Sauerstoff? Blau?

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Sauerstoff ist in flüssigem Zustand blau. Zur Erklärung muss man die Molekülorbitaltheorie zu Rate ziehen. Nach dieser besitzt ein Sauerstoffmolekül 2 ungepaarte Elektronen in den beiden höchten Pi* -Orbital (*=antibindend) (Da diese beiden äquivalent sind, werden sie gemäß der Hund'schen Regel zunächst einfach besetzt) und ist damit paramagnetisch. Aufgrund quantenmechanischer Eigenschaften wird diese Form als Singulett-Sauerstoff bezeichnet (Die Aufspaltung des Signals im NMR ist ein Singulett).

Wird nun Energie (beispielsweise in Form von Licht) zugeführt, kann das Sauerstoffmolekül in einen angeregten Zustand übergehen. Der erste angeregte Zustand entspricht der Paarung der beiden Elektronen, der zweite angeregte Zustand dem Übergang eines der beiden Elektronen in das unbesetzte Orbital (ohne Spinumkehr!). Beide Formen sind paramagnetisch und werden als Triplett-Sauerstoff bezeichnet (Triplett im NMR).

In gasförmigem Zustand kommt diese Reaktion allerdings nicht ohne Weiteres vor, da der Spinerhaltungssatz gilt und sie deshalb streng verboten ist.

In flüssigem Zustand kann dieses Spinverbot allerdings umgangen werden.

Hier können sich aufgrund der größeren Nähe der Moleküle 2 Sauerstoffmoleküle zu einem Dimer zusammenlagern, in dem die beteiligten Moleküle simultan in den Singulettzustand übergehen. Die geschieht durch einen erlaubten Elektrnenübergang (aus einem Pi-Atomorbital in ein Pi*-Molekülorbital). Die hierzu benötigte Energie stammt aus dem Licht, dem die Wellenlängen rot, gelb und grün entzogen werden, so dass nur noch die blauen Anteile zurückbleiben. Trennt sich das Dimer wieder, erhält man 2 Singulett-O2, welche sich durch Elektronenaustausch miteinander wieder zu Triplett-O2 umwandeln können.

Das kann man so leider nicht ganz stehenlassen.

Denn der stabile, diradikalische, paramagnetische Zustand ist der Triplettzustand (Hund'sche Regel, paralleler Spin -> resultierender Gesamtspin = 1, -> Multiplizität 2S+1 = 3, ->Triplett; hat nichts mit NMR Triplett zu tun).

Weiters gibt es zwei angeregte Singulettzustände (gegen Hund'sche Regel, gegenläufiger Spin -> kein resultierender Gesamtspin "0", -> 2S+1 = 1 -> deshalb 'Singulett').

Diese 'Multiplizität' kann als Mass angesehen werden, in wieviele Raumrichtungen sich der Spin orientieren kann.

Blaue Farbe entsteht als verbleibende Komplementärfarbe durch Absorption im Rot-bereich (eigentlich hellblau/grünlich) bei Übergang Triplett -> Singulett.

Richtig ist nun, dass dieser Übergang durch Absorption von Photonen 'verboten' ist, da diese zu den Bosonen zählen (Spin=1) und sich bei Wechselwirkung mit diesen der Gesamtspin nicht ändern darf (hier von 1 auf 0).

Diese Regel gilt jedoch nicht, wenn in flüssigem oder festem Zustand die Moleküle zusätzlich zur Lichtabsorption durch Zusammenstoss Energie austauschen können.

Gelbes (=rotgrün) und vor allem grünes Licht wird m.W.'s nach bei dieser WW nicht absorbiert, obwohl die Komplementärfarbe von Reinblau natürlich Gelb alleine wäre, die bläuliche Farbe ist aber auch kein reines Blau.

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@algol1

Wow, super! ... Ich habe bloß das Gefühl, dass der Fragesteller das nicht mal ansatzweise liest....

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@Martinmuc

ich checks nicht zu viele fremdwörter XD aber trotzdem vielen dank für eure mühe das sternchen habt ihr verdient ;)

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Das liegt an den beiden Formen, in denen das Sauerstoffmolekül vorliegen kann: Singulett und Triplett Sauerstoff. Der Triplett Zustand und der Singulett Zustand unterscheiden sich in ihren Energieinhalt. Kollidieren ein Triplett-Sauerstoff und ein Singulett-Sauerstoff entsteht die blaue Farbe. In gasförmigem Sauerstoff ist die konzentration der Teilchen gering und daher ein Zusammenstoss viel zu selten und deswegen ist gasförmiger Sauerstoff farblos.

Triplett- und Singulett-Moleküle reagieren niemals miteinander, diese Reaktion ist spinverboten.

Sonst würde der gesamte Sauerstoff in der Luft ja sofort reagieren (Sauerstoff ist metastabil). Die blaue Farbe von Sauerstoff hat andere Ursachen.

Bei der Reaktion, die du beschreibst, könnten allenfalls 2 Triplett-Sauerstoffmoleküle zu Singulett-O2 reagieren, allerdings wird hierbei rötliches List frei.

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Viele hier behaupten es wären Pi->Pi* stern Übergänge, die liegen aber im UV und sind nicht sichtbar, außerdem erklärt das nicht, warum gasförmiger Sauerstoff farblos ist. Pi *->Pi * Übergänge sind zu langwellig. Laut Hollemann Wiberg Seite 512 (kp welche Auflage) handelt es sich dabei um einen Übergang von zwei Triplett Sauerstoff Molekülen die kollidieren und dabei Photonen im Bereich des grünen/roten Lichts absorbieren (plus Schwingungen) und dabei in Singulett Sauerstoff übergehen (das hat schon jemand erwähnt aber er meinte Triplett plus Singulett und das ist ja verboten). Das erklärt auch, wieso nur flüssiger und fester Sauerstoff blau sind, ganz einfach weil die Dreierkollidierung in der Gasphase extrem unwahrscheinlich ist (extrem geringe Dichte im vergleich zur flüssigen und festen Phase). Die Blaue Farbe des Himmels kommt vom Ozon und durch die Rayleigh Streuung :)

Sauerstoff ist ein Gas aus den Sauerstoffmolekülen (Also 2 Sauerstoffatomen). Einzelen gibt es in der Natur nicht. Jedoch wenn 3 Sauerstoffatome zusammenkommen, kommt ein giftiges, bläulich aussehendes Gas zusammen- das Ozon. Weil Ozon blau ist, ist die nächstkleinere Stufe auch Blau...

Ich glaube viele vermischen hier gerade zwei unterschiedliche Fragen... Warum ist der Himmel blau => Rayleigh-Streuung! Und warum ist flüssiger Sauerstoff blau => Elektronen-Anregung vom Triplett zum Singulett Sauerstoff... Die hier aufgeführten Erklärungen, warum diese Anregung wegen der Spinerhaltung verboten ist finde ich ja recht einleuchtend und glaubwürdig. Leider hab ich nun im Hollemann-Wiberg beim Kapitel Sauerstoff entdeckt, dass Sauerstoff nicht nur in flüssiger und fester Form blau erscheint, sondern auch gasförmig in sehr dicken Schichten eine bläuliche Farbe aufweist... woher kommt denn diese nun? Vielen Dank für die Antwort

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