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Computergestützte Experimente - Messung: Absorption

Farbstoffe
Positive Solvatochromie


Ziel: Bathochrome 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’-Bis(dimethylamino)fuchson  (MG: 344.46)
Aceton
Methanol
Toluol
Farbstofflösungen:  Es werden eine 5 · 10 -5 molare Lösung von 4,4’-Bis(dimethylamino)fuchson in Methanol, und jeweils 10-4 molare Lösungen in Aceton und Toluol bereitgestellt.

Geräte und Glaswaren:
Fotometer mit Schreiberausgang: Spectronic 20 Bausch & Lomb
Rundküvetten (Spectronic)


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.
Toluol ist leichtentzündlich. Gesundheitsschädlich beim Einatmen. Reizt die Augen, Atmungsorgane und die Haut. Wird über die Haut aufgenommen. Aufnahme grösserer Mengen führt zu Rausch, Krämpfen bis zur Bewusstlosigkeit.
Aceton ist leicht entzündlich. Reizt die Augen.

Schutzbrille und Schutzhandschuhe müssen getragen werden. Die Herstellung der entsprechenden Lösungen und die Durchführung der einzelnen Experimente erfolgen im Abzug!


Versuchsdurchführung:

Spectronic 20 (Download) verfügt über einen analogen Ausgang an der Unterseite des Gerätes. Dieser ist an den Steckplatz B des Interface angeschlossen.

Das Fotometer wurde so konzipiert, dass bei einer Transmission von 100 % das analoge Signal an seinem Ausgang 1 Volt beträgt; sofern das Fotometer 0 % Transmission zeigt, ist die Ausgangsspannung 0 Volt.

Anpassung des Programms "Multimeter":
- Im Programm  "Messen und Auswerten"  wird das Unterprogramm   "Multimeter" aktiviert, im Untermenü <F3>'Messgrößen auswählen ® Kanal B neu wählen'  als Messgröße 'Spannung DC'  gewählt und unter <F4>'Automatik / Param. / Formel®Parameter eingeben'  als Name des Parameters  Wellenlänge, als physikalisches Symbol  I  und als physikalische Einheit   nm   fixiert.
- Unter  "Formel eingeben"  wird als physikalisches Symbol  E  festgesetzt, die Anzahl der Nachkommastellen mit   4  angegeben und gemä ß
E = 2 - logU · 100  der Formelansatz   E (n, l, U) =   mit   - lnU / ln10   ergänzt   (Abb. 2).



Abb. 1: Menuscreen - Anpassung des Programms 'Multimeter'











Kalibrierung des Fotometers: Die drei Messreihen beginnen bei 360 nm und enden bei 600 nm. Nachdem die Wellenlänge gewählt wurde und das Fotometer auf Null abgeglichen ist, wird in den Küvettenhalter eine Küvette plaziert, die das jeweilige Lösungsmittel enthält. Den Zeiger des Messinstruments stellt man bei geschlossenem Strahlengang auf die Transmission T = 100 % bzw. auf die Extinktion E = 0 ein.


Messung: Nun ersetzt man die mit Wasser gefüllte Küvette durch eine Küvette, die zu 3/4 mit der Lösung des Farbstoffes gefüllt ist, betätigt die Funktiontaste   <F1>, gibt die betreffende Wellenlänge ein und bestätigt den Messwert mit  ¿. Es wird nun eine um 5 nm höhere Wellenlänge gewählt, das Fotometer wiederum mit einer mit destilliertem Wasser gefüllten Küvette versorgt, der Zeiger des Messinstruments auf die Tranmission T = 100 % geregelt und die Extinktion der Farbstofflösung bei der betreffenden Wellenlänge gespeichert.

Versuchsauswertung:

Ein direkter Vergleich der Messungen ist in einem Überlagerungsmodus möglich, der innerhalb der  <F8> 'Diskettenoperationen' ® 'Multigraphik ein'  aktiviert werden kann. Dabei lädt man die Messreihen einzeln ein, um sie dann im Hauptmenü unter  < F6>'Graphisch auswerten'  gemeinsam darstellen zu können. Durch Betätigen der Funktiontaste  <F3>  und Eingabe der Nummer des betreffenden Graphen wird eine Ausgleichskurve durch die Messpunkte gelegt (Abb. 2).


Absorptionsmaxima
Abb. 2: Absorptionsspektren des 4,4’-Bis(dimethylamino)fuchson
in    Methanol  (1)    Aceton  (2)    Toluol(3)
Lösungsmittel Farbe der Lösung Absorptionsmaxima
Methanol purpur 555 nm / 365 nm
Aceton rot 500 nm / 470 nm
Toluol orange 485 nm / 445 nm


Versuchsergebnis:

Der Farbstoff zeigt eine positive Solvatochromie. Mit zunehmender Polarität des Lösungsmittels ist eine Verschiebung des Absorptionsmaximums zum längerwelligen Bereich des Spektrums festzustellen (bathochrome Verschiebung).


Deutung des Versuchsergebnisses:

Grenzstrukturen
Abb. 3: Mesomere Grenzstrukturen des 4.4’-Bisdimethylaminofuchsons

·   Eine Erklärung liefert das Förster'sche Modell. Es besagt, daß Moleküle im Grund- und Anregungszustand unterschiedliche Polaritäten aufweisen. Das Modell macht folgende, stark vereinfachende Annahmen: Farbstoffe mit unpolarem Grundzustand  (Abb. 3)  erfahren in polaren Lösungsmitteln eine stärkere Polarisierung, da die energiereiche, polare Grenzform des Anregungszustandes stabilisiert wird. Daraus resultiert eine Absenkung des angeregten Zustands. Der Grundzustand wird wenig beeinflußt. Die Energiedifferenz zwischen Grundzustand und angeregtem Zustand nimmt ab. Die Anregungsenergie sinkt. Das Absorptionsmaximum wird zum Längerwelligen verschoben  (Abb. 4).



Abb. 4: Darstellung der solvatochromen Verschiebung

·   Die Annäherung der Energieniveaus äußert sich in einer bathochromen Verschiebung des Spektrums bei zunehmender Polarität des Lösungsmittels. Unpolare Lösungsmittel destabilisieren hingegen die polare Grenzform. Diese wird energetisch angehoben, was zu eine hypsochrome Verschiebung des Absorptionsmaximums zur Folge hat.


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



Liste der CASSY-Experimente






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