Farbstoffe: Negative Solvatochromie

Computergestützte Experimente - Messung: Absorption

Farbstoffe
Negative Solvatochromie
Ziel: Hypsochrome Verschiebung, Solvenspolarität

Peter Keusch

Messwerterfassung und Auswertung der Messdaten
mit dem Programm "Messen und Auswerten" und
dem Analog-Digital-Wandler CASSY-E - LEYBOLD DIDACTIC

English version

Chemikalien:
4-(4'-Hydroxystyryl)-N-methyl-pyridinium-jodid (I) (MG = 197.02
2-(4'-Hydroxystyryl)-N-methyl-chinolinium-betain (II) (MG = 261.32)
n-Butanol
Chloroform
Methanol
n-Propanol
Piperidin

Geräte und Glaswaren:
Fotometer mit Schreiberausgang
Küvetten

Gefahren und Sicherheitsmaßnahmen:

Methanol ist giftig beim Einatmen und Verschlucken. Kann über die Haut aufgenommen werden und wirkt als Zellgift. Mögliche Vergiftungserscheinungen sind Schwindel, Kopfschmerz, Schwächegefühl, Übelkeit, Leibschmerzen und beginnende Sehstörungen mit deutlicher Übersäuerung des Blutes. In schweren Fällen kommt es zu schweren Sehstörungen, zentralnervösen Anfällen, sowie Atemlähmung und Herzstillstand.
Piperidin ist ein Gift, das eingeatmet oder geschluckt folgenschwer ist. Starkes Reizmittel. Leicht entflammbar. Die Dämpfe sind viel schwerer als Luft und bilden mit Luft explosionsfähige Gemische.

Chloroform kann Mißbildungen verursachen. Gesundheitsschädlich beim Einatmen und Verschlucken. Reizt die Haut. Irreversibler Schaden möglich. Gefahr ernster Gesundheitsschäden bei längerer Exposition. Kann möglicherweise Krebs erzeugen.

n-Propanol ist leichtentzündlich.

Schutzbrille und Schutzhandschuhe sind zu tragen. Die Bereitung der entsprechenden Lösungen und die Durchführung der einzelnen Experimente erfolgen im Abzug!

Versuchsdurchführung:

Die folgenden Löaungen werden bereitgestellt.

Farbstoff I: 5 · 10 ^-5 molar in Wasser, 5 · 10 ^-5 molar in Methanol, 1.25 · 10 ^-4 molar in n-Propanol, 5 · 10 ^-4 molar in n-Butanol.
Farbstoff II: 5 · 10 ^-5 molar in water, 2.5 · 10 ^-5 molar in Chloroform.

Den Lösungen setzt man jeweils einige Tropfen Piperidin zu, um Säurespuren im Lösungsmittel zu eliminieren.

Versuchsdurchsauswertung:

Die Versuchsauswertung erfolgt wie im Experiment Positive Solvatochromie beschrieben.

Absorptionsmaxima

Abb. 1: Absorptionsspektren des 4-(4'-Hydroxystyryl)-N-methyl-pyridinium-jodids
in n-Butanol (1) n-Propanol (2) Methanol (3) Wasser (4)

Lösungsmittel	Farbe der Lösung	Absorptionsmaxima
n-Butanol	purpur	535 nm / 410 nm
n-Propanol	rot	405 / 525 nm
Methanol	orange	395 nm / 485 nm
Wasser	gelb	385 nm

Abb. 2: Absorptionsspektren des 2-(4'-Hydroxystyryl)-N-methyl-chinolinium-betains
in Chloroform (1) Wasser (2)

Lösungsmittel	Farbe der Lösung	Absorptionsmaxima
Chloroform	tintenblau	585 nm / 440 nm
Wasser	blutrot	410 nm

Versuchsergebnis:

Vorliegende Farbstoffe zeigen zeigen negative Solvatochromie. Mit steigender Solvenspolarität findet eine hypsochrome Verschiebung des Absorptionsmaximums statt.

Deutung des Versuchsergebnisses:

Abb. 3: Mesomere Grenzstrukturen

· Der angeregte Zustand ist weniger polar als der Grundzustand (Abb. 3). Polare Lösungsmittel stabilisieren den Grundzustand. Die Energiedifferenz zwischen Grundzustand und angeregtem Zustand wird mit steigender Solvenzpolarität größer. Die Anregungsenergie nimmt zu. Das Absorptionsmaximum wird zum Kurzwelligen verschoben (Abb. 4).

Abb. 4: Darstellung der solvatochromen Verschiebung

· Unpolare Lösungsmittel destabilisieren hingegen den polaren Grundzustand. Dieser wird energetisch angehoben. Die Energiedifferenz zwischen Grundzustand und angeregtem Zustand wird kleiner, was zu einer bathochromen Verschiebung des Absorptionsmaximums führt.

Zusammenfassung:

Das Vorzeichen der Solvatochromie ist abhängig von der Polarität der Farbstoffmoleküle im Grundzustand. Aus dem Phänomen der Solvatochromie ergeben sich zwei Anwendungsbereiche:

· Bestimmung der Polarität organischer Farbstoffe im Grundzustand, d.h. Erfassung des Mesomerieschwerpunktes in verschiedenen Lösungsmitteln

· Bestimmung von Solvenspolaritäten.

Hinweise:
Computergestützte Experimente Farbstoffe - Positive Solvatochromie
Demonstrationsexperiment auf Video Negative Solvatochromie
Demonstrationsexperiment auf Video Positive Solvatochromie

Liste der CASSY-Experimente