Chemie der Farbstoffe: Licht, Farbmischung und Spektroskopie

Lernkartei zu den Grundlagen der Farbstoffchemie, additiver und subtraktiver Farbmischung, Quantenmechanik der Farbabsorption (HOMO/LUMO), Chromophoren und dem Lambert-Beerschen Gesetz.

Licht

Elektromagnetische Strahlung einer bestimmten Wellenlänge $\lambda$ bzw. ein Photon (Lichtteilchen) mit einem bestimmten Energieinhalt $E$ (Welle-Teilchen-Dualismus).

Sichtbares Licht

Der für das menschliche Auge sichtbare Wellenlängenbereich der elektromagnetischen Strahlung, der sich von ca. $380\,nm$ bis $780\,nm$ erstreckt.

Zusammenhang zwischen Wellenlänge und Strahlungsenergie

Je größer die Wellenlänge ($\lambda$) des Lichts, desto geringer ist sein Energiegehalt; kurzwellige Strahlung besitzt viel Energie, langwellige Strahlung wenig Energie.

Farbe

Eine individuelle visuelle Sinneswahrnehmung bzw. Stoffeigenschaft, die durch die selektive Absorption und Reflexion bestimmter Wellenlängen des sichtbaren Lichts entsteht.

Komplementärfarbe

Die im Farbkreis der absorbierten Wellenlänge gegenüberliegende Spektralfarbe, die durch die nicht absorbierten, reflektierten oder transmittierten Lichtanteile wahrgenommen wird.

Additive Farbmischung

Der optische Mischvorgang verschiedener Lichtarten (ausgesendet von selbstleuchtenden Körpern), bei dem sich die Spektralanteile überlagern und zusammen Weiß ergeben.

Primärvalenzen

Die drei Grundlichtfarben der additiven Farbmischung (Rot, Grün und Blauviolett), die nicht aus anderen Lichtfarben zusammengemischt werden können.

Subtraktive Farbmischung

Das Mischen von Farbstoffen (Körperfarben), bei dem jede zusätzliche Komponente weitere Wellenlängen absorbiert, sodass die Mischung dunkler wird und alle zusammen Schwarz ergeben.

Subtraktive Primärfarben

Die drei Grundkörperfarben Cyan, Magenta und Gelb (Yellow), die nicht aus anderen Körperfarben gemischt werden können.

Lichtabsorption (atomare Ebene)

Die Aufnahme von Lichtenergie durch ein Atom oder Molekül, wodurch ein Elektron unter Energieaufnahme auf ein höheres Energieniveau (angeregter Zustand) angehoben wird.

Lichtemission (atomare Ebene)

Die Aussendung von Lichtenergie durch ein Atom oder Molekül, wenn ein angeregtes Elektron auf ein niedrigeres Energieniveau zurückfällt und die Energiedifferenz als Photon abgibt.

UV-Strahlung

Elektromagnetische Strahlung im kurzwelligen Bereich von ca. $100\,nm$ bis $390\,nm$, die energiereicher als sichtbares Licht ist.

Photometrie

Ein quantitatives Messverfahren zur Bestimmung der Konzentration gelöster Substanzen anhand der Abschwächung (Absorption/Reflexion) von eingestrahltem Licht.

Photometer

Ein Messgerät zur Bestimmung der Lichtabschwächung bzw. Lichtintensität nach Durchgang durch eine Probelösung.

Transmission

Der Anteil der eingestrahlten Strahlung ($I$ bezogen auf $I_0$), der eine Probe ungehindert durchdringt.

Absorptionsmaximum

Die spezifische Wellenlänge $\lambda_{\max}$, bei der ein Farbstoff die stärkste Lichtabsorption zeigt.

Absorptionsbande

Ein kontinuierlicher Wellenlängenbereich im Spektrum, über den sich die Lichtabsorption eines Moleküls erstreckt.

Chromophor

Der farbgebende Bestandteil eines Moleküls, der aus einem ausgedehnten System konjugierter Doppelbindungen mit delokalisierten $\pi$-Elektronen besteht.

Konjugierte Doppelbindungen

Ein System abwechselnder Doppel- und Einfachbindungen in einem Molekül, über das hinweg die $\pi$-Elektronen delokalisiert sind.

HOMO

"Highest Occupied Molecular Orbital"; das energiereichste mit Elektronen besetzte Molekülorbital im elektronischen Grundzustand.

LUMO

"Lowest Unoccupied Molecular Orbital"; das energetisch niedrigste unbesetzte Molekülorbital, in das Elektronen bei Lichtabsorption angeregt werden.

Bathochrome Verschiebung

Die Verschiebung des Absorptionsmaximums zu größeren (längeren) Wellenlängen hin, typischerweise infolge einer Vergrößerung des konjugierten $\pi$-Elektronensystems.

Lambert-Beersches Gesetz

Ein mathematischer Zusammenhang für die Lichtabsorption in verdünnten Lösungen: $E_\lambda = \log_{10}\left(\frac{I_0}{I}\right) = c \cdot \varepsilon_\lambda \cdot d$.

Extinktion ($E_\lambda$)

Ein logarithmisches Maß für die Gesamtabschwächung der Lichtintensität beim Durchgang durch eine absorbierende Lösung ($E_\lambda = \log_{10}\left(\frac{I_0}{I}\right)$).

Molarer Extinktionskoeffizient ($\varepsilon_\lambda$)

Eine stoffspezifische, von Wellenlänge und Substanz abhängige Konstante im Lambert-Beerschen Gesetz mit der Einheit $\text{L}/(\text{mol}\cdot\text{cm})$.

Schichtdicke ($d$)

Die Weglänge des Lichts durch die absorbierende Messlösung in der Küvette, angegeben in $\text{cm}$.

Ampholyt

Eine chemische Verbindung, die je nach Reaktionspartner sowohl als Protonendonator (Säure) als auch als Protonenakzeptor (Base) reagieren kann.