Dieses Versuchsprotokoll beinhaltet wissenschaftliche Definitionen und Formeln zum Pii-Elektronen-System und dem eindimensionale Potentialtopf für die theoretische Auseinandersetzung mit Lichtabsorption.
Die Auswertung der Versuche behandelt unter Verwendung ausführlicher Rechenwege und der experimentellen Ergebnisse die Berechnung der Extinktionsmaxima nach dem LAMBERT-BEERschen Gesetz sowie der dekadischen Extinktionskoeffizienten, die Berechnung der Lage des längstwelligen Absorptionsmaximums der Cyaninfarbstoffe nach dem Modell des Elektrons im Kastenpotential, die Verschiebung der Absorptionsmaxima bei Nitrierung sowie die Herleitung der Wellenfunktion.
Der Versuchsaufbau mit dem Einstrahlphotometer, die Erklärung der verwendeten Messprinzipien und die Diskussion über mögliche Fehlerquellen sind ebenfalls einsehbar.
Inhaltsverzeichnis
1. EINFÜHRUNG IN DEN VERSUCH
1.1 DAS π-ELEKTRONEN-SYSTEM UND DER EINDIMENSIONALE POTENTIALTOPF
1.2 DIE ABSORPTION VON LICHT
2. VERSUCHSAUFBAU
3. VERSUCHSDURCHFÜHRUNG
3. AUSWERTUNG
3.1
3.2
3.3
3.4
3.5
3.6
4. FEHLERBETRACHTUNG
5. LITERATUR
Zielsetzung und Themen
Die vorliegende Arbeit untersucht die Lichtabsorption von vier unterschiedlichen Cyaninfarbstoffen im sichtbaren Bereich mittels Einstrahlspektrometer und Zweistrahl-Spektralphotometer. Ziel ist es, die experimentell ermittelten Absorptionsspektren und -maxima analysierend mit dem theoretischen Modell des Elektrons im eindimensionalen Potentialtopf zu vergleichen, um deren physikalische Absorptionseigenschaften zu validieren.
- Untersuchung des π-Elektronen-Systems und des eindimensionalen Potentialtopf-Modells.
- Experimentelle Bestimmung von Absorptionsspektren sowie Absorptionsmaxima.
- Anwendung des Lambert-Beer’schen Gesetzes zur Bestimmung molarer Extinktionskoeffizienten.
- Vergleich der Leistungsfähigkeit von Einstrahl- gegenüber Zweistrahlphotometern.
- Theoretische Herleitung der Kastenlänge und Untersuchung von Substitutionseffekten am Molekül.
Auszug aus dem Buch
1.1 Das π-Elektronen-System und der eindimensionale Potentialtopf
Damit ein organischer Farbstoff Licht einer bestimmten Wellenlänge absorbieren kann, muss er ein geschlossenes π-Elektronen-System aufweisen. In den geschlossenen π-Systemen der vorliegenden Cyninfarbstoffe liegen innerhalb des Systems alle Kohlenstoffe als sp2-hybridisiert vor. Entlang des Systems lässt sich eine trigonal-planare Kohlenstoffkette finden, die durch die delokalisierten π-Bindungen von einer sogenannten Elektronenwolke umgeben ist (Abb. 1).[1]
Innerhalb des grau-punktierten Bereichs sind die π-Elektronen näherungsweise frei beweglich. Das gilt jedoch nur für homologe Bindungspartner, wobei auch hier die Anziehungskräfte zwischen dem positiven Atomkern und dem π-Elektron variieren. So werden zwischen π-Elektronen und Atomkern in der Nähe eines Atomkerns stärkere Anziehungskräfte gefunden als zwischen zwei Atomkernen. Damit wird für die Elektronen des π-Systems in der Nähe eines Atomkerns eine geringere potentielle Energie E_pot gefunden als zwischen zwei Atomkernen. Die potentielle Energie entlang der Kohlenstoffkette ist in Abb. 2 aufgetragen.[1]
Die Abb. 2 zu erkennenden Maxima entlang der Kohlenstoffkette beschreiben die Lage von Elektronen zwischen zwei Kernen (sechs Maxima und sechs Bindungen), die Minima die Lage in der Nähe eines Kerns (sieben Minima und sieben Atomkerne). Entlang der Kohlenstoffkette kann die potentielle Energie daher als konstant angenommen werden, wobei zu beachten ist, dass sie an den Aminogruppen des Moleküls aufgrund der erhöhten Anziehungskräfte, die aus der höheren Elektronegativität des Stickstoffs resultieren, geringer ist. An den beiden Enden des Moleküls wird die potentielle Energie unendlich groß, wie an den Anstiegen des Graphen zu erkennen ist.[1]
Zusammenfassung der Kapitel
1. EINFÜHRUNG IN DEN VERSUCH: Das Kapitel erläutert das theoretische Fundament, insbesondere das π-Elektronen-System der Cyaninfarbstoffe und deren Modellierung als eindimensionaler Potentialtopf.
2. VERSUCHSAUFBAU: Es werden die Funktionsweise und der Aufbau sowohl des verwendeten Einstrahl- als auch des Zweistrahlspektrometers beschrieben.
3. VERSUCHSDURCHFÜHRUNG: Hier wird die praktische Vorgehensweise zur Messung der drei bis vier verschiedenen Farbstoffkonzentrationen in Ethanol mittels der genannten Apparaturen dargelegt.
4. AUSWERTUNG: Die experimentell gewonnenen Daten werden grafisch ausgewertet, mit dem theoretischen Kastenmodell verglichen, Korrekturfaktoren bestimmt und die Auswirkungen von Molekülsubstitutionen diskutiert.
5. FEHLERBETRACHTUNG: Dieses Kapitel reflektiert mögliche Fehlerquellen und Unstimmigkeiten in den Messergebnissen, wie etwa Abweichungen zwischen Theorie und Praxis.
6. LITERATUR: Auflistung der im Versuchsbericht verwendeten Quellen.
Schlüsselwörter
Lichtabsorption, Cyaninfarbstoffe, π-Elektronensystem, eindimensionaler Potentialtopf, Spektroskopie, Extinktion, Lambert-Beer’sches Gesetz, Absorptionsmaxima, Elektronenübergang, HOMO, LUMO, Einstrahlphotometer, Zweistrahlphotometer, Quantenzahl, Wellenlänge
Häufig gestellte Fragen
Worum geht es in dieser Arbeit grundsätzlich?
Die Arbeit befasst sich mit der spektroskopischen Untersuchung der Lichtabsorption von Cyaninfarbstoffen und der theoretischen Beschreibung dieser Phänomene durch das Modell des Teilchens im Kasten.
Was sind die zentralen Themenfelder?
Zentral sind die optischen Eigenschaften von Farbstoffen, die Anwendung spektroskopischer Messverfahren und die theoretische Quantenmechanik von π-Elektronensystemen.
Was ist das primäre Ziel oder die Forschungsfrage?
Ziel ist der Vergleich der experimentell gemessenen Absorptionsmaxima mit theoretischen Berechnungen nach dem Potentialtopf-Modell, um das Verständnis für elektronische Anregungen in konjugierten Systemen zu vertiefen.
Welche wissenschaftliche Methode wird verwendet?
Es werden spektroskopische Absorptionsmessungen mittels Einstrahl- und Zweistrahlspektrometern durchgeführt, kombiniert mit quantenmechanischen Berechnungen auf Basis des Modells des Elektrons im Kasten.
Was wird im Hauptteil behandelt?
Im Hauptteil werden der Aufbau der Versuchsgeräte, die Durchführung der Messreihen, die Auswertung der Spektren zur Bestimmung von Extinktionskoeffizienten und die Berechnung von Kastenlängenfaktoren detailliert dargelegt.
Welche Schlüsselwörter charakterisieren die Arbeit?
Die Arbeit wird durch Begriffe wie Lichtabsorption, Cyaninfarbstoffe, Potentialtopf-Modell, Extinktion, Spektroskopie und Elektronenübergang charakterisiert.
Warum gibt es Abweichungen zwischen den beiden verwendeten Photometern?
Die Geräte unterscheiden sich in ihrer Messgenauigkeit, da das Zweistrahlphotometer kontinuierlich eine Referenzmessung durchführt und eine höhere Auflösung in kleineren Wellenlängenschritten bietet.
Welchen Einfluss hat die Substitution der mittleren CH2-Gruppe durch ein Stickstoffatom?
Die Substitution führt zu einer Verschiebung des Absorptionsmaximums in den langwelligeren Bereich, was auf eine energetische Absenkung des HOMO-Zustands durch die höhere Elektronegativität des Stickstoffs zurückzuführen ist.
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- N. Thomas (Author), 2023, Lichtabsorption organischer Farbstoffe. Definitionen und Rechnungen, Munich, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/1553119
