich zu dem Absorptionsspektrum zu höheren
Wellenlängen hin verschoben (= Stokes Shift) (vgl. Wedler 2004: 634 f.).
Unter Phosphoreszenz hingegen versteht man die nach Lichtabsorption eintretende ebenso
spontane, jedoch zeitlich stark verzögerte Emission von Licht. Die Verzögerung kann Stunden
betragen. Das Phosphoreszenz-Spektrum ist wie das Fluoreszenz-Spektrum im Vergleich zu dem
Absorptionsspektrum zu höheren Wellenlängen hin verschoben (vgl. Wedler 2004: 635 f.).
Das Jablonski-Diagramm stellt ein Energiediagramm dar, in welchem die verschiedenen
Energiezustände (Grundzustand und mögliche Anregungszustände) eines Elektrons aufgezeigt
werden. Anhand derer können sowohl durch Lichtabsorption induzierte Übergänge von Elektronen in
Anregungszustände als auch deren Relaxation in den Grundzustand zurück veranschaulicht werden.
Das Jablonski-Diagramm ist für die Erklärung von Fluoreszenzen und Phosphoreszenzen elementar
(vgl. Kasper 2009: 11).
66 Organische Farbstoffe im Schulunterricht
Abbildung 35: Jablonski-Diagramm (vgl. Kasper: 11).
Das Jablonski-Diagramm gibt eine Übersicht einer Auswahl von Übergängen. Dabei sind verschiedene
Singulettzustände Sn und Triplettzustände Tn (inklusive der Schwingungszustände) aufgeführt.
Die Unterscheidung zwischen Singulett- und Triplettzustand erfolgt quantenmechanisch über die
Spinausrichtung der bindenden Elektronen:
Ein Singulettzustand zeichnet sich durch antiparallelen Spin der beiden bindenden
Elektronen aus. Das Gesamtspinmoment ist 0.
Ein Triplettzustand zeichnet sich durch parallel ausgerichteten Spin der beiden bindenden
Elektronen aus. Das Gesamtspinmoment ist 1.
Übergang Sn+1 Sn
Der Übergang Sn+1 Sn ist spinerlaubt. Es gibt zwei konkurrierende Prozesse (vgl. Kasper 2009: 11 f.):
nicht-radiativ (strahlungslos) durch interne Konversion der Schwingungs- und
Rotationszustände Sn+1 Sn
radiativ: Fluoreszenz Sn+1 Sn + hν
67 Organische Farbstoffe im Schulunterricht
2.3.2.1 Fluoreszenz
Die Darstellung von Potentialenergiekurven beschreibt die Entstehung von Fluoreszenz:
Abbildung 36: Potentialenergiekurven - Fluoreszenz (vgl. Atkins 2006: 493).
Die beiden Potentialenergiekurven geben den Grundzustand und angeregten Zustand von π-
Elektronen wieder. Bei der Lichtabsorption (in Abbildung mit „Absorption“ gekennzeichnet) kommt
es zu einem senkrechten Übergang eines π-Elektrons in den angeregten Zustand. Es ist sowohl
elektronisch als auch schwingungsangeregt. Der elektronische Übergang erfolgt schneller als die
Kernbewegung (Franck-Condon-Prinzip), weshalb die Kernabstände entsprechend durch
strahlungslose Schwingungsübergänge angepasst werden müssen (in Abbildung „radiationless
decay“). Der Doppelbindungscharakter des Moleküls sinkt. Beim Zurückfallen in den Grundzustand
wird Energie sichtbaren Lichts emittiert (in Abbildung „radiation“) und der Doppelbindungscharakter
ist wieder hergestellt.
Dabei gilt, dass Fluoreszenz innerhalb von Nanosekunden erfolgt und die Energie des emittierten
Lichts kleiner ist als die des absorbierten Lichts (= Stokes Shift) (vgl. Atkins 2006: 493). Deshalb tritt
Fluoreszenz von sichtbarem Licht meist nur infolge einer Absorption mit UV-Licht auf. Der bestrahlte
„Körper“ scheint zu leuchten.
68 Organische Farbstoffe im Schulunterricht
Ergänzung: Eigenschaften fluoreszierender Farbstoffe
Fluoreszierende Farbstoffe zeichnen sich vor allem durch ihre starre
Molekülstruktur aus. Im Vergleich zu Phenolphthalein ist Fluorescein schwingungs-
und rotationseingeschränkter. Phenolphthalein kann die absorbierte Lichtenergie
durch Relaxation wieder an die Umgebung in Form von Wärmeenergie freigeben –
Fluorescein nicht. Deshalb wird die Energie gebündelt in Form von Licht emittiert.
OH OO
OH
OO
O
OH
OH
Fluorescein Phenolphthalein
freie Drehbarkeitkeine freie Drehbarkeit
Abbildung 37: Starre Molekülstruktur von Fluorescein.
69 Organische Farbstoffe im Schulunterricht
Tipp für die Schule: interessante Fluoreszenzbeispiele I
Überprüfung auf Echtheit von Geldscheinen
Ein 50-Euro-Schein zeigt unter UV-Licht Fluoreszenzerscheinungen: die Europaflagge links
oben, die Unterschrift des EZB-Präsidenten leuchten blau; die bei Tageslicht gelben Sterne
der Europaflagge leuchten orange; die Brückenmotive und die Europakarte (auf der
Rückseite) leuchten grün.
Abbildung 38: 50-Euro Schein bei Tageslicht (vgl. Bröckel 2010).
Abbildung 39: 50-Euro Schein unter UV-Licht (vgl. Bröckel 2010).
Beispiele für fluoreszierende Aromaten:
Tabelle 14: Aromatische Fluoreszenzbeispiele.
Molekül Farbe Fluoreszenz Struktur
Fluorescein gelb grün (siehe oben)
Anthracen farblos violett
Phenanthren farblos blaue
Naphthacen (Tetracen) orange grün
Perylen gelb blau
70 Organische Farbstoffe im Schulunterricht
Tipp für die Schule: interessante Fluoreszenzbeispiele II
Textmarker, Tennisbälle
Optische Aufheller in Waschmitteln, welche sehr kurzwelliges blaues Licht emittieren (soll dem Gelbstich von Kleidung entgegenwirken)
Verfolgen von Grundwasserströmen und unterirdischen Flussläufen: Donauversickerung wurde mittels Fluorescein 1877 aufgeklärt
Färben des Chicago Rivers anlässlich des alljährlichen St. Patrick’s Day
Frisch geschnittener Kastanienzweig in einer Vase
Unter UV-Licht leuchtet der im Kastanienzweig enthaltene Farbstoff Aesculin
blau. Er löst sich schlierenförmig in dem Wasser der Vase.
Abbildung 40: Fluoreszierender Kastanienzweig (vgl. Brandl 2013).
71 Organische Farbstoffe im Schulunterricht
Übergang Sn+1 Tn+1 Sn
Der Übergänge Sn Tn und Tn Sn sind spinverboten und werden als Intersystem-Crossing
bezeichnet. Daraus resultiert die Phosphoreszenz.
2.3.2.2 Phosphoreszenz
Mithilfe der Darstellung der Potentialenergiekurven von Singulett- und Triplettzuständen lässt sich
die Entstehung von Phosphoreszenz beschreiben:
Abbildung 41: Potentialenergiekurven - Phosphoreszenz (vgl. Atkins 2006: 494).
Bei Lichtabsorption kann bei starker Spin-Bahn-Wechselwirkung Intersystem-Crossing eintreten. Dies
resultiert aus der Überschneidung der Potentialkurven von angeregtem Singulett- und
Triplettzustand. Es erfolgt ein verbotener S1 T1-Übergang mit Spinumkehr. Nach strahlungslosem
Rückgang in das energetisch tiefste Schwingungsniveau des Triplettzustandes findet erneut ein
spinverbotener Übergang T1 S0 in den Grundzustand S0 statt. Dabei wird Licht emittiert (in
Abbildung „radiation“). Dieser Prozess wird als Phosphoreszenz bezeichnet. Aufgrund des
Spinverbots sind die Übergänge unwahrscheinlich und deshalb zeitlich stark verzögert. Deshalb gilt,
dass Phosphoreszenz auch Stunden nach der Bestrahlung auftritt und die Energie des emittierten
Lichts kleiner ist als die des absorbierten Lichts (= Stokes Shift) (vgl. Wedler 2004: 636 f.).
72 Organische Farbstoffe im Schulunterricht
Tipp für die Schule: interessante Phosphoreszenzbeispiele
Fluchtschilder
Fluchtschilder beinhalten phosphoreszierende Farbstoffe, damit in Notfällen bei
Stromausfall der Weg nach draußen gefunden wird.
Abbildung 42: Fluchtschild bei Tageslicht (vgl. Mittelmaier 2009).
Abbildung 43: Fluchtschild bei Dunkelheit (vgl. Mittelmaier 2009).
Leuchtziffern in Uhren, leuchtende Puzzle, Leuchtsticker
Merke:
Unter Fluoreszenz versteht man die spontane Emission von Licht, die nur so lange auftritt, wie die
fluoreszierenden Moleküle durch Lichtabsorption angeregt werden.
Fluoreszenz: Sn+1 Sn + hν innerhalb 10-9sek
Unter Phosphoreszenz hingegen versteht man die nach Lichtabsorption eintretende ebenso
spontane, jedoch zeitlich stark verzögerte Emission von Licht.
Phosphoreszenz: T S + hν noch nach Stunden
73 Organische Farbstoffe im Schulunterricht
3 Farbstoffklassen
Allgemein werden alle farbgebenden Stoffe zu dem Begriff „Farbmittel“ zusammengefasst. Dabei
wird zwischen anorganischen und organischen Pigmenten und löslichen, organischen Farbstoffen
unterschieden:
Tabelle 15: Farbmittel.
Farbmittel
Anorganische Pigmente Organische Pigmente löslich org. Farbstoffe
künstlich natürlich künstlich natürlich künstlich natürlich
Mennige Kreide Phthalocyanin Indigo Eosin Anthocyane
Im Folgenden werden organische Farbstoffe nach einer Klassifizierung nach chromophoren Gruppen
d.h. chemischer Struktur vorgestellt. Aufgrund ihrer Häufigkeit und Wichtigkeit sollen nur die
Triphenylmethanfarbstoffe, die Azofarbstoffe, die Polymethinfarbstoffe und die Anthocyane – als
kleine Auswahl von Farbstoffklassen – charakterisiert und vorgestellt werden.
3.1 Triphenylmethanfarbstoffe
Triphenylmethanfarbstoffe zeichnen sich allgemein durch eine hohe Farbbrillanz aus. Zusätzlich zur
Farbentstehung durch Lichtabsorption tritt ebenso eine starke Lichtreflexion auf, die den
Farbeindruck verstärkt. Allerdings sind sie wenig lichtecht und werden deshalb nur zum Färben von
einigen synthetischen Fasern wie Polyacrylnitril (PAN), sowie zum Färben von Papier, für Tinten,
Kohlepapier, Farbbändern, Kosmetik-, Lebensmittel und zur Mikroskopie eingesetzt. Außerdem
können Triphenylmethanfarbstoffe mit geeigneten Metallsalzen Farblacke ausbilden, die lichtechter
sind und somit als Plakat- und Druckfarben verwendet werden können (vgl. Wolf 2003).
Die Triphenylmethanfarbstoffe haben alle das Grundgerüst eines Triphenylmethan-Moleküls gemein.
Es zeichnet sich durch drei Phenylgruppen aus, die über ein Kohlenstoffatom verknüpft sind.
74 Organische Farbstoffe im Schulunterricht
sp3
Triphenylmethan
Triphenylmethan ist an sich kein Farbstoff.
Bei allen Triphenylmethanfarbstoffen liegt das zentrale Kohlenstoffatom als Carbeniumion vor und
ist damit sp2-hybridisiert. Daraus resultiert ein über die einzelnen Phenylringe erweitertes
delokalisiertes π-Elektronensystem. Außerdem besitzen mindestens zwei der drei Phenylringe
Substituenten in Position des vierten Kohlenstoffatoms.
Kristallviolett ist mit seinen drei tertiären Aminogruppen einer der einfachsten Vertreter:
C+
N
NN
sp2
Kristallviolett
C25H30ClN3
Cl-+
Kristallviolett liegt bei Raumtemperatur als grüner Feststoff vor und löst sich in Wasser und anderen
polaren Lösungsmitteln mit intensiv violetter Farbe. Die elektronenliefernden Aminosubstituenten
tragen hierbei durch einen + M-Effekt zur Vergrößerung des delokalisiertes π-Elektronensystems bei,
welches durch die vier mesomeren Grenzstrukturen aufgezeigt wird (siehe auch Mesomerie-Modell
2.3.1.1.1):
75 Organische Farbstoffe im Schulunterricht
N
N+
N
N
+
N
N
C+
N
N
N
N
N
N+
Licht der Wellenlänge λ = 585 nm wird absorbiert, sodass Kristallviolett vom menschlichen Auge als
violett wahrgenommen wird.
Wird das π-Elektronensystem beeinflusst, kommt es zu einer Farbänderung.
Kristallviolett findet zum einen als pH-Indikator und zum anderen in der Textilfärbung von
Polyacrylfasern Anwendung. Es färbt allgemein Naturfasern leuchtend violett. Allerdings ist es leicht
auswaschbar. Ebenso ist Kristallviolett der Hauptbestandteil der in der Mikrobiologie angewandten
Gram-Färbung, mit dessen Ergebnis Bakterien in grampositive und gramnegative unterschieden
werden können (vgl. DocCheck).
Kristallviolett wird jedoch eine karzinogene Wirkung vorausgesagt.
Der wichtigste Vertreter der Triphenylmethanfarbstoffe ist Phenolphthalein.
Phenolphthalein
O
O
OH
OH
C20H14O4
Reines Phenolphthalein ist ein geruchloser, weißer Feststoff, welcher aufgrund seiner unpolaren
Struktur in Wasser nur wenig, in Ethanol und alkalischen Lösungen gut löslich ist. In saurem und
neutralem Milieu (pH < 8,2) erscheint Phenolphthalein farblos, in alkalischem Milieu (pH > 8,2) pink,
da Licht der Wellenlänge λ = 555 nm absorbiert wird (vgl. Seilnacht II).
An dieser Stelle kann der Videoversuch „Phenolphthalein“ präsentiert werden. Dieser zeigt einerseits
die Synthese des Farbstoffs und andererseits seine Indikatorwirkung.
76 Organische Farbstoffe im Schulunterricht
Synthese von Phenolphthalein
Phenolphthalein wird durch das Erhitzen von 1 mol Phthalsäureanhydrid mit 2 mol Phenol unter
Zugabe von konzentrierter Schwefelsäure dargestellt:
O
O
O
+
OH
Phthalsäureanhydrid Phenol Phenolphthalein
O
O
OH
OH
2
<H2SO4>,
-H2O
Bei dieser Reaktion handelt es sich um eine Friedel-Crafts-Acylierung.
Mechanismus:
O
O
O+ H
O
O
O
+ H+
+
OH
Phthalsäureanhydrid Phenol
O
O
OH
OH
- H+
Zunächst wird Phthalsäureanhydrid protoniert und anschließend in einer elektrophilen Addition am
Kohlenstoffatom von Phenol angegriffen. Der Angriff erfolgt aufgrund des Substituenteneinflusses
der Hydroxygruppe (+M-Effekt) in para-Stellung. Durch erneute Deprotonierung kann ein
Wassermolekül abgespalten werden.
77 Organische Farbstoffe im Schulunterricht
OH
+ H+
- H2OO
C+
O
OH
- H+
Phenolphthalein
O
O
OH
OH
Es entsteht ein Carbeniumion, welches erneut von Phenol in einer elektrophilen Addition angegriffen
wird. Durch anschließende Deprotonierung entsteht Phenolphthalein – in seiner farblosen
Lactonform.
Phenolphthalein wurde erstmals 1871 von Adolf von Baeyer hergestellt und ist heute einer der
bekanntesten pH-Indikatoren.
Indikatorreaktion von Phenolphthalein:
O
O
OH
OH
2 OH-
2 H+
O-
O
O
O-
+ OH22
- Lactonform -
farblos (200 nm)
pH < 8,2
- Chinoidform -
pink (nm)
pH > 8,2
sp2sp3
In neutralem und saurem Milieu pH < 8,2 liegt die Lactonform des Phenolphthaleins vor. Sie weist
einen intramolekularen, cyclischen Ester einer Hydroxycarbonsäure auf. Das zentrale
Kohlenstoffatom ist sp3-hybridisiert. Die Lactonform kann kein Licht absorbieren und erscheint
deshalb farblos. Durch Deprotonierung mittels einer Base bzw. Hydroxidionen und anschließender
Wasserabspaltung entsteht die Chinoidform. Diese erscheint pink. Das zentrale Kohlenstoffatom ist
78 Organische Farbstoffe im Schulunterricht
sp2-hybridisiert und ausschlaggebend für das auftretende delokalisierte π-Elektronensystem, welches
Energie der Wellenlänge λ = 555 nm absorbiert (mehr zu pH-Indikatoren in 4.1.1).
Die Indikatorreaktion ist jederzeit umkehrbar.
Für den Laborgebrauch sind Lösungen in Ethanol/Wasser von 0,1 % bis 1 % üblich (vgl. Seilnacht II).
Früher wurde es als Abführmittel verwendet. Heute ist diese Anwendung wegen des Verdachts einer
krebserzeugenden Wirkung nicht mehr erlaubt. Diese Gefahr besteht jedoch nicht bei den
verdünnten Konzentrationen im Labor. Für den Einsatz in der Schule ist Phenolphthalein nicht
geeignet.
Weitere Vertreter der Triphenylmethanfarbstoffe sind Fuchsin (λ = 547 nm), Malachitgrün (λ = 426
nm und λ = 623 nm), Fluorescein, Eosin sowie Kresolrot und Bromthymolblau.
NH
NH2 NH2
CH3
sp2
Fuchsin
C+
NN
sp2
Malachitgrün
C23H25ClN2
Cl-+
C20H19N3
rot ( = 547 nm) grün = 426 nm, 623 nm)
Fuchsin liegt in Form grüngelber Kristalle vor und zeigt in Wasser gelöst eine intensiv rote Färbung.
Fuchsin gilt als antiseptisch, antibakteriell und antimykotisch und wird deshalb zur Behandlung von
Hauterkrankungen verwendet – außer in der Schweiz, dort ist es wegen seiner vermutlich toxischen
Eigenschaft nicht zugelassen. Weiterhin wird es für Chromosomenfärbungen und in der
Farbfotografie angewandt.
Malachitgrün ist ein gängiges grünes Färbemittel in der Mikroskopie zur Färbung von Bakterien, Pilz-
oder Pflanzengewebe. Da es gesundheitsschädlich ist, darf es nicht als Lebensmittelfarbstoff
eingesetzt werden. Dafür findet Malachitgrün unter anderem Anwendung in der Färbung von
Papierhandtüchern und anderen Buntpapieren.
79 Organische Farbstoffe im Schulunterricht
OH OO
OH
O
Fluorescein
C20H12O5
gelb (Absorption = 485 nm)
grün ( Emission = 520 nm)
O
S
O
OHOH
Br
Br
O
Bromthymolblau
C27H28Br2O5S
gelb
sp2
sp3
Bromthymolblau liegt als rosafarbener Feststoff (Pulver) vor und zeigt in Ethanol gelöst eine intensiv
rote Färbung. Es wird ebenso wie Phenolphthalein als pH-Indikator genutzt. Da der Umschlagspunkt
von gelb nach grün bei einem pH-Wert von 7 erfolgt, wird Bromthymolblau für einfache pH-Wert-
Bestimmungen von Wasserproben in der Schule oder auch im Labor für Titrationen verwendet.
Gebräuchlich sind 0,1 %ige Lösungen in Ethanol (vgl. Seilnacht II).
Fluorescein ist ein unter UV-Licht grün fluoreszierender Farbstoff und liegt bei Raumtemperatur als
roter Feststoff vor. Er wird in der analytischen Chemie als Indikator, für Nachweise von Bromiden und
zur Färbung von Seifen und Badeextrakten eingesetzt. In der Medizin wird Fluorescein zur Diagnose
von Augenkrankheiten angewandt. Dazu wird es intravenös verabreicht und anschließend das Auge
fotografiert. 1877 wurde die Donauversickerung aufgeklärt, da Grundwasserströme und
unterirdische Flussläufe verfolgt werden können. Fluorescein ist aufgrund seines polaren Charakters
in Wasser gut löslich und bereits in geringer Konzentration (1:400∙106) sichtbar (vgl. Wolf 2003).
Wird Fluorescein mit UV Licht bestrahlt, so fluoresziert es mit grüner Farbe (teilweise schon durch die
UV-Strahlung des Sonnenlichts). Das Absorptionsmaximum liegt bei einer Wellenlänge von λ = 485
nm. Das emittierte Licht liegt in einem Wellenlängenbereich von λ = 520 - 530 nm (siehe Fluoreszenz
in 2.3.2.1).
An dieser Stelle kann der Videoversuch „Fluorescein“ präsentiert werden. Dieser zeigt einerseits die
Synthese des Farbstoffs und andererseits seine Fluoreszenzerscheinung Die Synthese verläuft der
von Phenolphthalein analog. Anstelle von Phenol wird Resorcin als elektrophiler Aromat verwendet.
80 Organische Farbstoffe im Schulunterricht
Eosin leitet sich strukturell von Fluorescein ab. Der Name stammt von dem griechischen Wort Eos;
Göttin der Morgenröte. Es handelt sich um einen roten Farbstoff, der unter UV-Licht grün
fluoresziert. Eosin Y (Y steht für gelblich; weiterhin existiert noch Eosin B, wobei das B für bläulich
steht) wurde früher als roter Farbstoff in Lippenstiften verwendet. Heute ist dessen toxische Wirkung
bekannt.
yTipp für die Schule: Einsatz von Triphenylmethanfarbstoffen
Nicht erlaubter Einsatz:
Kristallviolett
Phenolphthalein (auch keine 0,5 % ige Lösungen)
Unbedenklicher Einsatz auch für Schülerversuche:
Bromthymolblau (0,1 %ige Lösung) zur pH-Wert-Bestimmung von Wasser, für
Titrationen
Fluorescein
81 Organische Farbstoffe im Schulunterricht
Übungsaufgabe 6:
Malachitgrün wird wegen seiner Brillanz sehr geschätzt. Es wurde früher auch zur
Färbung von Wolle verwendet. Durch Kondensation von zwei Molekülen
Dimethylanilin und einem Molekül Benzaldehyd (C6H5CHO) entsteht zunächst das
farblose Leukomalachitgrün (A). Durch Oxidation geht dies in Malachitgrün (B) über. In
saurer Lösung wird Malachitgrün gelb (C).
C+
NN
Malachitgrün
B
NN
H
Leukomalachitgrün
A
Geben Sie die Strukturformelgleichung für die Herstellung von Leukomalachitgrün an!
Geben Sie für das Malachitgrün-Kation zwei weitere mesomere Grenzformeln an und
diskutieren Sie am Beispiel des Farbstoff-Moleküls (B), seiner farblosen (A) und seiner
gelben (C) Form ausführlich den Zusammenhang zwischen Molekülbau und Farbigkeit!
82 Organische Farbstoffe im Schulunterricht
3.2 Azofarbstoffe
Azofarbstoffe machen heute mit über 100 000 verschiedenen Farben die größte und wirtschaftlich
bedeutendste Gruppe chemisch hergestellter Farben aus. Sie beeindrucken einerseits durch ihre
unglaubliche Farbvielfalt und andererseits durch ihre weitgefächerten Nutzungsmöglichkeiten (vgl.
Welsch 2012: 204).
Charakteristisches Merkmal aller Azofarbstoffe ist die namensgebende Azogruppe. Dabei handelt es
sich um eine funktionelle Gruppe, die aus zwei durch eine Doppelbindung verbundenen
Stickstoffatomen entsteht:
Azogruppe
N N PhPh
Das für die Farbgebung entscheidende delokalisierte π-Elektronensystem erstreckt sich zunächst
über Phenylringe, die durch das mesomere Doppelbindungssystem der Azogruppe delokalisiert sind.
Wie auch bei den Triphenylmethanfarbstoffen können Auxochrome und Antiauxochrome substituiert
werden, die dann für unterschiedliche Farbgebungen verantwortlich sind (siehe 2.3.1.1.1).
Die strukturell einfachsten Vertreter der Azofarbstoffe sind Anilingelb und Buttergelb:
N
N N
N
N NH2
Anilingelb
4-Aminoazobenzol
Buttergelb
4-Dimethylaminoazobenzol
Bei Anilingelb ist ein Amin an den Phenylring, bei Buttergelb ein Dimethylamin substituiert. Sowohl
Anilingelb als auch Buttergelb erscheinen als gelbe Farbstoffe
Der heute weltweit größte Chemiekonzern BASF (Badische Anilin- & Soda-Fabrik) wurde im Jahre
1900 auf der Idee gegründet, Teerfarbstoffe und Farbstoffe auf Anilinbasis für die Textilindustrie
herzustellen. Daher trägt sie auch ihren Namen (vgl. Meyers 2013). Anilingelb war einer der ersten
synthetisch hergestellten Azofarbstoffe.
Die Herstellung von Buttergelb basiert ebenso auf Anilin. Der Trivialname von 4-
Dimethylaminoazobenzol stammt von seiner industriellen Verwendung als gelber Farbstoff für Butter
und Margarine. Seit 1938 ist diese Verwendung jedoch aus gesundheitlichen Gründen (kanzerogene
Wirkung) untersagt.
83 Organische Farbstoffe im Schulunterricht
Allgemeine Synthese von Azofarbstoffen
Die Synthese der Azofarbstoffe gliedert sich immer in zwei wesentliche Reaktionen:
1. Diazotierung
Die Diazotierung bezeichnet eine Nitrosierung primärer, aromatischer Amine (oft Anilin)
durch Nitrosylkationen. Dies führt zur Bildung eines mesomeriestabilisierten
Diazoniumsalzes.
2. Azokupplung
Die Azokupplung bezeichnet die Umsetzung des bei der Diazotierung gebildeten
Diazoniumsalzes mit einem elektronenreichen Aromaten (meist N,N-Dimethylanilin). Es
handelt sich dabei um eine elektrophile, aromatische Substitution.
Die Synthese von Azofarbstoffen und deren Mechanismus soll anhand von Methylorange – einem der
wichtigsten Vertreter der Azofarbstoffe – dargestellt werden.
Synthese von Methylorange
1. Diazotierung – allgemeine Reaktion:
SO3H
NH2
+ NaNO2
SO3H
N+
N
< 5 °C
HCl (halbkonz.)
Sulfanilsäure Diazoniumkation
Im Vorfeld entsteht aus halbkonzentrierter Salzsäure und Natriumnitrit Salpetrige Säure.
H Cl + Na+
Na+
Cl- N
OO
H+N
O-
ON
OO-
Salpetrige Säure
84 Organische Farbstoffe im Schulunterricht
+ H+
- H2ON O
+N
+ O
NOO
H
Salpetrige Säure Nitrosylkation
Aus der Salpetrigen Säure entsteht durch Protonierung und anschließende Wasserabspaltung das
mesomeriestabilisierte Nitrosylkation. Die mesomeren Grenzstrukturen (Resonanzhybride) sind
jedoch inäquivalent (aufgrund der Verletzung der Oktettregel ist es unwahrscheinlicher, dass das
Nitrosylkation als N+= O vorliegt).
Mechanismus der Diazotierung:
SO3H
N
NOH
SO3H
N
NO
+
HH
+H+
-H2O
SO3H
NH H
+ N O+
SO3H
N+
H H
NO
-H+
SO3H
NH
NO
+ H+
- H+
SO3H
N+
N
NitrosylkationSulfanilsäure N-Nitrosoanilin
DiazoniumkationDiazohydroxid
Bei der Diazotierung handelt es sich um eine nukleophile Addition. Das Nitrosylkation dient als
Elektrophil (E+) und wird von dem freien Elektronenpaar der Amingruppe angegriffen, welche an der
Sulfanilsäure substituiert ist. Durch Deprotonierung entsteht N-Nitrosoanilin. Im Folgenden wandert
Wasserstoff zu Sauerstoff, das übernächste Heteroatom (Tautomerie), und bildet Diazohydroxid. Die
Hydroxygruppe des Diazohydroxids wird protoniert und unter Wasserbildung abgespalten. Es bildet
sich das mesomeriestabilisierte Diazoniumkation. Dieses ist sehr temperaturempfindlich und zerfällt
bei einer Temperatur von T > 5 °C.
85 Organische Farbstoffe im Schulunterricht
2. Azokupplung – allgemeine Reaktion:
SO3H
N+
N
+-O3S N
N N
N
+Na+
+ OH2
N,N-Dimethylanilin Methylorange
5° - 10° C
+ NaOH
- H+
Es handelt sich allgemein um eine Additionsreaktion.
SO3H
N+
N
+NaOH+
SO3-
N+
N
+Na+
H2O
Das Diazoniumkation wird unter den alkalischen Reaktionsbedingungen sofort deprotoniert.
Mechanismus der Azokupplung:
N
SO3-
N
NN+
H
+
SO3-
N+
N
SO3-
N
NN
- H+
N,N-Dimethylanilin
Methylorange
86 Organische Farbstoffe im Schulunterricht
Bei der Azokupplung handelt es sich um eine nukleophile, aromatische Addition von N,N-
Dimethylanilin – einer durch +M-Effekte aktivierten, elektronenreichen aromatischen Verbindung
(Nu-) – an das Diazoniumkation (E+). Die Reaktion erfolgt aufgrund des Substituenteneinflusses der
Amingruppe (+M-Effekt) selektiv in para-Stellung. Methylorange entsteht in deprotonierter Form.
Methylorange ist orangefarben.
Hier kann der Videoversuch „Methylorange“ präsentiert werden. Dieser zeigt einerseits die Synthese
des Farbstoffs und andererseits seine Indikatorwirkung.
Methylorange ist wie Phenolphthalein ein oft verwendeter pH-Indikator im Labor. Dafür sind 0,2%ige
Lösungen in Wasser gebräuchlich. Außerdem stellt Methylorange eine Komponente der
Universalindikator-Lösung dar (vgl. Seilnacht III).
Folgende Tabelle zeigt Beispiele weiterer pH-Indikatoren aus der Gruppe der Azofarbstoffe:
Tabelle 16: Azofarbstoffe - pH-Indikatoren.
Farbstoff pH-Umschlag Farbe
< pH
Farbe
> pH
Methylorange pH 3,1 – 4,4 kirschrot gelb-orange
Methylrot
N
NN
O
O-
pH 4,8 – 6,4 rot gelb
Kongorot
N N
NH2
SO3Na
NN
NH2
SO3Na
pH 3,0 – 5,2 blau rot
Alizaringelb
N
NN+
O-
O
OH
O
OH
pH 10,1 – 12,0 gelb orange
87 Organische Farbstoffe im Schulunterricht
Übungsaufgabe 7:
Aromatische Stickstoffverbindungen dienen als Ausgangssubstanzen für die Synthese
von Azofarbstoffen. Der Farbstoff Dispersionsorange 3 wurde lange zur Färbung von
Textilfasern eingesetzt, bis sein Allergie auslösendes Potenzial entdeckt wurde.
N
N NH2
N+
O-
O
Für die Herstellung von Dispersionsorange 3 ist nur eines der folgenden Eduktpaare
geeignet:
Edukt A Edukt B
I 1,4-Diaminobenzol Nitrobenzol
II 1-Amino-4-nitrobenzol Anilin (Aminobenzol)
III Nitrobenzol Anilin (Aminobenzol)
Zeichnen Sie die Strukturformeln der angegebenen Edukte, geben Sie an, welches
Eduktpaar zur Herstellung von Dispersionsorange 3 geeignet ist, und erläutern Sie Ihre
Aussage!
Azofarbstoffe finden weiterhin Anwendung in der Medizin (Anfärben von Krebszellen, Bakterien etc.)
sowie vor allem in der Textilfärbung. In der Lebensmittelchemie werden sie ebenfalls vermehrt
eingesetzt. In Deutschland wurde dessen Verwendung jedoch wegen möglicher gesundheitlicher
Bedenken bereits reduziert. Darüber hinaus sind Azofarbstoffe allgemein Färbemittel für Fette, Öle,
Wachse, Stroh, Holz, Papier, Schmuck, Leder (vgl. Welsch 2012).
3.3 Polymethinfarbstoffe
Polymethinfarbstoffe besitzen eine ungeradzahlige Kette von Methingruppen zwischen zwei
Heteroatomen bzw. Endgruppen, die formal zum Ladungswechsel befähigen. Das heißt, es existieren
mindestens zwei mesomere Grenzstrukturen. Voraussetzung für eine alternierende
Ladungsverteilung ist die Kettenlänge n=2n+1 wobei {n=N}:
88 Organische Farbstoffe im Schulunterricht
X Y
n
Polymethinfarbstoff
n = 2n + 1
Für n = 0 gilt:
X Y
X-
Y+
Die π-Elektronen sind vollständig delokalisiert. Wenn X = Y resultiert daraus eine
Bindungslängenkonstanz sowie eine Ladungsalternanz.
Die Lichtabsorption ist zum einen von der Länge der Polymethinkette n und zum anderen von der Art
der Endgruppen abhängig. Bei symmetrischen Polymethinen ändert sich bei Verlängerung der
Methinkette von n+2 das Absorptionsmaxima um 100 nm (=vinylene shift). (vgl. ULB 2009).
Polymethine sind die klassischen Farbstoffe, deren Farbentstehung mittels des Teilchen im Kasten-
Modells erläutert werden kann (siehe 2.3.1.1.2).
Polymethinfarbstoffe werden in Cyanine, Merocyanine und Oxonale untergliedert (vgl. ULB 2009).
Sie unterscheiden sich strukturell nur durch ihre Endgruppen:
N+ N
R
H n
Cyaninfarbstoffe
O O-
R
n
Oxonolfarbstoffe
O N
R
n
Merocyaninfarbstoffe
Carotinoide
Wichtigstes Beispiel für Polymethinfarbstoffe sind die Carotinoide. Diese können von Bakterien,
Algen, Pilzen und Pflanzen synthetisiert und müssen vom Menschen über die Nahrung aufgenommen
werden.
89 Organische Farbstoffe im Schulunterricht
Ergänzung: Täglicher Carotinoidbedarf
In Deutschland liegt die mittlere, tägliche Carotinoidzufuhr bei 5,3 mg. Diese setzt sich aus
β-Carotin 1,81 mg, Lutein 1,91 mg, α-Carotin 0,29 mg, Lykopin 1,28 mg, Cryptoxanthin 0,05
mg zusammen. Gemüseprodukte decken ca. 84 % und Obst ca. 4 % der täglich benötigten β-
Carotinmenge.
Verarbeitete Lebensmittel, wie z.B. gekochte Karotten oder Tomatensoße, führen,
verglichen mit rohen Karotten oder Tomaten, zu einer deutlich höheren Carotinaufnahme
als nicht verarbeitete Produkte (vgl. Bub 2001: 74 f.).
Ungefähr 650 Carotinoide sind bekannt. Im Blut werden nur 15 bis 20 verschiedene Carotinoide
nachgewiesen. Da alle Carotinoide normalerweise 9 bis 13 konjugierte Doppelbindungen besitzen,
kann jedes Carotinoid viele Isomere bilden. Von β-Carotin sind theoretisch 272 Stereoisomere
möglich (vgl. Bub 2001: 70f.).
Die Carotinoide lassen sich aufgrund ihrer chemischen Struktur in Carotine und Xanthophylle
einteilen:
Carotine
CH3
CH3 CH3CH3 CH3
CH3 CH3
CH3
CH3CH3
Carotin
Karotte; E160a
Lykopin
Tomate; E160d
CH3
CH3
CH3 CH3 CH3 CH3
CH3 CH3 CH3 CH3
90 Organische Farbstoffe im Schulunterricht
Carotine sind sauerstofffreie, Xanthophylle sauerstoffhaltige Carotinoide. Carotine finden sich
überwiegend in orange-gelb-rotem Gemüse und Obst, wohingegen Xanthophylle hauptsächlich in
grünblättrigem Gemüse vorkommen (vgl. Bub 2001: 75 ).
CH3
CH3 CH3CH3 CH3
CH3 CH3
CH3
CH3CH3
OH
OH
Xanthophylle
CH3
CH3 CH3CH3 CH3
CH3 CH3
CH3
CH3CH3
OH
Lutein
Grünkohl; E 161b
-Cryptoxanthin
Physalis; E161c
Xanthophylle haben wegen ihres hydroxylierten Rings keine Provitamin-A-Wirkung. Die Bezeichnung
Carotinoide leitet sich von dem 1831 erstmals aus Karotten isoliertem Carotin ab.
91 Organische Farbstoffe im Schulunterricht
Ergänzung: Quenching und antioxidative Wirkung
Carotinoide sind die wirksamsten natürlichen Quencher für Singulettsauerstoff
(1O2). Dieser kann durch photochemische Reaktionen gebildet werden und ist
hochreaktiv und sehr schädlich für den Körper, da er Nukleinsäuren, Aminosäuren
oder auch ungesättigte Fettsäuren oxidieren kann. Bei dem Quenching gehen die
Carotinoide in einen angeregten Triplettzustand über:
1O2 + Carotinoid 3O2 + 3Carotinoid
In der nachfolgenden Reaktion erreichen die Carotinoide nach Abgabe von Wärme
wieder den Grundzustand:
3Carotinoid Carotinoid + Wärme.
Als effiziente Radikalfänger haben sich Lykopin, ß-Cryptoxanthin und ß-Carotin
erwiesen.
In Pflanzen sind Carotinoide einerseits als proteingebundene Pigmente an der
photosynthetischen Lichtabsorption beteiligt und schützen andererseits
Chlorophyll (grüner Pflanzen- und Photosynthesefarbstoff in den Blättern) vor
oxidativem Abbau. Die antioxidative Wirkung der Carotinoide beruht auf ihrer
leichten Oxidierbarkeit und auf Fähigkeit, Elektronen oder Wasserstoffatome
abzugeben.
β-Carotin
Im menschlichen Körper werden sowohl trans- als auch cis-Isomere des β-Carotins in die
Dünndarmzellen aufgenommen. Im Blut jedoch liegt überwiegend das trans-Isomer (ca. 95 %) vor.
cis-β-Carotin wird in den Dünndarmzellen zu all-trans- β-Carotin isomerisiert und in dieser Form an
das umliegende Lymph- und Blutsystem abgegeben (cis-trans-Isomerisierung siehe 2.2.1.1).
Die einzige im menschlichen Körper nachgewiesene Funktion ist die Vitamin-A-Wirkung. β-Carotin
kann in verschiedenen Geweben (Leber, Dünndarm, Lunge) zu Vitamin A1 verstoffwechselt werden.
In den Enterozyten – Zellen, die sich in der Darmschleimhaut befinden – wird β-Carotin mittels einer
Dioxygenase zu etwa 17 % in Retinol (Vitamin A1) umgewandelt. Dies findet nachweislich auch in der
Leber statt (vgl. Bub 2001: 70 f.).
92 Organische Farbstoffe im Schulunterricht
Retinol-Retinal-Stoffwechsel
Wie bereits in 2.2.1.1 beschrieben ist Retinal wesentlicher Bestandteil des Sehsystems. 11-cis-Retinal
ist photoempfindlich und isomerisiert bei der Lichtabsorption zu all-trans-Retinal. all-trans-Retinal
muss aktiv unter Energieverbrauch des Körpers wieder in das cis-Isomer überführt werden.
O
H
all-trans-Retinal
CH3
CH3CH3CH3
O H
CH3
OH
H
all-trans-Retinol = Vitamin A1
CH3
CH3CH3CH3
OH H
CH3
11-cis-Retinol
11-cis-Retinal
Photo-
Isomerisierung
enzymatischer Stoffwechsel-
prozess
all-trans-Retinal wird durch körpereigene Reduktionsäquivalente wie NADH2 und FADH zu all-trans-
Retinol – Vitamin A1 – reduziert. Dieses wird aus den Zapfen heraus in Pigmentzellen transportiert,
wo es enzymatisch zunächst zu 11-cis-Retinol isomerisiert und anschließend wieder zu 11-cis-Retinal
oxidiert werden kann. Dieser Stoffwechsel wird durch so genannte RBP’s – Retinol-Binde-Proteine –
gesteuert (vgl. Helmich 2011).
Die großtechnische, synthetische Herstellung von Vitamin A1 erfolgt nach der Wittig-Reaktion.
93 Organische Farbstoffe im Schulunterricht
Ergänzung: Retinol – Vitamin A1
Retinol wurde 1933 erstmalig aus Lebertran dargestellt.
Katzen fehlen Enzyme, sodass β-Carotin nicht zu Vitamin A1 umgesetzt werden kann. Um
trotzdem die zum dauerhaften Sehen benötigte Vitamin A1-Konzentration aufrecht zu
erhalten, müssen Katzen die Leber ihrer Beute fressen.
Chemisch betrachtet zählen Carotinoide zu den Terpenoiden. Zumeist handelt es sich um
Tetraterpene, die aus 8 Isoprenoideinheiten aufgebaut sind.
Isopren-Einheit
Isopren ist ein Derivat des 1,3-Butadiens und Grundbaustein der Synthesen zahlreicher Naturstoffe.
Zu den isoprenoiden Naturstoffen zählen die besprochenen Carotinoide, Terpene und Steroide (vgl.
Mortimer 2007: 730). Es handelt sich dabei um Farbstoffe, Duftstoffe und den allbekannten
Naturkautschuk, der als Werkstoff unentbehrlich für beispielsweise die Reifenherstellung ist (vgl.
ChemgaPedia 2013).
n
Poly(1,4-cis-isopren)
Naturkautschuk
Naturkautschuk ist ein Biopolymer und zeichnet sich, im Gegensatz zum synthetischen Kautschuk,
durch seine reine Z-Konfiguration aus. Er wird durch 1,4-Polymerisation von Isopreneinheiten
synthetisiert (vgl. Wollrab 2009: 149).
94 Organische Farbstoffe im Schulunterricht
3.4 Anthocyane
Der Name Anthocyane leitet sich aus dem Griechischen anthos (Blüte) und kyanos (blau) ab. Sie
wurden erstmals 1835 in Pflanzen entdeckt und gehören zu den sekundären Pflanzenstoffen. Nicht
nur die Blütenfarbe, sondern auch die Farbe der meisten Früchte wie auch von Obst und Gemüse
resultiert aus dem Vorhandensein von Anthocyanen. Es handelt sich um wasserlösliche Flavonoide,
die in den Vakuolen jeder einzelnen Pflanzenzelle eingelagert sind. Während in manchen Pflanzen
nur ein Typ von Anthocyanen vorkommt, sind in Weintrauben über 20 zu finden. Anders als bei den
gelb bis rot farbenen Carotinoiden (Polymethinfarbstoffen) sind die Farbgebungen durch Anthocyane
sehr vielfältig (vgl. Welsch 2012: 171ff.)
Anthocyane sind Glycoside der Anthocyanidine, deren Grundbaustein das Flavan bzw. Flavyliumsalz
ist.
O
A C
B
Flavan-Gerüst
Die rund 200 verschiedenen Anthocyan-Verbindungen lassen sich aufgrund ihrer in der Natur
vorkommenden Häufigkeit in folgende drei Gruppen einteilen.
O+
OH
OH
OHAnthocyanin
A C
BO
+OH
OH
OH
OH
Pelargonidin
= 520 nm
A C
B
O+
OH
OH
OH
OH
OHCyanidin
= 535 nm
A C
BO
+OH
OH
OH
OH
OH
OH
Delphinidin
= 544 nm
A C
B
95 Organische Farbstoffe im Schulunterricht
Ergänzung: Quenching und E163
Neuste Erkenntnisse schreiben den Anthocyanen eine größere Radikalfänger-Wirkung zu
als den gepriesenen Vitaminen C, E und β-Carotin (vgl. Welsch 2012: 171ff.)
Anthocyane gelten als antikanzerogen, antimikrobiell, antioxidativ und bis heute konnte
keine für den Menschen schädliche Wirkung festgestellt werden. Deshalb werden sie als
Lebensmittelfarben E163 oftmals eingesetzt (vgl. Briviba 2002: 150).
Anthocyanin bildet den Chromophor. Alle drei Gruppen weisen eine positive Partialladung am
Sauerstoffatom von Ring C auf. Unterscheidungen der drei Gruppen begrenzen sich lediglich auf eine
Substituentenerweiterung an der 3‘ und 5‘-Stellung des B-Rings. Die Strukturvielfalt erklärt sich durch
Bindung unterschiedlicher Mengen und Arten von Zuckern sowie phenolischer und aliphatischer
Säuren am Chromophor (vgl. Briviba 2002: 148). Im Gegensatz zu Flavan ist der mittlere Ring C immer
aromatisiert. Dies bewirkt eine Delokalisierung der π-Elektronen und trägt zu einer stärkeren
Lichtabsorption und intensiveren Farbbildung bei.
Pelargonidin ist scharlachrot, Cyanidin als blau in Blaubeeren sowie als rote Farbe in Rosen,
Erdbeeren, Himbeeren, Rhabarber uvm. vorhanden.
Delphinidin lässt Blüten wie den Rittersporn blau erscheinen. Aus einer Glykolisierung von
Delphinidin resultiert eine leichte Rotverschiebung, sodass sich zwei bzw. drei Unterklassen ergeben:
Malvidin und Petunidin bzw. Paeonidin.
Malvidin und Petunidin sind pink bis purpur. Es handelt sich um Methyletherderivate des
Delphinidins. Paeonidin stellt ein Methyletherderivat des Cyanidins dar und ist scharlachrot (vgl.
Welsch 2012: 171ff.).
Für die Farbe sind die Anzahl der jeweiligen Hydroxygruppen und der pH-Wert maßgebend. Bei pH 1
- 3 sind sie zumeist rot gefärbt, bei pH 4 - 6 farblos und bei pH > 6 fast immer violett und blau. Ein zur
vielfältigen Farbentstehung wesentlich beitragender Aspekt ist derjenige, dass Anthocyane polymer
als Chromosaccharide mit Molekulargewichten bis zu 20 000 Dalton vorliegen. Außerdem bilden sie
mit verschiedenen Metallkomplexen (Eisen, Aluminium, Chrom) Komplexe aus (vgl. Welsch 2012: 171
ff.) (siehe auch 2.3.1.2).
96 Organische Farbstoffe im Schulunterricht
Tipp für die Schule: Schulgarten
Ist in der Schule ein Schulgarten mit dort wachsenden Hortensien vorhanden (oder alternativ
als Topfpflanze) kann folgende Langzeitbeobachtung durchgeführt werden:
Komplexbildung von Cyanidin mit Fe3+ und Al3+. Werden beispielsweise Hortensien während
der Blütenentwicklung mit Fe3+- und Al3+-Salzen gegossen oder rostige Eisennägel in der Erde
nahe der Wurzeln vergraben, dann werden aufgrund der Komplexbildung die Blüten blau
anstelle von rot!
Tipp für die Schule: Warum verfärben sich die Blätter im Herbst von grün zu bunt?
Blätter sehen grün aus, weil sie den grünen Pflanzenfarbstoff Chlorophyll enthalten. Allerdings
enthalten sie noch weitere (Anthocyane), die jedoch von der intensiven grünen Farbe überdeckt
werden. Im Herbst nehmen die Sonnenstunden ab und die Pflanzen stellen ihre Fotosynthese
ein. Nur Chlorophyll als wichtigster Pflanzenfarbstoff wird enzymatisch abgebaut. Dessen
Magnesium wird in den Wurzeln über den Winter gespeichert. Die bunten Anthocyane
verbleiben in den Blättern, welche dann als buntes Laub abfallen (vgl. Wiechoczek 2013).
Die phenolischen Hydroxygruppen und das zur Salzbildung neigende zentrale Sauerstoffatom in Ring
C sorgen für einen amphoteren Charakter bezüglich einer Salzbildung mit Säuren oder Basen.
Abschließend kann an dieser Stelle der Videoversuch „Radieschenindikator“ angeschaut werden. Er
zeigt zum einen die Extraktion der roten Farbstoffe durch Propanol und zum anderen dessen pH-
abhängige Farbresultate.
Abbildung 44: Radieschenindikator von pH 2 bis 14 (links nach rechts) (vgl. Hühn 2013).
Radieschen beinhaltet sowohl Cyanidine als auch Pelargonidine, sodass sich die pH-abhängige Farbe
aus der Summe der beiden Farbstoff-Verbindungen ergibt (vgl. Kabuß: 156). Im sauren pH-Bereich
erscheint die Lösung orange-rot, im schwach sauren bis neutralen Bereich hellviolett und im
basischen pH-Bereich gelb bis grün.
97 Organische Farbstoffe im Schulunterricht
4 Farben in Technik, Labor und Alltag
4.1 Funktionelle Farbstoffe
Farbstoffe können nicht nur - wenngleich im größten Maße – optische und ästhetische Funktionen
erfüllen, sondern auch zweckgebundene.
Moleküle funktioneller Farbstoffe können die absorbierte Energie auf unterschiedliche Weise nutzen.
Eine Farbänderung von funktionellen Farbstoffen kann je nach Typ sowohl Information geben über
pH-Wert, Temperatur, Lösungsmittel, Vorhandensein bestimmter chemischer Stoffe als auch
Energieumwandlungen oder chemische Reaktionen hervorrufen. Beispielsweise für
Elektronentransfer, Energietransfer, Lichtemission, chemische Reaktion, photovoltaische Effekte
(Siliciumsolarzellen für Umwandlung von Licht in elektrischen Strom), Sensibilisatorfarbstoffe in
Informationsaufzeichnungs- und Speichermedien(vgl. Banerji 2010: 6).
Im Folgenden sollen ausgewählte funktionelle Farbstoffe vorgestellt und dessen Funktion
beschrieben werden.
4.1.1 Indikatoren und Nachweise
4.1.1.1 pH-Indikator
Unter einem pH-Indikator wird allgemein eine Farbänderung einer Substanz in Lösung verstanden,
die durch eine Änderung des pH-Werts und einer daraus resultierenden Protonierung oder
Deprotonierung des Chromophors hervorgerufen wird. Der Vorgang ist jederzeit reversibel.
Gute pH-Indikatoren zeichnen sich durch schnelle Farbübergänge zwischen Lacton- und Chinoidform,
durch scharfe Farbunterschiede und pH-stabile Moleküle aus. Vor allem für Titrationen und Arbeiten
im Labor sind signifikante Farbänderung in kleinen und konkreten pH-Bereichen, das heißt ein
scharfer Umschlagspunkt bei einem ganz bestimmten pH-Wert, von großer Bedeutung.
Indikatorreaktion von Kristallviolett
Wird violette Kristallviolettlösung mit Salzsäure angesäuert, werden die Aminogruppen protoniert
und es findet eine Umhybridisierung am Stickstoffatom von sp2 zu sp3 statt. Dadurch verliert die
Aminogruppe ihre Funktion als Auxochrom, weil sie nicht mehr zu einem delokalisierten π-
Elektronensystem beitragen kann. Das ausgedehnte π-Elektronensystem wird damit eingeschränkt
(siehe Abbildung: Kreise zeigen farbgebenden Teil des Moleküls). Insgesamt erfolgt ein Farbumschlag
nach grün. Die grüne Farbe entsteht durch eine Mischung aus blau und gelb (siehe auch additive
Farbmischung 2.1.1), da Kristallviolett einfach und doppelt protoniert wird. Die einfache
Protonierung ergibt eine blaue Farbe wobei die doppelte Protonierung eine gelbe Farbe ergibt. Ein
98 Organische Farbstoffe im Schulunterricht
stärkeres Ansäuern würde dazu führen, dass alle Auxochrome deaktiviert werden und die Lösung
würde gelb aussehen.
sp2
C+
N
N
N
violett
pH > 6
+ 3 H+
2
sp2
sp2
sp3
N+
N
N+
H
N+
N+
N+
H
H
grün
sauer
(Mischung aus blau und gelb)
+
blau
gelb
+ 2 OH-
N
N
N
OHsp3
farblos
pH < 12
2
Wird der Lösung Natronlauge zugeführt, findet eine nukleophile Addition der Hydroxygruppe an das
zentrale Carbeniumion statt. Dann ist das Kohlenstoffatom nicht mehr sp2-hybridisiert, sondern sp3-
hybridisiert und das große, delokalisierte π-Elektronensystem wird auf die aromatischen Benzolringe
minimiert. Die Lösung ist deshalb farblos. Das farblose Molekül wird als Carbinolbase bezeichnet.
Alle Reaktionen sind reversibel. Deshalb kann Kristallviolett auch als pH-Indikator dienen (vgl.
Bautsch 2008).
Abbildung 45: Farbverlauf pH-Indikator Kristallviolett.
Indikatorreaktion Phenolphthalein
Die im neutralen und schwach sauren Milieu (pH < 8,2)vorliegende Lactonform des Phenolphthaleins
ist farblos. Sie weist einen intramolekularen, cyclischen Ester einer Hydroxycarbonsäure auf. Das
0 2 4 6 8 10 12 14
pH
Kristallviolett
99 Organische Farbstoffe im Schulunterricht
zentrale Kohlenstoffatom ist sp3-hybridisiert. Die Lactonform kann kein Licht absorbieren und
erscheint deshalb farblos.
In stark saurem Milieu beispielsweise konzentrierter Schwefelsäure wird der cyclische Sauerstoff
protoniert. Es kommt zu einem Ringbruch und führt zu einer Umhybridisierung des zentralen
Kohlenstoffatoms, sodass ein delokalisiertes π-Elektronensystem entsteht. In stark saurem Milieu ist
Phenolphthalein rot (bei genauerer Beobachtung ist dies auch bei der Synthese zu beobachten; siehe
Videoversuch 3.1).
C+
OH
O
OH
OH
O
O
OH
OH
farblos (200 nm)
pH < 8,2
sp3
2 OH-, -2 H2O
H+sp2
rot
pH < 2
O-
O
O
O-
pink (nm)
pH > 8,2
sp2
COO-
O-
O-
OH
OH-
sp3
farblos (200 nm)
pH > 12
2 OH-, -2 H2O
Durch Deprotonierung der Lactonform und anschließender Wasserabspaltung entsteht eine weitere
chinoide Form (pH < 8,2). Diese erscheint pink. Das zentrale Kohlenstoffatom ist sp2-hybridisiert.
Energie der Wellenlänge λ = 555 nm wird absorbiert.
100 Organische Farbstoffe im Schulunterricht
Tipp für die Schule: Tintentod - Tintenblitz - Tintenpirat
Analog zu der Funktionsweise von pH-Indikatoren ist das in der Schule alltägliche
Utensil: der Tintenkiller. Allerdings werden dafür keine pH-Werte im stark basischen
Bereich gebraucht – das wäre ja auch viel zu unpraktisch. Tintenkiller feiern ihr 40-
jähriges Bestehen. Ein Stift genügt übrigens um 500 m Tinte zu killen.
Bei der blauen Füllertinte von Pelikan 4001 handelt es sich um eine Mischung
verschiedener Triyphenylmethanfarbstoffe (wie Kristallviolett und Phenolphthalein)
(vgl. Pelikan).
Tintenkiller beinhalten vor allem Natriumsulfite. Diese greifen als Lewis-Base in einer
nukleophilen Addition das zentrale Kohlenstoffatom der Füllertinte an. Damit liegt es
sp3-hybridisert vor und unterbindet die farbgebende Eigenschaft. Die Füllertinte
erscheint farblos (vgl. Wiechoczek 2012).
O
Füllertinte
farblos
Füllertinte
blau
S
O
O-
O-
S
O
O
O-
O-
sp2
sp3
"Tintenkiller"
In stark alkalischem Milieu (pH > 12) greift ein Hydroxid-Ion das zentrale sp2-hybridisierte
Kohlenstoffatom an. Es bildet sich im Verlauf dieser nucleophilen Additionsreaktion ein Carbinol. Das
Molekül ist nicht mehr planar und erscheint farblos (vgl. Wiechoczek 2009).
Die Indikatorreaktion ist jederzeit umkehrbar.
Abbildung 46: Farbverlauf pH-Indikator Phenolphthalein.
0 2 4 6 8 10 12 14 pH
Phenolphthalein
101 Organische Farbstoffe im Schulunterricht
Hierzu kann der Videoversuch „Tintenkiller“ angesehen werden. Weiterhin gibt es so
genannte „Magicstifte“, die für solche Versuche ebenfalls verwendet werden können.
Daraus kann sogar mit Rotkohlsaft ein eigener Magicstift gebaut werden (vgl. Schlegel
2010: 20). Näheres siehe Abschnitt 3.4.
Auf der Rückseite des Tintenkillers ist ein ebenfalls blauer Farbstoff enthalten, der
jedoch kein Triphenylmethanfarbstoff ist und deshalb seine blaue Farbe in
Anwesenheit von Sulfiten bzw. Lewis-Basen beibehält.
Da es sich insgesamt um eine Gleichgewichtsreaktion handelt, wird weggekillerte Tinte
nach einiger Zeit wieder leicht sichtbar. Ein Blick in alte Schulhefte beweist dies!
Obwohl es sich bei der „roten Lehrertinte“ ebenfalls um einen
Triphenylmethanfarbstoff handelt, nämlich Eosin (siehe Abschnitt 3.1), kann der
Tintenkiller dieser nichts anhaben. Dies löst im ersten Moment bei Schülern Verwirrung
aus. Bei genauerem Blick auf die molekulare Struktur wird verständlich, dass die rote
Farbe durch ein alternatives Farbgebungssystem aufgrund eines zusätzlichen Pyranring
zwischen den Phenylringen zustande kommt. Die durch den Pyranring entstehende
starre Struktur von Eosin ist ein Grund für seine fluoreszierende Eigenschaft (vgl.
Wiechoczek 2012).
Indikatorreaktion von Methylorange
Azofarbstoffe wie Methylorange sind ebenfalls wichtige pH-Indikatoren. Dabei wird in saurem Milieu
die Azogruppe protoniert, was zu einer Farbänderung führt:
SO3-
N+
NN
H
pH < 3,1
kirschrot
= 460 nm
SO3-
N
NN
pH > 4,4
gelb-orange
= 510 nm
OH-
H+
SO3-
N
NN+
H
102 Organische Farbstoffe im Schulunterricht
Der Bereich des Farbumschlags liegt zwischen pH 3,1 - 4,4.
Abbildung 47: Farbverlauf pH-Indikator Methylorange.
Natürliche vorkommende pH-Indikatoren (Anthocyane)
Die Natur bietet vor allem für den Schulgebrauch nützliche pH-Indikatoren, die aus Pflanzen.
Gewonnen werden können. Beispielsweise enthält Rotkohl Anthocyane (siehe Abschnitt 3.4) –
vornehmlich Rubrobrassin, welches zu den Cyanidinen zählt (vgl. Braun 2009).
O+
OH
R
OH
OH
OHRubrobrassin
(Cyanidin)
R = Triglucosid
Hierzu kann der Videoversuch „Rotkohlindikator“ angeschaut werden. Dieser zeigt zum einen die
Isolierung des Farbstoffes und zum anderen dessen Indikatorwirkung an Haushaltslösungen wie
Klarspüler, Rohrreiniger, Brausetabletten, Essig uvm..
Abbildung 48: Farbverlauf pH-Indikator Rubrobrassin (vgl. Bresien 2010).
Die Farbentstehung ist pH-abhängig. Dieser Effekt wird schon in der Küche sichtbar. Je nachdem mit
welcher Flüssigkeit Rotkohl gekocht wird – mit Wasser oder Essig – ist er entweder blau (Blaukraut)
oder rot (Rotkohl) (vgl. Braun 2009).
0 2 4 6 8 10 12 14 pH
Methylorange
0 2 4 6 8 10 12 14 pH
Rubrobrassin
103 Organische Farbstoffe im Schulunterricht
4.1.1.2 Redox-Indikator
Redox-Indikatoren werden sowohl im Labor als Nachweis für Redox-Reaktionen als auch in der
Analytik und in der Biochemie zur Anzeige von aeroben und anaeroben Zuständen bei Atmungs- oder
Gärungsvorgängen verwendet.
Methylenblau ist aufgrund seiner leichten Reduzierbarkeit einer der wichtigsten Redox-Indikatoren.
Bei Zimmertemperatur liegt er als kristalliner, dunkelgrüner Feststoff vor (vgl. Omikron 2001). 1876
wurde er erstmals bei BASF (Badische Anilin- und Soda-Fabrik) synthetisiert und ist heute einer der
wichtigsten Vertreter der Phenothiazinfarbstoffe.
N
S+
N
N
Cl-
MethylenblauChinoidform
+2
+2
NH
SN
N
Methylenblau Leukoform
+1
+1
Ox.
- 2 e-
Red.
+ 2 e-
Die chinoide Form des Methylenblaus besitzt ein großes, konjugiertes π-Elektronensystem. Dieses
absorbiert Licht im Wellenlängenbereich von 530 nm bis 700 nm und hat sein Absorptionsmaximum
bei 660 nm. Es erscheint deshalb blau.
Methylenblau findet in vielen Bereichen Verwendung. Es wird zum Beispiel als Vitalfarbstoff in der
Medizin zum selektiven Anfärben von grauen Substanzen im peripheren Nervensystem, als Gegengift
bei Kohlenoxid-, Blausäure-, Nitrit- und Anilinvergiftungen und als Antiseptikum verwendet.
Weiterhin wird Methylenblau in der Textilfärberei verwendet und dient als Farbstoff für Lacke.
4.1.1.3 Typische Nachweisreaktionen
Typische Nachweisreaktionen sind Farbreaktionen, die auf organischen Farbstoffen beruhen. Im
Folgenden sollen Beispiele bekannter und oft verwendeter Nachweisreaktionen im Laboralltag
vorgestellt werden.
104 Organische Farbstoffe im Schulunterricht
Nachweis-Reagenz Nachzuweisende Substanz Farbnachweis
Fehling I (Kupfer(II)-sulfat-Lösung)
Fehling II (Kaliumnatriumtartrat-
Lösung)
Reduzierende Zucker/
Aldehyde
Rotbrauner Niederschlag (vgl.
Wünsch 2013)
Molisch-Reagenz:
α -Naphthol
Pentosen / Hexosen Violetter Furfuryl-
Diphenylmethanfarbstoff
Ninhydrin Aminosäuren (primäre
Amine)
Violettes Ruhemanns Purpur
Gibbs-Reagenz Phenole Blaues Indophenol
Tillmann’s Reagenz (DCPIP) Ascorbinsäure Entfärbung von DCPIP (vgl.
Wünsch 2013)
Lunges-Reagenz (Sulfanilsäure und
α-Naphthylamin )
Nitrat roter Azofarbstoff (vgl.
ChemgaPedia)
Schiff-Reagenz (Fuchsin) Aldehyde Violettfärbung (vgl. Seilnacht
2012)
4.1.2 Farbstoff-Marker
Vor allem in der forschenden Medizin und Biochemie sind Farbstoff Marker nicht wegzudenken. Ob
zum Anfärben von Bakterien, Mikroben, Zellverbänden (Krebszellen, Nervenzellen etc.) oder
kleinsten zellulären Strukturen wie Membranen werden Marker-Farbstoffe verwendet. Ein sehr
bekannter fluoreszierender Marker ist das enhanced GFP (EGFP). Dabei handelt es sich um eine
Variante des grün fluoreszierenden Proteins der Qualle Aequorea victoria (englisch, green
fluorescent protein). Dieses ungewöhnliche Protein wurde erstmals 1962 von Osamu Shimomura
beschrieben und hat sich seither in unzähligen kommerziell erhältlichen Modifikationen als
molekulares Markerprotein fest etabliert (Nobelpreis 2008) (vgl Essen 2008).
GFP besteht aus einer einzigen Polypeptidkette von 238 Aminosäuren. Die
Abbildung zeigt die für GFP typische β-Fass-Struktur (englisch: β-barrel). Es
ist bemerkenswert, dass die Fluoreszenz des GFP eine intrinsische
Eigenschaft seiner Struktur darstellt und ein zusätzlicher Cofaktor somit
nicht notwendig ist. Der eigentliche Fluorophor des GFP setzt sich aus der
Tripeptidsequenz Ser65-Tyr66-Gly67 zusammen, der sich auto-
katalytisch zum funktionellen Fluorophor oxidiert. Die Effizienz der
Bildung des Fluorophors ist somit eine Funktion seiner Faltungseffizienz
(vgl Essen 2008).
Abbildung 49: eGFP (vgl. Essen 2008).
105 Organische Farbstoffe im Schulunterricht
4.1.3 Solvatochromie und Thermochromie
Solvatochromie
Unter Solvatochromie wird allgemein eine Farbänderung einer Substanz in Lösung verstanden, die
durch einfache Variation der Lösungsmittelpolarität hervorzurufen ist. Dabei kann die
Absorptionswellenlänge auf zweierlei Weise beeinflusst werden.
1) Negative Solvatochromie (Hypsochromie)
Mit zunehmender Polarität des Lösungsmittels kann eine Blauverschiebung hin zu
energiereicheren absorbierten Wellenlängen, in Form der negativen Solvatochromie erzielt
werden.
2) Positive Solvatochromie (Bathochromie)
Andererseits kann eine bathochrome Rotverschiebung hin zu energieärmeren absorbierten
Wellenlängen stattfinden. Dies wird als positive Solvatochromie bezeichnet (Hypsochromer
und Bathochromer Effekt siehe auch 2.3.1.1.1).
Voraussetzung für das Vorhandensein solvatochromen Charakters einer Verbindung ist, dass sich der
Grundzustand und der angeregte Zustand des Moleküls deutlich in deren Polarität unterscheiden. Ist
dies der Fall, werden durch eine Änderung der Polarität der Lösungsmittelmoleküle der Grund- und
der angeregte Zustand unterschiedlich gut stabilisiert. Daraus resultiert eine Änderung der optischen
Bandlücke zwischen dem HOMO und dem LUMO (vgl. Reichardt 2010).
1) Im Falle der negativen Solvatochromie bedeutet dies, dass ein sehr polarer Grundzustand
benötigt wird, welcher durch polare Lösungsmittel stabilisiert und damit energetisch
abgesenkt werden kann. Der angeregte Zustand hingegen ist weitgehend unpolar, sodass
dieser tendenziell sogar destabilisiert wird. Beide Effekte führen dazu, dass der
Energieabstand zwischen dem Grund- und dem angeregten Zustand mit zunehmender
Solvenspolarität wächst und damit zunehmend energiereicheres, d.h. blauverschobenes,
Licht für eine Anregung absorbiert wird.
2) Im Falle der positiven Solvatochromie hingegen ist das Prinzip exakt umgekehrt: Der
unpolare Grundzustand wird mit stärker polaren Lösungsmitteln destabilisiert und der stark
polarisierte angeregte Zustand stabilisiert, was mit einer bathochromen Verschiebung der
Absorptionswellenlänge einhergeht.
106 Organische Farbstoffe im Schulunterricht
Als Beispiel für eine negativ solvatochrome Substanz kann Reichardt’s Reagenz (2,6-Diphenyl-4-
(2,4,6-triphenyl-1-pyridinio)phenolat) herangezogen werden. Reichardt’s Reagenz weist in dem
unpolaren Lösungsmittel Diphenylether ein Absorptionsmaximum im tiefroten Bereich
(λabs(Diphenylether) = 810 nm) und damit eine türkise Farbe auf. Wird die Polarität des
Lösungsmittels hin zu H2O erhöht, verschiebt sich das Absorptionsmaximum hypsochrom ins Blaue
(λabs(H2O) = 453 nm), sodass Reichardt’s Reagenz orange erscheint (vgl. Reichardt 2010).
Als Beispiel für eine positiv solvatochrome Substanz kann der Azofarbstoff N,N-Dimethyl-4-((4-
nitrophenyl)diazenyl)anilin vorgestellt werden (siehe auch in 2.3.1.1.1 und 3.2). Der Azofarbstoff
erscheint in dem unpolaren Lösungsmittel Hexan optisch gelb und besitzt ein Absorptionsmaximum
im blauen Spektralbereich (λabs(Hexan) = 442 nm). Wird die Polarität des Lösungsmittels hin zu DMSO
erhöht, verschiebt sich das Absorptionsmaximum bathochrom ins Grüne (λabs(DMSO) = 502 nm),
sodass der Azofarbstoff violett erscheint (vgl. Reichardt 2010).
An dieser Stelle kann der Videoversuch „Reichardt-Reagenz“ angesehen werden. Das Reagenz ist
nach Prof. Dr. Christian Reichardt (*1934), der an der Philipps-Universität Marburg lehrte. Der
ΔE
Polares Lösungsmittel Unpolares Lösungsmittel Polares Lösungsmittel
Negative Solvatochromie Positive Solvatochromie
Grundzustand
Angeregter Zustand
ΔE ΔE
Polar
Unpolar
Unpolar
Polar
107 Organische Farbstoffe im Schulunterricht
steigende Solvenzpolarität
sinkende Absorptionswellenlänge
Versuch zeigt die unterschiedliche Farbgebung des Reagenz in Aceton, Isopropanol, Ethanol und
Methanol. Mit steigender Solvenzpolarität erhöht sich die Energiedifferenz von Grund- und
angeregtem Zustand, weil der polare Grundzustand sukzessiv besser stabilisiert wird.
Abbildung 50: Reichardt-Reagenz (vgl. Hühn).
Solvatochrome Substanzen können ebenfalls als Indikatoren betrachtet werden.
Thermochromie
Unter Thermochromie wird allgemein eine Farbänderung einer Substanz verstanden, die durch eine
Temperaturveränderung hervorgerufen wird, wobei der Vorgang reversibel ist.
Typische organische Vertreter sind 9,9´-Bixanthyliden und 10,10´-Bianthronyliden. Die Farbänderung
ist hier mit einer Änderung der Molekülstruktur verbunden. Ebenfalls kann der Indikatorfarbstoff
Bromthymolblau (Triphenylmethanfarbstoff) thermochrome Eigenschaften aufweisen, wenn er in
eine pH-abhängige Polymermatrix eingebettet wird. Diese Polymermatrix ändert bei
Temperaturänderung den pH-Wert und bewirkt dadurch einen Farbumschlag des pH-Indikators.
Es sind auch anorganischen Verbindungen bekannt wie Rutil und Zinkoxid, die ihre Farbe bei starkem
Erhitzen von weiß nach gelb ändern.
Thermochrome Substanzen finden ihre Anwendung in Alltagsgegenständen, wie „Zaubertassen“, die
je nach Füllstand und Temperatur des Getränks ihre Farbe oder ein Motiv verändern;
„Stimmungsringe“, die abhängig von der Hauttemperatur ihres Trägers die Farbe wechseln oder
Breilöffel für Kleinkinder, die als Warnsignal rot werden, wenn die Nahrung zu heiß ist.
Technisch können Thermochrome ebenso eingesetzt werden, beispielsweise als Thermolacken. Sie
dienen als Sicherheitsanstriche in der Chemieindustrie um Oberflächentemperaturen abzuschätzen
(vgl. Chemiede).
108 Organische Farbstoffe im Schulunterricht
Photochromie
Unter Photochromie wird allgemein eine Farbänderung einer Substanz verstanden, die durch eine
Bestrahlung von sichtbarem Licht (polychromatisch oder monochromatisch) hervorgerufen wird (vgl.
Banerji). Beispiel hierfür ist das bereits detailliert beschriebene 11-cis-Retinal, welches im Sehsystem
eine Schlüsselfunktion einnimmt. In der Technik werden Photochrome als optische Datenspeicher
eingesetzt (vgl. Banerji).
4.1.4 Funktionelle Farbstoffe in Organismen
Zu funktionellen Farbstoffen in Organismen zählen sowohl das bereits besprochene Rhodopsin im
Sehsystem als auch das Hämoglobin. Hämoglobin ist ein eisenhaltiges Protein, welches in den
Erythrozyten (roten Blutkörperchen) vorkommt und für den Sauerstofftransport im Körper
verantwortlich ist. Die rote Farbe entsteht durch die Häm-Gruppe, an welche jeweils vier
Sauerstoffatome kovalent gebunden werden können.
Häm
Das Chlorophyll der Pflanzen ist dem Häm strukturell ähnlich. Es ist als der grüne Blattfarbstoff
bekannt und nimmt eine wesentliche Rolle der Fotosynthese ein. Die biochemischen Reaktionen der
Fotosynthese sind an Enzyme und Farbstoffe gebunden, die in den Thylakoidmembranen der
Cyanobakterien bzw. der Chloroplasten der Pflanzen liegen. Chlorophyll kommt in Form von
Chlorophyll a oder b vor und zählt allgemein zu den Porphyrinen. Das Grundgerüst aller Porphyrine
besteht aus einem 16-gliedrigen mesomeriestabilisierten Ringsystem als Chromophor. In diesem
Ringsystem sind vier aromatische Pyrrolringe über vier Methinbrücken (=CH-) cyclisch verknüpft. Im
Chlorophyll sind durch die Komplexverbindung des Magnesiumatoms mit den vier Stickstoffatomen
der Pyrrolringe die beiden d-Elektronen von Mg2+ sehr gut anregbar. Die konjugierten
Doppelbindungssysteme des Porphyrinrings können diese Energie kurzzeitig speichern und
weitergeben.
109 Organische Farbstoffe im Schulunterricht
Chlorophyll a R = -CH3
Chlorophyll b R = -CHO
Chlorophyll
Weiterhin sind in der Thylakoidmembran Carotinoide und Xanthophylle enthalten (siehe Abschnitt
3.4). Gemeinsam mit Chlorophyll absorbieren sie Lichtenergie im Spektralbereich des sichtbaren
Lichts. Die Lichtabsorptionsfähigkeit der einzelnen Farbstoffe ist unterschiedlich. Allen gemeinsam ist
eine Absorptionslücke zwischen 500 und 600 nm, also im grünen bis gelben Spektrum. Da in diesem
Bereich das Licht reflektiert wird, erscheinen die Blätter von Pflanzen grün.
Chlorophyll wandelt also Absorptionsenergie in chemische Energie um, die für die Fotosynthese
benötigt wird.
Außerdem hat Chlorophyll fluoreszierende Eigenschaften. Unter UV-Licht fluoresziert es rot.
4.2 Färbungen
Die schöne, bunte Welt der Farben! Vom Menschen eingefärbte Gegenstände – ob mit natürlichen
oder synthetischen Farbstoffen oder Pigmenten – sind häufiger anzutreffen als man denkt. Um
wenige Beispiele zu nennen: Holz, Papier, Baumaterialien, Möbel, Autos, Kunststoffe, Kosmetika,
Leder, Textilien, organismisches Gewebe und vor allem Lebensmittel wie Getränke, Süßigkeiten,
Alkoholische Getränke, Pudding, Nudeln, Fisch und vieles mehr. Zumindest die für Lebensmittel
verwendeten Farbstoffe müssen ökologisch und toxikologisch untersucht sein, Dann werden sie mit
einer E-Nummer ausgestattet. Trotz dessen wird manchen lebensmittelfärbenden Azofarbstoffen
eine negative Auswirkung auf den Körper zugesprochen (vgl. Hermanns 2010: 38).
Im Folgenden erfolgt eine Beschränkung auf die Textilfärbung und die Farbfotografie.
110 Organische Farbstoffe im Schulunterricht
4.2.1 Textilfärbung
Die Färberei lässt sich geschichtlich weit zurückverfolgen. Indigo ist der älteste Textilfarbstoff der
Geschichte und wurde im Alten Ägypten auf Kleidung und Mumienbinden (um 1580 v. Chr.)
entdeckt; ebenso wie in blauen Textilfragmenten in Tell el-Amarna (ca. 1370 v. Chr.). Bis ins 19.
Jahrhundert wurden natürliche, aus Pflanzen isolierte, Farbstoffe wie Indigo aus der Indigopfanze
und Alizarin aus der Krappwurzel zum Färben verwendet. Weiterhin wurde aus den im Mittelmeer
heimischen Purpurschnecken Purpur gewonnen. Purpur ist heute noch einer der teuersten
natürlichen Farbstoffe und war früher dem Kaiser und der katholischen Kirche vorbehalten.
Begründer der synthetisch-organischen Farbstoffindustrie ist William H. Perkin. 1856 synthetisierte
er zufällig und als erster einen organischen Farbstoff: Mauvein (vgl. Baars 2010: 5). 1901 wurde bei
der BASF ein neuer blauer Farbstoff entdeckt: Indanthren-Blau RS. Dieser übertraf Indigo an Wasch-
und Lichtechtheit und verdrängte ihn zunehmend vom Markt. Blue Jeans are made off cotton denim,
and the substance responsible for the blue color, indigo, has been known for at least 4000 years (Levi
Strauss 1829-1902). Levi Strauss, deutscher Industrieller, war Erfinder der historischen Jeanshose und
Begründer der Warenhausmarke Levi’s. (vgl. FdChI 1993: 38) In der Mitte der 1960er Jahre erlebte
Indigo einen erneuten Aufschwung, da Blue-Jeans zur Kultkleidung in Deutschland wurde. Heute
werden Jeans immer noch und altbewährt mit Indigo gefärbt.
Verschiedene Textilfasern decken ein breites Spektrum an chemischen und physikalischen
Eigenschaften ab. Zum Einfärben müssen folglich auch verschiedene Farbstoffklassen eingesetzt
werden. Die Basis aller Färbeprozesse sind Adsorptions- und Diffusionsvorgänge, die von chemischen
Reaktionen begleitet sein können. Bei jeglichen einzufärbenden Fasern handelt es sich um Polymere
(z.B. Baumwolle (Cellulose), Wolle (Proteine)). Deren Einzelketten bilden kristalline und amorphe
Bereiche, wobei die amorphen Bereiche für die Färbung genutzt werden. Die Fixierung des
Farbstoffes auf das Textil hängt vom Farbstoff-Fasersystem ab und kann durch Lösen des Farbstoffes
in der Faser, durch Bildung von kovalenten oder ionischen Bindungen oder durch andere
zwischenmolekulare Wechselwirkungen mit der Faser erfolgen (vgl. FdChI 1993: 40).
Wichtige Voraussetzungen für Textilfarbstoffe sind beispielsweise Lichtechtheit (kein Ausbleichen der
Farbe unter Lichteinfluss), Waschechtheit (kein Auswaschen der Farbe unter Wassereinfluss),
Chlorbleichechtheit und Bügelechtheit. Um dies jederzeit nachprüfen zu können, besitzt jeder
Farbstoff einen vom Hersteller vergebenen Handelsnamen und seinen CI-(Colour Index-)Namen.
Für den Textilmarkt nimmt Baumwolle den größten Stellenwert ein. Deshalb soll diese im Folgenden
näher beleuchtet werden:
111 Organische Farbstoffe im Schulunterricht
Neben weiteren Begleitstoffen besteht Baumwolle zu 82 – 89 % Cellulose und besitzt 7 – 10 %
gebundenes Wasser. Es handelt sich um ein lineares Kondensationspolymer aus D-Glucopyranose-
Einheiten. Diese sind β-1,4-glykosidisch verknüpft. Baumwolle kann mittels vier verschiedener
Farbstoffklassen (Klassifizierung erfolgt nicht nach Chromophoren, sondern nach Färbeverfahren)
gefärbt werden:
Direktfarbstoffe, Entwicklungsfarbstoffe, Küpenfarbstoffe und Reaktivfarbstoffe (vgl. FdChI 1993:
41ff.):
Als Direktfarbstoffe oder substantive Farbstoffe werden solche bezeichnet, die Cellulosefasern
direkt anfärben. Durch ihre mäßige Waschechtheit werden sie nur für Artikel eingesetzt, an die
keine besonderen Echtheitsanforderungen gestellt werden. Der erste direktziehende
Azofarbstoff war Kongorot (siehe Abschnitt 3.2).
Entwicklungsfarbstoffe werden direkt auf der Faser hergestellt, beispielsweise bei einer
Azokupplung. Es können sehr echte Färbungen erzielt werde, da sich auf der Faser unlösliche
Farbstoffe bilden.
Küpenfarbstoffe (beispielsweise das bekannte Indigo) erzielen Färbungen höchster
Farbechtheit. Alle Küpenfarbstoffe stellen ein Redoxsystem dar. Das blaue Indigo ist
wasserunlöslich und wird deshalb zunächst mithilfe des Reduktionsmittels Natriumdithionit
reduziert (Verküpung). Es liegt dann in der reduzierten Leukoform vor, welche in Wasser lösliche
Alkalisalze bilden (Küpensalze). Das lösliche Indigo kann nun auf die Faser ziehen, um späterhin
wieder zum eigentlichen farbgebenden Indigo oxidiert zu werden.
NH
O
NH
O
Indigo
blau
wasserunlöslich
NH
O-
NH
O-
+ 2 Na
Indigo
farblos
wasserlöslich
Reduktion
Oxidation
Beim traditionellen Färben mit natürlichem Indigo werden Baumwolltücher zuerst in das
Färbebad gelegt, welches die lösliche reduzierte Leukoform enthält. Anschließend erfolgt beim
Trocknen auf der Leine im Wind die Reoxidation durch den Luftsauerstoff.
112 Organische Farbstoffe im Schulunterricht
Der Used-Look ist bei der Jeans gewollt unvermeidlich. Der Effekt, dass der Farbstoff an
beanspruchten Stellen schnell ausgerieben wird, ist durch die schlechte Durchfärbung der Garne
und die mangelnde Reibechtheit des Küpenfarbstoffes zu begründen. Küpenfarbstoffe allgemein
werden für Artikel mit Echtheitsanspruch wie Vorhänge, Tischdecken, Handtücher und
Bekleidung verwendet.
Hierzu kann ein Blick auf die Videoversuche „Synthese von Indigo“ und Färben mit Indigo“
geworfen werden.
Reaktivfarbstoffe sind heute mengenmäßig in der Textilindustrie stark vertreten. Sie zeichnen
sich durch ihre einfache Färbetechnik, ihre brillanten Farbtöne und ihre Farbechtheit selbst in
Nässe aus. Sie bilden mit ihren Hydroxygruppen kovalente Bindungen zu Cellulose aus. Als
Reaktivanker dienen Chlortriazin-, Fluortriazin- und Vinylsulfongruppen. Vermehrt werden
hierfür Azofarbstoffe wegen ihrem breiten Farbspektrum verwendet.
Procionbrillantorange GS (Azofarbstoff) ist beispielsweise ein Reaktivfarbstoff:
Procionbrillantorange GS
113 Organische Farbstoffe im Schulunterricht
Übungsaufgabe 8:
Ein anderer Azofarbstoff ist Methylorange:
SO3-
N
NN
Methylorange
N
N N
Buttergelb
Methylorange ist besser wasserlöslich als Buttergelb und färbt Wolltextilien beständiger.
Zum Färben von Polyethenfolien erweist sich Methylorange dagegen als ungeeignet.
Begründen Sie die unterschiedliche Wasserlöslichkeit von Methylorange und Buttergelb
und erklären Sie unter Mitverwendung je eines Formelausschnitts aus der Textilfaser und
einem Polyethenmolekül das beschriebene Färbeverhalten von Methylorange!
Übungsaufgabe 9:
Malachitgrün wird wegen seiner Brillanz sehr geschätzt. Es wurde früher auch zur
Färbung von Wolle verwendet.
C+
NN
Malachitgrün
B
NN
H
Leukomalachitgrün
A
Damit ein Farbstoff auf Textilfasern haftet, müssen Kräfte zwischen den Farbstoff- und
den Fasermolekülen wirken. Stellen Sie anhand geeigneter Molekülabschnitte mögliche
Wechselwirkungen zwischen Malachitgrün und Wolle dar!
114 Organische Farbstoffe im Schulunterricht
4.2.2 Farbfotografie
Die Farbfotografie basiert, ebenso wie die Schwarz-Weiß-Fotografie, auf der Licht-Empfindlichkeit
eines in einer Gelatineschicht kolloidal dispergierten Silberhalogenids (meistens Silberbromid). Um
die Sensibilität im roten Spektralbereich zu erhöhen, werden optische Sensibilisatoren (Polymethine)
hinzugefügt, welche ein breiteres Absorptionsspektrum aufweisen und die aufgenommene Energie
an das daran adsorbierte Silberbromid übertragen (vgl. Püschel 1970).
Beim Belichten des Fotofilms entstehen in nicht sichtbaren Mengen elementare Silberagglomerate,
welche für die anschließende Entwicklung des Fotofilms von entscheidender Bedeutung sind. Das
Bild entsteht durch Eintauchen des Films in eine Entwicklerlösung (ein Reduktionsmittel, z.B.
Hydrochinon), wodurch ausschließlich an den belichteten Stellen AgBr reduziert wird, da die
vorhandenen Silberagglomerate als Katalysatoren für die Hydrochinon-Oxidation benötigt werden.
Nicht umgesetztes Silberbromid wird mit einer Natriumthiosulfatlösung abgewaschen und zurück
bleibt das sogenannte Negativ, da sich an den belichteten, hellen Stellen schwarzes Silber gebildet
hat. Die Umwandlung zum Positiv wird erreicht, indem das Negativ auf eine lichtempfindliche Schicht
gelegt, erneut belichtet und wie beim Entwickeln beschrieben verfahren wird.
Für die Aufnahme eines farbigen Fotos ist es notwendig, in verschiedenen Schichten des Farbfilms
die drei Grundfarben RGB zu erzeugen. Dazu gibt es verschiedene Verfahren (u.a. Kodachrome-,
Farbdiffusions-, Silberfarbbleich-, Technicolor-Verfahren), wovon im Folgenden die gängigste,
chromogene Methode diskutiert werden soll. Es werden drei verschiedene Farbschichten benötigt,
welche über so genannte Farbkuppler blaues, grünes und rotes Licht absorbieren und jeweils durch
eine Sperrschicht räumlich voneinander getrennt sind. Der Aufbau sieht dementsprechend wie folgt
aus: Die oberste Schicht ist die blauempfindliche Schicht mit eingelagertem Gelbkuppler, gefolgt von
einem Blaufilter, sodass kein höherenergetisches Licht in die unteren Schichten vordringen kann.
Anschließend folgen die grünempfindliche Schicht mit Magentakuppler und die rotempfindliche
Schicht mit Cyankuppler.
115 Organische Farbstoffe im Schulunterricht
Die Kuppler stellen dabei Vorstufen von Farbstoffen dar, die im Entwicklungsprozess mit dem durch
das Silberion oxidierten Entwickler, in diesem Fall p-Phenyldiamin-Derivate, elektrophil zu den
entsprechenden Farbstoffen reagieren. Dabei findet diese Reaktion erneut nur an den belichteten
Stellen mit katalytisch aktiven Silberagglomeraten statt (vgl. Püschel 1970).
Folgende Darstellung zeigt die Oxidation des Entwicklers zum kuppelnden Elektrophil, welches mit
dem Farbkuppler zum Farbstoff reagiert.
5 Zusammenfassung
Rückblickend auf den Verlauf dieser Arbeit soll eine kurze Zusammenfassung die Inhalte wiedergeben
und die wichtigsten Aspekte nochmals herausgreifen. Prinzipiell wurde der Überlegung
nachgegangen welche Aspekte bei Betrachten eines farbigen Gegenstandes wesentlich dafür sind:
Sonnenlicht trifft auf einen Gegenstand und gelangt von dort aus in das unser Auge. Was passiert auf
dem Weg von der Sonne bis ins Auge? Beginnend mit der Fragstellung was Licht überhaupt ist, wurde
zunächst das Elektromagnetische Spektrum betrachtet und Versuche angestellt Licht physikalisch zu
beschreiben. Dafür wurde der Welle-Teilchen-Dualismus des Lichts beleuchtet, der dem Licht sowohl
Schutzschicht
Gelbkuppler (empfindlich für blau)
Gelbfilter
Magentakuppler (empfindlich für grün)
Cyankuppler (empfindlich für rot)
Schichtträger
Abbildung 51: Schematischer Aufbau eines Farbfilms.
116 Organische Farbstoffe im Schulunterricht
Wellen- als auch Teilchencharakter zuspricht. Dieses Modell wurde anhand zwei allgemeingültiger
Versuche vorgestellt. Die Fragestellung was Licht ist wurde mit einem weiteren Gedankengang,
nämlich der Fragestellung was Farbe überhaupt ist und wie sie sich zusammensetzt, erweitert. Dazu
wurden zwei Farbmischungssysteme und deren praktische Anwendung vorgeführt. Weiterhin wurde
durch einen Exkurs in die Biologie das menschliche Auge und das Rätsel um das Farbensehen und die
Farbwahrnehmung vorgestellt. Nun fehlt noch der Aspekt, was mit dem Licht am bzw. im
Gegenstand selbst geschieht. Dazu wurden Farbstoffe auf ihre molekulare Struktur untersucht. Die
Lichtabsorption konnte anhand dreier Theorien zur Entstehung der Farbigkeit erklärt werden.
Zusätzlich wurde die Farbigkeit farbiger anorganischer Komplexverbindungen analysiert. Um eine
weitere Wechselwirkung zwischen Materie und Licht aufzugreifen, wurde die Lichtemission am
Beispiel der Fluoreszenz und Phosphoreszenz, die sowohl im Alltag als auch in der Organischen
Chemie und in der Forschung eine wichtige Rolle spielen. Desweiteren folgte eine Einführung in eine
mögliche Klassifizierung von Farbstoffklassen. Es wurden die Triphenylmethanfarbstoffe, die
Azofarbstoffe, die Polymethinfarbstoffe und die in Pflanzen sehr häufig vorkommenden Anthocyane
vorgestellt. Als dritter und letzter Punkt dieser Arbeit wurde in wenige Anwendungsbereiche
„geschnuppert“. So wurden vor allem funktionelle Farbstoffe beleuchtet. Da die Textilfärbung
erfahrungsgemäß großen Raum einer Unterrichtseinheit im Chemieunterricht einnimmt, wurde
ebenfalls auf diesen Aspekt, im speziellen auf die Küpenfärbung mit Indigo eingegangen.
Insgesamt sollen die Anmerkungen in den farbig unterlegten Feldern Hilfe für den Gebrauch in der
Schule darstellen.
„Die Farbe ist der Ort, wo unser Gehirn und das Weltall sich begegnen.“2
Paul Cézanne (1839 - 1906), französischer Maler
2 vgl. Schefter 2013; ebenso wie auf Seite I
117 Organische Farbstoffe im Schulunterricht
6 Anhang
Lösungen Übungsaufgabe 1 (Abituraufgabe Bayern 2012)
Triphenylmethanfarbstoffe werden vor allem zum Färben von Papier, zur Herstellung von Tinten,
Kohlepapier, Farbbändern und als Kosmetik-, Lebensmittel- und Mikroskopierfarben eingesetzt.
Der Farbstoff Thymolphthalein liegt je nach pH-Wert entweder in der Lactonform oder in der
chinoiden Form vor.
Lactonform chinoide Form
Ordnen Sie den beiden Kurven die jeweilige Thymolphthalein-Struktur (Lactonform bzw. chinoide
Form) zu, begründen Sie Ihre Aussage auf Basis der jeweiligen Molekülstruktur und leiten Sie mithilfe
der angegebenen Tabelle die Farbe der beiden Thymolphthalein-Formen ab!
Die durchgezogene Kurve mit einem Absorptionsmaximum im sichtbaren Bereich kann der chinoiden
Form zugeordnet werden, da nur in diesem Fall die Elektronen über das Molekül delokalisiert werden
können.
118 Organische Farbstoffe im Schulunterricht
Der Zusammenhang zwischen Molekülstruktur und Farbigkeit ist direkt über den Grad der
Delokalisation der Elektronendichte gegeben. Je besser die Elektronen über das gesamte Molekül
delokalisiert sind und je größer das Molekül ist, desto langwelliger ist die Absorption der Verbindung.
Ist keine Delokalisation möglich, wird lediglich im hochenergetischen UV-Bereich des Lichtspektrums
absorbiert. Deshalb erscheint die Lactonform farblos, da keine Absorption im sichtbaren Bereich
stattfinden kann (gestrichelte Absorptionskurve). Die chinoide Form hingegen zeigt ein
Absorptionsmaximum bei etwa 600 nm, d.h. der orangefarbene Bereich des Lichts wird
herausgefiltert und die Verbindung erscheint in der zu Orange komplementären Farbe Blau.
Lösung Übungsaufgabe 2 (Abituraufgabe Bayern 2013)
Ermitteln Sie mithilfe des Farbkreises, in welchem Wellenlängenbereich ein gelber Azofarbstoff das
Licht absorbiert, und skizzieren Sie ein entsprechendes Absorptionsspektrum!
Ein gelber Azofarbstoff absorbiert Licht der Komplementärfarbe von gelb, also blau, was in einem
Wellenlängenbereich von 440-480 nm liegt. Das Maximum der Absorption des Azofarbstoffs liegt
demnach in diesem Bereich.
119 Organische Farbstoffe im Schulunterricht
Lösungen Übungsaufgabe 3 (Abituraufgabe Bayern 2005 GK)
Bis 1934 wurde der Farbstoff Buttergelb zum Anfärben von Margarine verwendet:
N
N NH2
*
Die Bezeichnung "Buttergelb" weist auf die Eigenfarbe der Verbindung hin. Diskutieren Sie an diesem
Beispiel ausführlich den Zusammenhang zwischen Molekülstruktur und Farbigkeit!
Grenzstrukturformeln sind nicht erforderlich.
Der Zusammenhang zwischen Molekülstruktur und Farbigkeit ist direkt über den Grad der
Delokalisation der Elektronendichte gegeben. Je besser die Elektronen über das gesamte Molekül
delokalisiert sind und je größer das Molekül ist, desto langwelliger ist die Absorption der Verbindung.
Dies ist besonders bei Aromaten möglich, die über N=N-Gruppen miteinander verknüpft sind.
Darüber hinaus wird das Absorptionsmaximum umso weiter zu höheren Wellenlängen verschoben, je
mehr Gruppen mit +M-Effekt, wie der N(CH3)2-Gruppe, in dem Molekül vorhanden sind.
Im Labor wird in das Molekül an der mit * gekennzeichneten Position eine antiauxochrome Gruppe
eingeführt. Erklären Sie unter Zuhilfenahme geeigneter Strukturformeln den Einfluss der von Ihnen
gewählten Gruppe auf die Farbigkeit des Stoffes!
Eine antiauxochrome Gruppe wie die Nitrogruppe würde eine bathochrome Verschiebung der
Absorptionswellenlänge, d. h. hin zu größeren Wellenlängen, hervorrufen, da die Elektronen durch
den –M-Effekt der Nitrogruppe in Kombination mit dem +M-Effekt der N(CH3)2-Gruppe noch besser
delokalisiert werden.
120 Organische Farbstoffe im Schulunterricht
Lösungen Übungsaufgabe 4 (Abituraufgabe Bayern 2012)
Entscheidend für die Farbe eines Farbstoffes ist die Struktur seiner Moleküle. Aus dem farblosen
Phenol kann man durch Einführen dreier jeweils gleicher Substituenten am C2-, C4 und C6-Atom einen
Farbstoff erhalten. Folgende Substituenten stehen zur Auswahl:
Nitrogruppe
Aminogruppe
Hydroxygruppe
Erläutern Sie unter Mitverwendung von Grenzstrukturformeln, welcher der drei Substituenten die
oben beschriebene Änderung der Farbe ermöglicht!
Von den drei aufgeführten Substituenten wird die Nitrogruppe das farblose Phenol in das farbige
(gelbes) 2,4,6-Trinitrophenol (Pikrinsäure) verwandeln. Dieser Effekt beruht auf der Eigenschaft der
Nitro-Gruppe als antiauxochrome Gruppe, die die Farbigkeit des bereits vorhandenen Hydroxy-
Chromophors verstärkt. Dabei fördert die antiauxochrome, d.h. mit einem –M-Effekt versehene
Nitro-Gruppe, die Delokalisation der Elektronen über das Molekül, da dadurch der +M-Effekt der
Hydroxygruppe verstärkt wird.
121 Organische Farbstoffe im Schulunterricht
Lösungen Übungsaufgabe 5 (Abituraufgabe Bayern 2004 LK)
Die folgende Abbildung (Querformat) zeigt die Absorptionsspektren von drei Farbstofflösungen. Von
links nach rechts: 4-Nitrophenolat, Methylorange in saurem Milieu und Bromkresolgrün in
alkalischem Milieu.
Erörtern Sie anhand der gegebenen Farbstoffbeispiele den Zusammenhang zwischen Molekülstruktur
und Lage der Absorptionsmaxima λmax!
Anhand der gegebenen Farbstoffbeispiele kann man sehr schön den Zusammenhang zwischen dem
Grad der Delokalisation der Elektronendichte über das gesamte Molekül und der
Absorptionswellenlänge des Moleküls sehen. Je besser die Elektronen delokalisiert sind, desto
langwelliger ist die Absorption der Verbindung. Dies kann man daran erkennen, dass die Elektronen
mittels mesomerer Grenzstrukturen im Falle des gelben 4-Nitrophenolats lediglich über einen
Benzolring und im Falle des purpurnen Methyloranges sowie des blauen Bromkresolgrüns über zwei
Benzolringe delokalisiert werden können, weshalb 4-Nitrophenolat die am blauverschobenste
Absorptionswellenlänge zeigt (siehe Abbildung).
Darüber hinaus wird das Absorptionsmaximum λmax umso weiter zu höheren Wellenlängen
verschoben, je mehr Gruppen mit +M-Effekt in dem Molekül vorhanden sind. So sind im Falle des
Bromkresolgrüns mit insgesamt vier Brom-, zwei Methyl- und zwei Sauerstoffsubstituenten deutlich
mehr +M-Donoren als im Falle des Methyloranges und des 4-Nitrophenolats vorhanden, weshalb
Bromkresolgün die am rotverschobenste Absorptionswellenlänge zeigt.
122 Organische Farbstoffe im Schulunterricht
Beschreiben Sie die Auswirkung auf die Lage des Absorptionsmaximums λmax, wenn die Lösung von 4-
Nitrophenolat angesäuert wird! Begründen Sie Ihre Aussage!
Die Ansäuerung einer Lösung von 4-Nitrophenolat wird die zuvor gelbe Lösung entfärben, da die
deprotonierte Hydroxylgruppe im 4-Nitrophenolat ein deutlich besserer +M-Donor ist als die
protonierte Hydroxylgruppe im 4-Nitrophenol. Das Absorptionsmaximum wird demnach durch die
schlechtere Delokalisation der Elektronen zu kleineren Wellenlängen (ins Blaue) verschoben (im Fall
des 4-Nitrophenols in den UV-Bereich weshalb die Lösung farblos erscheint).
Lösungen Übungsaufgabe 6 (Abituraufgabe Bayern 2004 GK)
Malachitgrün wird wegen seiner Brillanz sehr geschätzt. Es wurde früher auch zur Färbung von Wolle
verwendet. Durch Kondensation von zwei Molekülen Dimethylanilin und einem Molekül Benzaldehyd
(C6H5CHO) entsteht zunächst das farblose Leukomalachitgrün (A). Durch Oxidation geht dies in
Malachitgrün (B) über. In saurer Lösung wird Malachitgrün gelb (C).
C+
NN
Malachitgrün
B
NN
H
Leukomalachitgrün
A
123 Organische Farbstoffe im Schulunterricht
Geben Sie die Strukturformelgleichung für die Herstellung von Leukomalachitgrün an!
Geben Sie für das Malachitgrün-Kation zwei weitere mesomere Grenzformeln an und diskutieren Sie
am Beispiel des Farbstoff-Moleküls (B), seiner farblosen (A) und seiner gelben (C) Form ausführlich
den Zusammenhang zwischen Molekülbau und Farbigkeit!
Der Zusammenhang zwischen Molekülstruktur und Farbigkeit ist direkt über den Grad der
Delokalisation der Elektronendichte gegeben. Je besser die Elektronen über das gesamte Molekül
delokalisiert sind und je größer das Molekül ist, desto langwelliger ist die Absorption der Verbindung.
Im Falle des Leukomalachitgrüns (A) ist eine Delokalisation aufgrund des protonierten zentralen
Kohlenstoffatoms unmöglich. Erst nach Oxidation zum Malachitgrün ist eine Delokalisation, wie in
den mesomeren Grenzfomeln gezeigt, möglich. Dabei ist die Delokalisation über das gesamte
Molekül ausgeprägt und daher wird eine sehr langwellige Wellenlänge (rot) absorbiert, sodass die
Verbindung in dessen Komplementärfarbe grün erscheint. Wird der Grad der Elektronen-
Delokalisation in saurem Milieu durch Protonierung des zweiten Aminsubstituenten eingeschränkt,
wird die Absorption zu höherenergetischen Wellenlängen verschoben (blau-violett) und das
Malachitgrün erscheint gelb.
124 Organische Farbstoffe im Schulunterricht
Lösung Übungsaufgabe 7 (Abituraufgabe Bayern 2013)
Aromatische Stickstoffverbindungen dienen als Ausgangssubstanzen für die Synthese von
Azofarbstoffen. Der Farbstoff Dispersionsorange 3 wurde lange zur Färbung von Textilfasern
eingesetzt, bis sein Allergie auslösendes Potenzial entdeckt wurde.
N
N NH2
N+
O-
O
Für die Herstellung von Dispersionsorange 3 ist nur eines der folgenden Eduktpaare geeignet:
Edukt A Edukt B
I 1,4-Diaminobenzol Nitrobenzol
II 1-Amino-4-nitrobenzol Anilin (Aminobenzol)
III Nitrobenzol Anilin (Aminobenzol)
Zeichnen Sie die Strukturformeln der angegebenen Edukte, geben Sie an, welches Eduktpaar zur
Herstellung von Dispersionsorange 3 geeignet ist, und erläutern Sie Ihre Aussage!
Es ist lediglich das Eduktpaar 2 geeignet, da die Reaktion zum Dispersionsorange 3 über folgenden
Mechanismus verläuft: Im ersten Schritt wird das 1,-Amino-4-nitrobenzol einfach diazotiert. Dieses
kann das elektronenreiche Anilin in einer elektrophilen Substitutionsreaktion angreifen und das
gewünschte Produkt entsteht.
125 Organische Farbstoffe im Schulunterricht
Als einzige Alternative würde das Eduktpaar 1 zum Produkt führen, in diesem Fall würde die
elektrophile Substitution am elektronenarmen Nitrobenzol jedoch nicht ablaufen:
Lösungen Übungsaufgabe 8 (Abituraufgabe Bayern 2005 GK)
Ein anderer Azofarbstoff ist Methylorange:
SO3-
N
NN
Methylorange ist besser wasserlöslich als Buttergelb und färbt Wolltextilien beständiger. Zum Färben
von Polyethenfolien erweist sich Methylorange dagegen als ungeeignet. Begründen Sie die
unterschiedliche Wasserlöslichkeit von Methylorange und Buttergelb und erklären Sie unter
Mitverwendung je eines Formelausschnitts aus der Textilfaser und einem Polyethenmolekül das
beschriebene Färbeverhalten von Methylorange!
Methylorange ist deutlich besser wasserlöslich als Buttergelb, da es mit dem Natriumsalz der
Sulfonsäuregruppe eine sehr hydrophile Seitengruppe aufweist, welche stark die Löslichkeit in
Wasser erhöht. Buttergelb hingegen weist lediglich unpolare Seitengruppen auf und ist daher
schlechter wasserlöslich.
126 Organische Farbstoffe im Schulunterricht
Eine Wollfaser besteht aus einem (Poly)Peptid, welches freie Aminogruppen aufweist, die in einer
Reaktion mit der Sulfonsäuregruppe des Methyloranges den Farbstoff kovalent an die Faser binden
(Direktfärbeverfahren).
Polyethen hingegen ist ausschließlich ein langkettiger, unpolarer Kohlenwasserstoff, der keine
Möglichkeit hat mit Methylorange zu reagieren bzw. selbst über Wasserstoffbrückenbindungen den
Farbstoff an Polyethen zu binden.
Lösungen Übungsaufgabe 9 (Abituraufgabe Bayern 2004 GK)
Damit ein Farbstoff auf Textilfasern haftet, müssen Kräfte zwischen den Farbstoff- und den
Fasermolekülen wirken. Stellen Sie anhand geeigneter Molekülabschnitte mögliche
Wechselwirkungen zwischen Malachitgrün und Wolle dar!
Eine Wollfaser besteht aus einem (Poly)Peptid, welches freie Carboxylgruppen aufweist, die mit der
Dimethylamin-Gruppe des Malachitgrüns über Wasserstoffbrückenbindungen den Farbstoff an die
Faser binden.
127 Organische Farbstoffe im Schulunterricht
7 Literaturverzeichnis
Atkins, P. / de Paula, J. (2006): Physikal Chemistry. 8th Edition, New York: W.H. Freeman and
Company.
Baars, G. (2010): Phenylpolyenale. In: Praxis der Naturwissenschaften - Chemie in der Schule. Heft
8/59.
Bäker, M.(2013): Hier wohnen Drachen. Science Blogs - Wissenschaft, Kultur, Politik. Online
verfügbar: http://scienceblogs.de/hier-wohnen-drachen/wp-content/blogs.dir/69/files/2012/07/i-
b61b31ccd160d4a7b5f81f4f19b3b869-Cone-response.png (20.11.2013). (Abbildung 16)
Banerji, A. / Tausch, M. (2010): Funktionelle Farbstoffe. In: Praxis der Naturwissenschaften -
Chemie in der Schule. Heft 8/59.
Bautsch, C. (2008): Farbstoffe. Heidelberg. Online verfügbar: http://www.bautschweb.de/
chemie/kristallviolett/kristallviolett.htm (20.11.2013).
Brandl, H. / Weiß, D. (2013): Fluoreszenzfarbstoffe in der Natur. In: Chemie in unserer Zeit. Heft
47. S. 50-54.
Braun, N. (2009): Rotkohl oder Blaukraut. Experimente Unterricht Chemie. Online verfügbar:
http://www.norbertbraun.ch/index.php?id=372 (20.11.2013).
Bresien, J. (2010): Farbskala für den Rotkohlindikator. Rostock. Online verfügbar:
http://dblay.de/extra/farbskala-rotkohlindikator (20.11.2013). (Abbildung 49)
Briviba, K. / Rechkemmer, G. / Watzl, B.(2002): Anthocyane. In Ernährungs-Umschau. Basiswissen
aktualisiert. Heft 4. Karlsruhe. Online verfügbar: http://www.mri.bund.de/fileadmin/Institute/PBE/
Sekundaere_Pflanzenstoffe/Anthocyane.pdf (20.11.2013).
Bröckel, J. (2010): Fluoreszenz. Didaktik der Chemie. Universität Bayreuth. Online verfügbar:
http://daten.didaktikchemie.uni-bayreuth.de/umat/fluoreszenz/fluoreszenz.htm (20.11.2013).
(Abbildung 38, 39)
Bub, A. / Watzl, B. (2001): Carotinoide. In Ernährungs-Umschau. Basiswissen aktualisiert. Heft 2.
Karlsruhe. Online verfügbar: http://www.mri.bund.de/fileadmin/Institute/PBE/
Sekundaere_Pflanzenstoffe/carotinoide.pdf (20.11.2013).
Burggräf, V. (2010): Doppelspalt mit Einzelphotonen. Carl von Ossietzky Universität Oldenburg:
Institut für Physik. Online verfügbar: http://vlex.physik.uni-oldenburg.de/47386.html (20.11.2013).
128 Organische Farbstoffe im Schulunterricht
Carl von Ossietzky Universität Oldenburg: Laser. Online verfügbar: http://vlex.physik.uni-
oldenburg.de/ona_dspalt_html_39640dde.jpg und http://vlex.physik.uni-oldenburg.de/
ona_dspalt_html_m693c8d30.png (20.11.2013). (Abbildung 9)
ChemgaPedia (2013): DNA-Schäden. Berlin: Wiley-VCH. Online verfügbar:
http://www.chemgapedia.de/vsengine/vlu/vsc/de/ch/5/bc/vlus/dna_schaeden.vlu/Page/vsc/de/ch/
5/bc/dna_schaeden/exogene_faktoren/strahlenschaeden/uv_schaeden.vscml.html (20.11.2013).
ChemgaPedia (2013): Isoprenoid-Synthese. Berlin: Wiley-VCH. Online verfügbar:
http://www.chemgapedia.de/vsengine/vlu/vsc/de/ch/5/bc/vlus/chemical_pathways/mep_weg.vlu.h
tml (20.11.2013).
ChemgaPedia (2013): Nachweis von Nitrat. Berlin: Wiley-VCH. Online verfügbar:
http://www.chemgapedia.de/vsengine/vlu/vsc/de/ch/6/ac/versuche/anionen/_vlu/nitrat.vlu/Page/v
sc/de/ch/6/ac/versuche/anionen/nitrat/nachweis.vscml.html (20.11.2013).
Chemie.de (2012): Bathochromer Effekt. Berlin. Online verfügbar:
http://www.chemie.de/lexikon/Bathochromer_Effekt.html (20.11.2013).
Chemie.de (2012): Thermochromie. Berlin. Online verfügbar:
http://www.chemie.de/lexikon/Thermochromie.html (20.11.2013).
DocCheck Flexikon: Kristallviolett. Köln. Online verfügbar:
http://flexikon.doccheck.com/de/Kristallviolett (20.11.2013).
Erbrecht, R / Felsch, M. / König, H. / Kricke, W. / Martin, K. / Pfeil, W. / Winter, R. / Wörstenfeld,
W. (2008): Das große Tafelwerk interaktiv – Formelsammlung für die Sekundarstufen I und II. 1.
Auflage. 12. Druck. Berlin: Cornelsen Verlag. S. 122.
Essen, L (2008): Skriptum zum Biochemischen Praktikum für Studierende des Lehramt. Philipps-
Universität Marburg.
Fonds der Chemischen Industrie im Verband der Chemischen Industrie FdChI (1993):Farbstoffe
und Pigmente. Textheft, aktualisierte Neuauflage der Erstausgabe, Frankfurt.
Franke, A.: Organmodell Deutschland. Ottmannshausen. Online verfügbar:
http://www.organmodelle.de/fcnt/organmodelle/augenmodell/skizze/Auge1.JPG (20.11.2013).
(Abbildung 17)
Funk, G. (2009): Das geräteabhängige RGB-Farbmodell. Digital Media For Artists. Kunst Universität
Linz. Online verfügbar:
http://www.dma.ufg.ac.at/app/link/Grundlagen%3AAllgemeine/module/16579 (20.11.2013).
129 Organische Farbstoffe im Schulunterricht
Funk, G. (2009): Das geräteabhängige RGB-Farbmodell. Digital Media For Artists. Kunst Universität
Linz. Online verfügbar: http://www.dma.ufg.ac.at/assets/16579/intern/rgb.jpg (20.11.2013).
(Abbildung 15)
Grössing, G.: Wasser als Vor-Bild zur Naturforschung. Wien: Austrian Institute for Nonlinear
Studies. Online verfügbar: http://www.nonlinearstudies.at/gg_WasserVorbild_D.php (20.11.2013).
Grössing, G.: Wasser als Vor-Bild zur Naturforschung. Wien: Austrian Institute for Nonlinear
Studies. Online verfügbar: http://www.nonlinearstudies.at/images/gg_wasser_05b.jpg (20.11.2013).
(Abbildung 7, 8)
Haas, R.: Gammaastronomie. Marburg. Online verfügbar: http://www.r-haas.de/v10.html
(20.11.2013).
Heinrich Heine Universität Düsseldorf (2013): Elektromagnetisches Spektrum und sichtbares Licht.
Online verfügbar: http://www.uni-duesseldorf.de/MathNat/Biologie/Didaktik/Fotosynthese_neu/
dateien/licht/bilder/licht.jpg (20.11.2013). (Abbildung 3)
Helmich, U. (2011): Retinal/Retinol-Zyklus. Rahden. Online verfügbar: http://www.u-helmich.
de/bio/neu/2/23/233/vertiefung233-1.html (20.11.2013).
Hermanns, J. (2010): Azofarbstoffe. In: Praxis der Naturwissenschaften - Chemie in der Schule.
Heft 8/59.
Hessisches Kultusministerium (2010): Lehrplan Chemie G8. Online verfügbar:
http://verwaltung.hessen.de/irj/HKM_Internet?cid=ac9f301df54d1fbfab83dd3a6449af60
(20.11.2013).
Hilscher, H. (1992): Didaktik der Physik II – Skriptum zur Vorlesung. Regensburg. Online verfügbar:
https://www.uni-augsburg.de/studium/vertretung/fsphysik/studium/Skripte/Didaktik_der_
Physik_1.pdf (20.11.2013).
Höhn, L. / Harsch, G. (2010): Der Küpenfarbstoff Indigo – gestern und heute. In: Praxis der
Naturwissenschaften - Chemie in der Schule. Heft 8/59.
Hollemann, A. / Wiberg, N. (2007): Lehrbuch der Anorganischen Chemie. 102. Auflage. Berlin:
Walter de Gruyter.
Hühn, J. / Schrimpf, A. (2013): Videoversuche. (Abbildung 22, 23, 44)
Kabuß, S. (1999): Radieschenindikator. In Chemkon. Ausgabe 6/1. Heft 59.
130 Organische Farbstoffe im Schulunterricht
Kasper, R. (2009): Optimierung von photophysikalischen Eigenschaften organischer Farbstoffe zur
Auflösungserhöhung. Dissertation. Bielefeld.
Lichtscheidl, I. (2013): Lichtmikroskopie online – Theorie und Anwendung. Universität Wien.
Online verfügbar: http://www.univie.ac.at/mikroskopie/1_grundlagen/optik/wellenoptik/
2_welleneigenschaften.htm (20.11.2013).
Meier, H. (1963): Organische Chemie in Einzeldarstellungen – Die Photochemie der organischen
Farbstoffe. Berlin. Springer Verlag.
Meindl, W. (2013): Planet Schule. Südwestrundfunk. Online verfügbar: http://www.planet-
schule.de/typo3temp/pics/b980f2b8ea.jpg (20.11.2013). (Abbildung 18)
Meyers, E. (2013): Die Entstehung der chemischen Industrie und das Zeitalter der Farben.
Ludwigshafen. Online verfügbar: http://www.basf.com/group/corporate/de_DE/about-
basf/history/1865-1901/index (20.11.2013).
Mittelmaier, J. (2009): Phosphoreszenz. Didaktik der Chemie. Universität Bayreuth. Online
verfügbar:http://daten.didaktikchemie.uni-bayreuth.de/umat/phosphoreszenz/phosphoreszenz.htm
(20.11.2013). (Abbildung 42, 43)
Mortimer, C. (2007): Chemie – Das Basiswissen der Chemie. 9. Auflage. Stuttgart: Thieme.
Omikron (2001): Methylenblau. Chemikalien und Laborgeräte online. Online verfügbar:
http://www.chemikalienlexikon.de/cheminfo/0379-lex.htm (20.11.2013).
Pelikan Vertriebsgesellschaft: Pelikan Tintenlöschstifte. Hannover. Online verfügbar:
http://www.pelikan.com/pulse/Pulsar/de_DE.CMS.displayCMS.115743./tintenkiller-historischer-
ueberblick-lehrer-aktion-september-2003 (20.11.2013).
Pilgrim, C. (2008): Skriptum für das Praktikum Physikalische Chemie für Studierende des Lehramts
der Philipps Universität Marburg – Versuchsbeschreibung.
Püschel, W. (1970): Die Farbphotographie. In Chemie in unserer Zeit. Ausgabe 4. Heft 1. S. 9-15.
Reichardt, C. / Welton, T. (2010): Solvents and Solvent Effects in Organic Chemistry. 4th Edition.
Weinheim: Wiley-VCH.
Reininger, V. / Schubert, V.: ChemgaPedia. Online verfügbar:
http://www.chemgapedia.de/vsengine/vlu/vsc/de/ch/11/aac/vorlesung/kap_10/vlu/indikatoren_da
rst.vlu/Page/vsc/de/ch/11/aac/praktikum/indikatoren/methylorange.vscml.html (20.11.2013).
(Abbildung 46, 47, 48)
131 Organische Farbstoffe im Schulunterricht
Röder, T. (1999): Farbe und Farbigkeit. In: Farbstoffe. Naturwissenschaften im Unterricht Chemie.
Ausgabe 4/99. Heft 52.
Rudolf, H. (2010): Farben im Webdesign. Essen. Online verfügbar:
http://www.metacolor.de/subtraktiv.htm (20.11.2013).
Schefter, T. (2013): Aphorismen, Zitate, Sprüche und Gedichte. Online verfügbar:
http://www.aphorismen.de/suche?f_thema=Farbe (20.11.2013).
Schlegel, O. / Ducci, M. / Herriger, C. (2010): Magische Stifte. In: Praxis der Naturwissenschaften -
Chemie in der Schule. Heft 8/59.
Seilnacht, T.(I): Bromthymolblau. Didaktik der Naturwissenschaft. Bern. Online verfügbar:
http://www.seilnacht.com/Chemie/ch_bthym.htm (20.11.2013).
Seilnacht, T.(II): Pheolphthalein. Didaktik der Naturwissenschaft. Bern. Online verfügbar:
http://www.seilnacht.com/Chemie/ch_pheth.htm (20.11.2013).
Seilnacht, T.(III): Methylorange. Didaktik der Naturwissenschaft. Bern. Online verfügbar:
http://www.seilnacht.com/Chemie/ch_moran.htm (20.11.2013).
Triebel, H.-D. (2005): Kompaktwissen Biologie Abitur – Zellen und Stoffwechsel, Nerven, Sinne und
Hormone, Ökologie. Freising: Stark-Verlag.
Universitäts- und Landesbibliothek Sachsen Anhalt ULB (2009): Online-Hochschulschriften.
Dissertationen. Farbstoffbildungsreaktionen. Online verfügbar: http://sundoc.bibliothek.uni-
halle.de/diss-online/98/99H017/t4.pdfhttp://sundoc.bibliothek.uni-halle.de/diss-
online/98/99H017/t4.pdf (20.11.2013).
Vollhardt, P. / Schore , N. (2005): Organische Chemie. 4. Auflage. Weinheim: Wiley-VCH.
Weber, U. (Hrsg.)(2001):Biologie Oberstufe – Gesamtband. 1. Auflage. Berlin: Cornelsen Verlag.
Weckner, A.(2013): face2image – Farbenlehre. Wolfenbüttel. Online verfügbar:
http://www.face2image.de/Tutorial_ Farbenlehre.html (20.11.2013).
Weckner, A.: face2image – Farbenlehre. Wolfenbüttel. Online verfügbar:
http://www.face2image.de/Additive_Farbmischung_ferti.jpg (20.11.2013). (Abbildung 14, 21)
Wedler, G. (2004): Lehrbuch der Physikalischen Chemie. 5. Auflage. Weinheim: Wiley-VCH.
132 Organische Farbstoffe im Schulunterricht
Weller, D.: Additive Farbmischung. Landesakademie für Fortbildung und Personalentwicklung an
Schulen. Esslingen. Online verfügbar: http://lehrerfortbildung-bw.de/kompetenzen/gestaltung/
farbe/physik/additiv/ (20.11.2013).
Weiß, D. (2012): Lumineszenz. Online verfügbar: http://www.chemie.uni-
jena.de/institute/oc/weiss/lumineszenz.htm (20.11.2013).
Welsch, N. / Liebmann, C. (2012): Farben – Natur Technik Kunst. 3. Auflage. Heidelberg: Spektrum
Akademischer Verlag.
Wiechoczek, D. (2009): Phenolphthalein-Molekül in stark saurem Milieu. In Blumes Bildungsserver
Chemie. Berlin. Online verfügbar: http://www.chemieunterricht.de/dc2/phph/phen-stark-sauer.htm
(20.11.2013).
Wiechoczek, D. (2012): Eosin. In Blumes Bildungsserver Chemie. Berlin. Online verfügbar:
http://www.chemieunterricht.de/dc2/tip/09_03-01.htm (20.11.2013).
Wiechoczek, D. (2013): Warum wird im Herbst das Laub bunt und braun? In Blumes
Bildungsserver Chemie. Berlin. Online verfügbar: http://www.chemieunterricht. de/dc2/tip/
10_03.htm (20.11.2013).
Wolf, M. (2003) Triphenylmethanfarbstoffe. Didaktik der Chemie. Universität Bayreuth. Online
verfügbar: http://daten.didaktikchemie.uni-bayreuth.de/umat/farbstoffe1/triphenylmethan.htm
(20.11.2013).
Wollrab, A. (2009): Organische Chemie. 3. Auflage. Heidelberg: Springer-Verlag.
Wünsch, B. (2013): Praktikum Arzneimittelanalytik. Westfälische Wilhelms-Universität Münster.
Online verfügbar: http://www.wwu.de/imperia/md/content/pharmaz_und_med_chemie/
studieren/semester/8semester/ss_2011/farbreaktionen.pdf (20.11.2013).
8 Abbildungsverzeichnis
Abbildung 1: Spektrum elektromagnetischer Strahlung (vgl. Atkins 2006: 244). ................................... 7
Abbildung 2: Newtons Prismenversuche (vgl. Welsch 2012: 294). ......................................................... 8
Abbildung 3: Kontinuierliches Spektrum sichtbaren Lichts (vgl. Universität Düsseldorf 2013). ............. 9
Abbildung 4: Wellenbeschreibung. ....................................................................................................... 13
Abbildung 5: Konstruktive Interferenz. ................................................................................................. 14
Abbildung 6: Destruktive Interferenz. ................................................................................................... 15
Abbildung 7: Beugung von Wasserwellen am Einzelspalt (vgl. Grössing). ............................................ 15
Abbildung 8: Beugung und Interferenzmuster am Doppelspalt (vgl. Grössing). .................................. 16
133 Organische Farbstoffe im Schulunterricht
Abbildung 9: Interferenzmuster eines Lasers am Doppelspalt (vgl. Universität Oldenburg). .............. 17
Abbildung 10: Photoelektrischer Effekt beim Bestrahlen eines Metalls mit blauem Licht -
schematische Darstellung. .................................................................................................................... 19
Abbildung 11: Grafische Darstellung des photoelektrischen Effekts (vgl. Atkins 2006: 251). .............. 19
Abbildung 12: Unterschied intensiveres/energiereicheres Licht. ......................................................... 23
Abbildung 13: Additive Farbmischung (vgl. Welsch 2012: 130). ........................................................... 25
Abbildung 14: Schaubild additiver Farbmischung (vgl. Weckner). ....................................................... 26
Abbildung 15: RGB-Farbwürfel (vgl. Funk 2009). .................................................................................. 27
Abbildung 16: Absorptionsspektren der drei Zapfen und Stäbchen (vgl. Bäker 2013). ........................ 28
Abbildung 17: Inverses Linsenauge (vgl. Franke 2013). ........................................................................ 30
Abbildung 18: Aufbau der Netzhaut (vgl. Meindl 2013). ...................................................................... 31
Abbildung 19: Schaubild subtraktiver Farbmischung (vgl. Weckner). .................................................. 35
Abbildung 20: Aufgetragene Filzstiftfarben (vgl. Hühn)........................................................................ 39
Abbildung 21: Aufgetrennte Filzstiftfarben (vgl. Hühn). ....................................................................... 39
Abbildung 22: Push-Pull-System des Mesomerie-Modells. .................................................................. 46
Abbildung 23: Bathochromer Effekt von Azofarbstoffen (nach Röder 1999: 11). ................................ 47
Abbildung 24: Teilchen im Kasten – Schwingungszustände (verändert nach Baars 2010: 14). ............ 50
Abbildung 25: Vielelektronensystem im Kasten – Energieverteilung (vgl. Pilgrim 2008). .................... 51
Abbildung 26: Teilchen im Kasten – Vielelektronensystem (vgl. Baars 2010: 15). ............................... 52
Abbildung 27: Energieterm von Molekülorbitalen. .............................................................................. 54
Abbildung 28: Mit Elektronen aufgefüllte Molekülorbitale. ................................................................. 55
Abbildung 29: d-Orbitale. ...................................................................................................................... 58
Abbildung 30: Ligandenannäherung im oktaedrischen Feld................................................................. 58
Abbildung 31: Aufspaltung der d-Orbitale in verschiedenen Ligandenfeldern. ................................... 59
Abbildung 32: Schematische Darstellung von HOMO (Donor) und LUMO (Akzeptor). ........................ 61
Abbildung 33: Kristallstruktur von Berliner Blau. .................................................................................. 62
Abbildung 34: Berliner Blau - Kristallstruktur. ...................................................................................... 63
Abbildung 35: Jablonski-Diagramm (vgl. Kasper: 11). ........................................................................... 66
Abbildung 36: Potentialenergiekurven - Fluoreszenz (vgl. Atkins 2006: 493). ..................................... 67
Abbildung 37: Starre Molekülstruktur von Fluorescein. ....................................................................... 68
Abbildung 38: 50-Euro Schein bei Tageslicht ........................................................................................ 69
Abbildung 39: 50-Euro Schein unter UV-Licht ....................................................................................... 69
Abbildung 40: Fluoreszierender Kastanienzweig (vgl. Brandl 2013). .................................................... 70
Abbildung 41: Potentialenergiekurven - Phosphoreszenz (vgl. Atkins 2006: 494). .............................. 71
Abbildung 42: Fluchtschild bei Tageslicht ............................................................................................. 72
Abbildung 43: Fluchtschild bei Dunkelheit ............................................................................................ 72
134 Organische Farbstoffe im Schulunterricht
Abbildung 44: Radieschenindikator von pH 2 bis 14 (links nach rechts) (vgl. Hühn 2013). .................. 96
Abbildung 45: Farbverlauf pH-Indikator Kristallviolett. ........................................................................ 98
Abbildung 46: Farbverlauf pH-Indikator Phenolphthalein. ................................................................. 100
Abbildung 47: Farbverlauf pH-Indikator Methylorange. ..................................................................... 102
Abbildung 48: Farbverlauf pH-Indikator Rubrobrassin (vgl. Bresien 2010). ....................................... 102
Abbildung 49: eGFP (vgl. Essen 2008). ................................................................................................ 104
Abbildung 50: Reichardt-Reagenz (vgl. Hühn). ................................................................................... 107
Abbildung 51: Schematischer Aufbau eines Farbfilms. ....................................................................... 115
9 Tabellenverzeichnis
Tabelle 1: Monochromatisches Licht und deren Wellenlängen. .......................................................... 10
Tabelle 2: Primärfarben additiver Farbmischung. ................................................................................. 24
Tabelle 3: Sekundärfarben additiver Farbmischung. ............................................................................ 25
Tabelle 4: Tertiärfarben additiver Farbmischung. ................................................................................. 26
Tabelle 5: Zapfentypen des menschlichen Auges. ................................................................................ 28
Tabelle 6: Primärfarben subtraktiver Farbmischung. ........................................................................... 35
Tabelle 7: Sekundärfarben der subtraktiven Farbmischung. ................................................................ 36
Tabelle 8: Mischung der Komplementärfarben. ................................................................................... 36
Tabelle 9: Zusammenhänge subtraktive Farbmischung und Farbwahrnehmung. ............................... 37
Tabelle 10: Wechselwirkung Licht - Materie. ........................................................................................ 41
Tabelle 11: Molekulare Anregungen durch Energieabsorption. ........................................................... 43
Tabelle 12: Verschiedene Antiauxochrome und Auxochrome. ............................................................ 46
Tabelle 13: Arten der Lumineszenz. ...................................................................................................... 65
Tabelle 14: Aromatische Fluoreszenzbeispiele. .................................................................................... 69
Tabelle 15: Farbmittel. .......................................................................................................................... 73
Tabelle 16: Azofarbstoffe - pH-Indikatoren. ......................................................................................... 86
135 Organische Farbstoffe im Schulunterricht
10 Eidesstattliche Erklärung
Ich versichere hiermit an Eides statt, dass ich die vorliegende Arbeit selbstständig verfasst, ganz oder
in Teilen noch nicht als Prüfungsleistung vorgelegt und keine anderen als die angegebenen Hilfsmittel
benutzt habe. Sämtliche Stellen der Arbeit, die benutzten Werken im Wortlaut oder dem Sinn nach
entnommen sind, habe ich durch Quellenangaben kenntlich gemacht. Dies gilt ebenso für
Zeichnungen, Skizzen, bildliche Darstellungen und dergleichen sowie für Quellen aus dem Internet.
Marburg, den 27.11.2013 Maren Elisabeth Caroline Weigand