Chemie Farbigkeit?

Hi! Farbigkeit entsteht ja dadurch, dass Moleküle Licht bestimmter Wellen absorbieren und dementsprechend Licht bestimmter Wellenlängen reflektieren. Jedoch verstehe ich nicht, was mit den Elektronen bei der Absorption von Licht passiert? Kann mir das einer bitte erklären.

Answer 1

[diderot2019]

Zunächst gibt es für die Absorbtion eine relativ anschauliche Erklärung: Das Photon hebt ein Elektron in einen höheren Energiezustand.

Tatsächlich sind Elektronen aber nicht eindeutig lokalisierbare Teilchen, sondern sie haben nach der Quantentheorie eine gewisse Aufenthaltswahrscheinlichkeit, die unter Umständen um das gesamte Molekül 'verschmiert' ist. Diese Aufenthaltswahrscheinlichkeit gehorcht der Heisenbergschen Unbestimmtheitsrelation, die besagt, dass der Impuls und damit auch die Energie des Elektrons umso genauer bestimmt ist, je unbestimmter der Aufenthaltsort ist.

In Spektrum der Wissenschaft las ich mal einen interessanten Artikel, wie die Unbestimmtheitsrelation mit der Farbe zusammen hängt. Verglichen wurden die Farbmoleküle verschiedener Gemüsesorten. Viele Gemüsesorten haben ein Farbmolekül, das mit dem Carotin verwandt ist. Es handelt sich um eine Kette, die unterschiedlich lang sein kann. In diesem Molekül gibt es -soweit ich mich erinnere- ein Elektron, dass sich relativ frei bewegen kann und deshalb gemäss Unbestimmtheitsrelation über das ganze Molekül 'verschmiert' ist. In einem langen Molekül schwingt diese Wolke der möglichen Aufenthaltsorte mit einer grösseren Wellenlänge. Deshalb ist die ausgestrahlte Farbe rot, im Gegensatz zu kürzeren Molekülen, bei denen die Farbe orange oder sogar gelb ist.

Achtung: Was ich hier schreibe, habe ich vor einigen Jahren gelesen und ich bin nicht mehr sicher, wie es genau ging. Ich weiss noch, dass der Effekt mit der Heisenbergschen Unbestimmtheit vorgerechnet wurde und dass dabei die korrekten Wellenlängen für das abgestrahlte Licht heraus kam.

Answer 2

[indiachinacook]

Ich versuche das jetzt in einfachen Worten so zu beschreiben, daß es zumindest nicht falsch ist.

Elektronen sind bekanntlich einem Molekül irgendwie auf den Raum verteilt, es gibt also Orte mit höherer Elektronendichte und solche mit geringerer. Theoretisch sind viele solche Elektronenverteilungen („Wellenfunktionen“) denkbar, aber nur abzähl­bar viele: Die möglichen Verteilungen bilden also kein Kontinuum, sondern sehr grob ge­sagt, kann es eine Möglichkeit für hohe Elektronendichte links im Molekül geben und eine andere rechts, aber keine dazwischen.

Von all diesen möglichen Verteilungen hat eine die niedrigste Energie, ist also am sta­bil­sten. Normalerweise liegt das Molekül in genau diesem Zustand vor (man spricht auch vom „Grundzustand“, und alle anderen heißen „angeregte Zustände“, und man kann sie nach ihrer Energie ordnen wie die Sprossen einer Leiter).

Wenn ein Molekül Licht absorbiert, dann nimmt es Energie auf. Diese Energie landet in den Elektronen, die sich im Molekül neu anordnen, also einen angeregten Zustand bil­den. Dieser angeregte Zustand ist im allgemeinen nicht langlebig, sondern das Mole­kül fällt in kurzer Zeit (typischerweise weit unter einer Sekunde) in den Grund­zustand zurück. Die Energie muß dazu von den Elektronen anderswo hinfließen, und dazu gibt es einige verschiedene Möglichkeiten, die auch noch verschiedene Vari­an­ten haben:

• Die Energie fließt in die Bewegung der Atomkerne („thermische Dissipation“), das Mo­le­kül zappelt also stär­ker als vorher. Jede Atombewegung ist aber eine Art Wärme­ener­gie, also wir die Stoff­pro­be ein­fach warm. Wenn Du Deine Hand in die Son­ne hältst, dann spürst Du ge­nau die­sen Mechanismus.
• Die Energie wird wieder als Licht abgegeben („Fluoreszenz“). Das ist theoretisch im­mer möglich, aber für die meisten Stoffe ist die Konversion in Wärmenergie schnel­ler, und starke Fluoreszenz, die man mit freiem Auge sehen kann, ist da­her eher sel­ten. Fluoreszenz ist aber sehr auffällig, weil das Fluoreszenzlicht eine für das je­wei­li­ge Molekül typische, oft brillante Farbe aufweist.
• Die Energie dient dazu, eine chemische Reaktion („photochemische Reaktion“) an­zutreiben. Auch dieser Weg ist meistens langsam, kommt also nur für einen sehr klei­nen Teil der beleuchte­ten Moleküle in Betracht. Die Bräunung der Haut bei län­ge­rer Sonneneinstrahlung ist ein Beispiel dafür.

Woher ich das weiß: Studium / Ausbildung – Chemiestudium mit Diss über Quanten­chemie und Thermodynamik

Answer 3

[siggiiii]

Simpel gesagt bleiben die kurzzeitig im Material und werden dann als Photon wieder abgestrahlt.

Ausnahme zum Beispiel Solarzelle da kann man das Elektron das dadurch entsteht "herausziehen".

Das ganze ist jetzt natürlich vereinfacht. Dafür hat Einstein übrigens den Nobelpreis bekommen.

https://de.wikipedia.org/wiki/Photoelektrischer_Effekt

Answer 4

[Spikeman197]

In jedem Atom, oder Verbindung, können die Elektronen nur bestimmte Energien besitzen, sich auf den sogn. Energieniveaus befinden, die sich durch ganz bestimmte Energiedifferenzen unterscheiden. Dies ist letztlich Teil der Quantentheorie.

Normalerweise besetzen die Elektronen die Stufen mit der niedrigsten Energie.

Wird jetzt Energie in Form von Licht zugeführt kann nur so ein Lichtquant/Photon absorbiert werden, wenn die Energiemenge genau zum Übergang passt (Absorption/Quantensprung). Deshalb wird eine bestimmte Farbe absorbiert.

Genau die gleiche Energiemenge wird wieder in Form eines Photons abgegeben, wenn das Elektron den gleichen Quantensprung zurück auf das energieärmere Niveau macht (Emisson).

Für sichtbares Licht muss der Energiebetrag ca. im Bereich von 1,6-3,25 eV liegen. ist eher höher ist/klappt es nur mit UV-Licht, ist es weniger nur mit Infrarot (IR).