Welche Farbe hat der Himmel? Antwort:Das Sonnenlicht erscheint weiß, aber dieses weiße Licht besteht in Wirklichkeit aus mehreren Farben. Man kann dies erkennen, indem man das Licht durch ein Prisma scheinen lässt oder einfach, indem man einen Regenbogen betrachtet. Licht ist eine Welle aus oszillierenden elektrischen und magnetischen Feldern. Wellen können durch ihre Wellenlänge charakterisiert werden (d. h. der Abstand zwischen benachbarten Tälern). Verschiedene Farben entsprechen verschiedenen Wellenlängen. Je bläulicher das Licht, desto kürzer die Wellenlänge, und je rötlicher das Licht, desto länger die Wellenlänge. Licht mit Wellenlängen, die kürzer als blaue oder länger als rote sind, können mit dem menschlichen Auge nicht wahrgenommen werden. Wenn nun Sonnenlicht, das all diese verschiedenen Wellen mit unterschiedlichen Farben besitzt, auf Teilchen, Moleküle oder kleinste Dichtevariationen trifft, so werden die blauen Wellen mehr als die roten gestreut. Also breiten sich die roten Wellen größtenteils geradlinig aus, während die blauen sich in alle Richtungen verteilen. Eine einfache Methode, dies zu verdeutlichen, besteht darin, mit einer Lampe durch ein Glas Wasser zu leuchten, dem ein wenig Milch hinzugefügt wurde: Da Milch aus einer Lösung kleiner Partikel besteht, die das Licht sehr effektiv streuen, erscheint das Licht auf der Seite des Glases bläulicher, während das Licht direkt gegenüber der Lampe rötlicher ist. Das Himmelsblau kommt also daher, dass der blaue Teil des weißen Sonnenlichts mehr von der Atmosphäre gestreut wird als das rote. Was passiert jedoch bei Sonnenauf- oder -untergang, wenn sich der Himmel rötlich färbt? Man muss hier bedenken, dass die Erde rund und von einer Atmosphäre umgeben ist. Während des Tages, wenn die Sonne scheint, ist die Menge an Luft, die das Sonnenlicht durchqueren muss, geringer als am Morgen und Abend, wenn das Sonnenlicht in einem senkrechten Winkel eintrifft. Morgens und abends sehen wir die Farbe des Lichtes, das am wenigsten gestreut wird. Welche Farbe wird dies sein? Viele rote Lichter an einer Ampel in Espelkamp Auf diesem Photo kann man viele schöne rote Lichter sehen. Beim Betrachten eines solchen Bildes stellt sich automatisch die Frage, was ist eigentlich Licht? Betrachten wir dazu die folgende Graphik:
 Sichtbares Licht ist nur ein kleiner Ausschnitt aus dem Bereich der elektromagnetischen Strahlung Die elektromagnetische Strahlung umfasst einen riesigen Bereich von Wellenlängen. Für die Leute, die es noch nicht wissen: Die Wellenlänge einer Strahlung ist immer der Abstand zwischen zwei Wellenbergen (oder zwischen zwei Wellentälern, je nachdem, ob man Optimist oder Pessimist ist). Bei der Radio-Strahlung im Langwellen-Bereich liegen oft mehrere Kilometer zwischen zwei Wellenbergen, bei Kurzwellen oder Ultrakurzwellen (UKW) ist die Wellenlänge schon deutlich kürzer, nämlich im Meter-Bereich. Noch kürzere Wellenlängen finden wir bei den Mikrowellen, mit denen man Speisen heiß machen kann. Die Infrarot-Strahlung schließt sich an, hier liegen die Wellenlängen im Bereich um 10-5 m, das sind 1/100 Millimeter oder 10 Mikrometer. Jetzt erst kommt das sichtbare Licht. Das menschliche Auge kann elektromagnetische Strahlung im Bereich zwischen 0,75 Mikrometer und 0,40 Mikrometer wahrnehmen. Üblicher ist allerdings die Angabe der Wellenlängen in Nanometern (1 nm = 10-9 m): Das sichtbare Licht hat Wellenlängen zwischen 750 nm (ziemlich tiefes Rot, fast schon Infrarot) und 400 nm (ziemlich tiefes Violett, fast schon Ultraviolett). Andere Tiere können auch noch Infrarot oder Ultraviolett wahrnehmen, nicht aber der Mensch. Noch kürzerwellige elektromagnetische Strahlung gibt es auch, sie wir schon langsam so energiereich, dass sie für uns gefährlich ist. Zunächst kommt die Röntgenstrahlung mit Wellenlängen im Bereich 10-8 bis 10-10 m bzw. 10 bis 0,1 nm. Häufiges Röntgen ist schädlich für die Haut, die inneren Organe und die Fortpflanzungsorgane, deswegen muss man ja immer eine Bleischürze tragen, wenn man beim Arzt geröntgt wird. Ganz extrem kurzwellig ist dann die Gamma-Strahlung, wie sie bei kernchemischen Prozessen in Atomkraftwerken oder bei der Explosion einer Atombombe freigesetzt wird. Die Wellenlänge liegt hier zwischen 10-11 und 10-12 m bzw. 0,01 und 0,001 nm bzw. 10 und 1 pm (1 pm = 1 Picometer = 10-12 m). Licht ist der für das menschliche Auge sichtbare Bereich des elektromagnetischen Spektrums. Jeder kennt die Farben eines Regenbogens, die man auch dann erhält, wenn man weißes Sonnenlicht durch ein Prisma in seine Komponenten zerlegt. Ein doppelter Regenbogen, photographiert am 7. März 2019 Das Spektrum des sichtbaren Lichts beginnt mit Violett, geht dann über Blau, Cyan, Grün, Gelbgrün nach Gelb, Orange und schließlich Rot. Das ist aber noch lange nicht alles. Jenseits von Rot kommt das Infrarot (IR), und noch weiter im langwelligen Bereich ist die Radio-Strahlung angesiedelt. UV-Licht andererseits hat kürzere Wellenlängen als violettes Licht, ist daher auch energiereicher und kann bereits zu Hautschädigungen führen. Röntgenstrahlung ist noch kurzwelliger, energiereicher und gefährlicher, und die gamma-Strahlung ist sogar tödlich.
Sichtbares Licht ist nur ein kleiner Ausschnitt aus dem Bereich der elektromagnetischen Strahlung Licht ist der für das menschliche Auge sichtbare Bereich des elektromagnetischen Spektrums. Licht hat eine Wellenlänge zwischen 380 nm und 780 nm. In der Fachliteratur unterscheiden sich die Angaben darüber, was jetzt genau sichtbares Licht ist. In dem schönen Buch von Stephan Frings und Frank Müller, "Biologie der Sinne", liegt das sichtbare Licht bei Wellenlängen zwischen 400 und 750 nm. Wichtige FachbegriffeDie Wellenlänge ist der Abstand zwischen einem Wellenberg und dem nächsten. UV-Licht und violettes Licht ist kurzwellig, hat also eine geringe Wellenlänge, während rotes und IR-Licht langwellig ist, also eine große Wellenlänge hat. Je kurzwelliger das Licht, desto energiereicher ist es. Die Wellenlänge des sichtbaren Lichtes wird in nm (Nanometer) gemessen. 1 nm ist 1/1000 µm (Mikrometer), und 1 µm ist 1/1000 mm (Millimeter). Jetzt können Sie sich vielleicht vorstellen, wie klein die Wellenlänge sichtbaren Lichts ist. Unter der Frequenz versteht man dagegen die Anzahl der Wellenberge, die pro Sekunde im Auge des Betrachters ankommen. Kurzwelliges Licht (UV, Blau) hat eine hohe Frequenz, langwelliges Licht eine niedrige Frequenz. Für chemische Betrachtungen wie zum Beispiel in der Farbstoffchemie ist die Wellenlänge ein wichtigerer Begriff als die Frequenz.
Weißes Sonnenlicht besteht in Wirklichkeit aus vielen Farben. Das sieht man bei jedem Regenbogen. Man kann das aber auch experimentell beweisen, indem man Sonnenlicht durch ein Prisma schickt.
Weißes Licht wird durch ein Prisma in buntes Licht zerlegt. Das kurzwellige blaue Licht des Sonnenlichtes wird im von dem Prisma stärker gebrochen als das langwellige rote Licht. Daher zerlegt ein Prisma weißes Licht in die einzelnen Spektralfarben. Wird das so zerlegte Licht auf eine Fläche projiziert, sieht man die Regenbogenfarben eines Spektrums.
Ein klassischer Versuch aus der Physik Projiziert man umgekehrt rotes, blaues und grünes Licht auf eine Fläche, entsteht im Schnittpunkt dieser Farben wieder weißes Licht. Auch das ist ein Beweis dafür, dass weißes Licht sich aus verschiedenen Farben zusammensetzt. Weißes Licht besteht aus einer Vielzahl einzelner Farben. Mit einem Prisma kann man weißes Licht in die einzelnen Spektralfarben zerlegen. Umgekehrt kann man aus den Grundfarben Rot, Blau und Grün weißes Licht erzeugen. Page 2Die Frage, warum manche Stoffe farbig sind, kann man recht schnell beantworten: Wenn ein Stoff mit weißem Licht bestrahlt wird und dabei sichtbares Licht absorbiert, so erscheint er farbig. Weißes Licht fällt auf ein Blatt. Das Chlorophyll in den Chloroplasten der Zellen absorbiert hauptsächlich rotes Licht. Daher bleibt grünes Licht übrig - die Komplementärfarbe von Rot. Ein Blatt wird mit weißem Sonnenlicht bestrahlt. Die Chloroplasten des Blattes absorbieren hauptsächlich rotes Licht. Das rote Licht wird dem weißen Licht also "weggenommen". Das übrig gebliebene Licht ergibt für das menschliche Auge dann grünes Licht. Weißes Licht - rotes Licht = grünes Licht Subtrahiert man rotes Licht von weißem Licht, so bleibt die Komplementärfarbe übrig - nämlich grünes Licht. Blaubeeren dagegen erscheinen blau, weil sie vorwiegend gelbes Licht absorbieren: Weißes Licht - gelbes Licht = blaues Licht - so einfach ist das. Additive und Subtraktive FarbmischungSubtraktive FarbmischungBetrachten Sie Ihren Tintenstrahldrucker oder einen Künstler bei der Arbeit. Wenn der Tintenstrahldrucker auf eine Stelle des Papiers gleichzeitig Gelb, Cyan und Magenta druckt, dann entsteht ein schwarzer Fleck. Allerdings ist dieser Fleck nicht so richtig schwarz. Daher hat ja jeder Tintenstrahldrucker auch noch eine Schwarzpatrone, damit er richtig schwarzes Schwarz drucken kann. Wenn ein Maler kein Grün zur Verfügung hat, kann er Gelb und Blau mischen, um die Farbe Grün zu erhalten. Additive Farbmischung:Betrachten Sie nun Ihren Monitor mit einer starken Lupe. Sie sehen rote, blaue und grüne Pixel. Wenn alle drei Pixelsorten an einer Stelle des Bildschirms gleich stark leuchten, entsteht ein weißer Fleck. Mit dem klassischen Physik-Versuch kann man das gut demonstrieren:
Ein klassischer Versuch zur additiven Farbmischung Interessant ist hier auch, wie die Farbe Gelb entsteht. Nämlich durch Mischung der Farben Rot und Grün. Wir sollten jetzt aber mal langsam daran denken, dass wir uns im Fach Chemie befinden und nicht im Fach Physik. In der Chemie beschäftigt man sich mit chemischen Reaktionen. Zur Aufklärung von Reaktionsmechanismen untersucht man oft die Kinetik von Reaktionen. Denken Sie nur an die nucleophile Substitution. Hier gibt es zwei verschiedene Mechanismen, den SN1- und den SN2-Mechanismus. Beim SN1-Mechanismus ist der geschwindigkeitsbestimmende Schritt monomolekular, beim SN2-Mechanismus dagegen bimolekular. Um herauszubekommen, ob eine Reaktion mono- oder bimolekular abläuft, muss man die Reaktionsgeschwindigkeit der Umsetzung messen. Dazu ist es notwendig, in bestimmten Zeitabständen die Konzentration der Ausgangsstoffe oder Endprodukte zu ermitteln. Bei bestimmten chemischen Reaktionen entstehen Farbänderungen. Bei der Umsetzung von Natronlauge mit einer Phenolphthalein-Lösung bildet sich zum Beispiel eine violette Farbe. Gibt man eine bestimmte Menge Phenolphthalein zu einer stark verdünnten Natronlauge, bildet sich eine schwache Violettfärbung. Nimmt man dagegen eine stark konzentrierte Lauge, entsteht eine intensive Violettfärbung. Die Intensität der Farbe ist also ein Maß für die Konzentration der Natronlauge. Auf die gleiche Weise kann man eine Vielzahl anderer chemischer Reaktionen analysieren. Ein wichtiges Hilfsgerät für solche Untersuchungen ist das Spektrometer, das von einigen Leuten fälschlicherweise als Photometer bezeichnet wird. Das Grundprinzip dieses Gerätes wollen wir hier kennenlernen.
Mit Phenolphthalein versetzte Natronlauge absorbiert den größten Teil des eingestrahlten gelben Lichtes Wenn man wissen will, wie stark eine Phenolphthalein-Lösung gelbes Licht absorbiert, so kann man das experimentell herausfinden. Das obige Bild zeigt das Grundprinzip dieses Verfahrens: Man bestrahlt eine Küvette mit einer Phenolphthalein-Lösung mit gelbem Licht bestimmter Intensität, z.B. 100 Einheiten. Mit einem Photometer wird dann gemessen, wie stark die Intensität des durchfallenden Lichts ist. In diesem Beispiel: 25 Einheiten. Man hat also eine Absorption von 75% und eine Transmission von 25% gemessen.
Mit diesem Verfahren kann man nicht nur feststellen, wie stark Licht einer bestimmten Wellenlänge von einem Stoff absorbiert wird, sondern mit Hilfe des LAMBERT-BEERschen Gesetzes kann man sogar die Konzentration des Farbstoffs berechnen.
Grundprinzip eines Absorptions-Spektrometers Hier sieht man den grundsätzlichen Aufbau eines Spektrometers: Eine Lichtquelle strahlt weißes Licht aus, welches durch ein Prisma fällt. Das weiße Licht wird in ein Spektrum aufgefächert. Durch einen Spalt gelangt ein Abschnitt des Spektrums auf einen halb-durchlässigen Spiegel, der als Lichtteiler fungiert. Die Hälfte des Lichts fällt durch eine Vergleichsküvette mit dem Lösungsmittel, die andere Hälfte des Lichts geht durch eine Probenküvette mit dem im Lösungsmittel gelösten Farbstoff. Zwei Photozellen bzw. Photometer ermitteln die Intensität des jeweils durchfallenden Lichts. Ein Prozessor berechnet aus den Messwerten der beiden Photozellen und der Intensität des einfallenden Lichts die Absorption.
Ein Absorptionsspektren von Blattgrün-Extrakt Das obige Photo entstand in der Chemiestunde am 4. November 2020, als ich mit meinen Schüler(innen) grüne Blätter untersucht haben. Die Blätter wurden in einem Mörser mit Seesand und Propan-2-ol zerrieben, der Extrakt wurde dann filtriert und in unserem Absorptions-Spektrometer untersucht. Angeschlossen war ein Laptop mit einem entsprechenden Programm, welches das Spektrum anzeigte. Das Bild oben wurde vom Bildschirm des Laptops abphotographiert. Ein Blattgrün-Extrakt absorbiert hauptsächlich blaues und rotes Licht. Die Farbe des Blattgrüns ist eine Mischung aus den beiden Komplementärfarben Gelb und Grün. Ein Absorptionsspektrum für eine Phenolphthalein-Lösung finden Sie auf der Webseite www.researchgate.net. Page 3Wenn Sie diese Seite durchgearbeitet haben, sollten Sie Zunächst wollen wir diesen wichtigen Begriff an einem ganz einfachen Beispiel klären, am denkbar einfachsten Beispiel überhaupt, nämlich dem Wasserstoff-Atom. In einem zweiten Schritt werden wir dann erfahren, wie größere Moleküle Licht absorbieren. Absorption von grünem und blauem Licht durch ein H-Atom In dem Bild sehen wir links ein Wasserstoff-Atom mit dem Elektron auf der K-Schale. Durch Einstrahlung von grünem Licht wird dieses Elektron so stark angeregt, dass es auf die nächste Schale springt, die L-Schale. Hier handelt es sich um einen sogenannten Quantensprung. Rotes Licht hätte für diesen Quantensprung nicht ausgereicht, da es energieärmer ist als grünes Licht. Blaues Licht dagegen ist so energiereich, dass das Elektron sogar auf die M-Schale "befördert" werden kann. Moleküle haben im Gegensatz zu Atomen viele verschiedene Elektronen. Das Schalenmodell kann die Verhältnisse in Molekülen nicht mehr so gut erklären, auch das Kugelwolkenmodell ist hier nicht optimal, so dass man schon zum Orbitalmodell des Atoms greifen muss. Trotzdem versuche ich hier mal, die Absorption bei Molekülen so einfach wie möglich zu erklären - ganz ohne Orbitalmodell geht das allerdings nicht. Zumindest der Unterschied zwischen einem sp3- und einem sp2-hybridisierten Kohlenstoff-Atom sollte Ihnen klar sein, auch sollten Sie wissen, was ein p-Orbital ist. Für den Chemie-Grundkurs sollte das dann reichen. Bei der organischen Farbstoffchemie spielen eigentlich nur die sogenannten pi-Elektronen eine entscheidende Rolle, also die Elektronen, die sich in den p-Orbitalen sp2-hybridisierter Kohlenstoff-Atome aufhalten. Zwei benachbarte sp2-hybridisierte Kohlenstoff-Atome können nun eine C=C-Doppelbindung bilden, bei der sich die beiden p-Orbitale der C-Atome schwach überlappen. Schauen wir uns einmal das einfachste Molekül mit einer C=C-Doppelbindung an, das Ethen-Molekül. Für jedes p-Orbital in dem Molekül gibt es nun ein sogenanntes pi-Molekülorbital (kurz MO). Da das Ethen-Molekül zwei dieser p-Orbitale besitzt, gibt es auch zwei dieser pi-Molekülorbitale. Jedes pi-Molekülorbital kann nun zwei Elektronen aufnehmen (das kennen wir ja bereits vom Kugelwolkenmodell, jede Kugelwolke kann ja auch nur zwei Elektronen aufnehmen).
Die Molekülorbitale des Ethens und die Wirkung von UV-Licht Links in dem Bild sieht man die Energieniveaus dieser beiden Molekülorbitale. Eines dieser Molekülorbitale hat eine sehr niedrige Energie, das andere eine hohe. Die beiden Elektronen der p-Orbitale halten sich natürlich in dem Molekülorbital auf, das energetisch am günstigsten ist, also in dem unteren Molekülorbital. Dieses Molekülorbital wird daher auch als bindendes Molekülorbital bezeichnet. Das darüberliegende energetisch ungünstige Molekülorbital ist dagegen ein anti-bindendes Molekülorbital. Normalerweise ist dieses Molekülorbital nicht von Elektronen besetzt. Denken wir noch einmal kurz an das Wasserstoff-Atom zurück. Das einzige Elektron des H-Atoms sitzt auf der K-Schale, weil die energetisch am günstigsten ist. Durch Zufuhr von Lichtenergie kann man dieses Elektron jedoch so anregen, dass es auf die energetisch höherwertige L-Schale springt. Auch bei Molekülorbitalen ist das möglich. Durch Absorption von UV-Licht wird eines der beiden pi-Elektronen des bindenden Molekülorbitals auf das anti-bindende Molekülorbital befördert. So also ungefähr funktioniert die Absorption von Licht bei organischen Molekülen. Genaueres dazu erfahren Sie in dem nächsten Abschnitt, in dem es um die Farbigkeit organischer Verbindungen geht. Bevor Sie sich diesen Abschnitt zu Gemüte führen, sollten Sie sich allerdings in das Orbitalmodell des Kohlenstoff-Atoms einlesen; das wäre doch schon sehr hilfreich. Page 4Das Aufmacherbild habe ich selbst erstellt. Es zeigt irgendwelche Leuchtdioden, die ich abends in meinem Arbeitszimmer aufgenommen habe. Das Bild bezieht sich direkt auf die Frage, was ist überhaupt Farbe?
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Welche farbe hat das licht
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