Aufgabe 3 - Farbstoffe und Fotometrie · Abitur NRW Chemie LK · Nachtermin 2022

1. Geben Sie mit Begründung an, zu welcher Farbstoffklasse Sudanrot 7B und Solvent Yellow 124 gehören. Erklären Sie anhand von Solvent Yellow 124, wie Struktur und Farbigkeit zusammenhängen. Erklären Sie die Farbverschiebung, die bei der Umwandlung von Solvent Yellow 124 in die hydrolysierte Form auftritt, und geben Sie dabei auch eine weitere mesomere Grenzstruktur der hydrolysierten Form an. Erklären Sie die rote Farbe von Sudanrot 7B im Vergleich zu Solvent Yellow 124.

Lösung: • Beide Farbstoffe gehören zur Klasse der Azofarbstoffe (aufgrund der kennzeichnenden Azo-Gruppe $-\text{N}=\text{N}-$). • Zusammenhang zwischen Struktur und Farbigkeit (Solvent Yellow 124): Das Molekül besitzt ein ausgedehntes System konjugierter Doppelbindungen (Chromophor) aus den aromatischen Ringen und der Azo-Gruppe, in dem $\pi$-Elektronen delokalisiert sind. Durch die Absorption von Lichtquanten im sichtbaren Bereich (blaues Licht bei ca. $410\text{–}420\text{ nm}$) werden $\pi$-Elektronen in ein energetisch höheres Orbital angeregt ($\pi \rightarrow \pi^*$). Das nicht absorbierte Licht wird als Komplementärfarbe (Gelb) wahrgenommen. Die tertiäre Aminogruppe wirkt dabei durch ihren freien Elektronenpaardonator-Effekt ($+M$-Effekt) als Auxochrom. • Farbverschiebung bei der Hydrolyse: Das Hydrolysat absorbiert bei größeren Wellenlängen (Absorptionsmaximum um $520\text{ nm}$, blau-grün) und erscheint rot. Die Anregung der Elektronen erfordert somit energieärmeres Licht. Durch die Protonierung am Stickstoffatom entsteht eine positiv geladene Gruppe mit $-M$-Effekt (Antiauxochrom), die mit dem restlichen konjugierten System und dem Stickstoff der Azo-Gruppe in Wechselwirkung tritt (Push-Pull-System), was den bathochromen Effekt bewirkt. • Weitere mesomere Grenzstruktur: • Vergleich mit Sudanrot 7B: Sudanrot 7B besitzt durch zwei Azo-Gruppen und ein Naphthyl-Ringsystem ein deutlich längeres konjugiertes $\pi$-Elektronensystem (größerer Chromophor) als Solvent Yellow 124. Dadurch sinkt der Energieabstand $\Delta E$ zwischen Grund- und angeregtem Zustand weiter; es wird energieärmeres Licht (im blau-grünen Bereich) absorbiert, sodass die Verbindung rot erscheint.

4. Erläutern Sie das photometrische Vorgehen, mit dem man im Anschluss an den Schnelltest in der wässrigen Phase die Konzentration von Solvent Yellow 124 und damit den Heizölanteil einer Dieselprobe ermitteln kann. Begründen Sie, weshalb die Messung bei einer Wellenlänge von $\lambda = 520\text{ nm}$ erfolgt.

Lösung: • Photometrisches Vorgehen: 1. Herstellen einer Verdünnungsreihe / Kalibrierlösungen mit bekannter Konzentration des protonierten Hydrolysats von Solvent Yellow 124. 2. Messung der Extinktion der Kalibrierlösungen im Photometer bei $\lambda = 520\text{ nm}$ zur Erstellung einer Kalibriergeraden (gemäß Lambert-Beer-Gesetz: $E = \varepsilon_\lambda \cdot c \cdot d$). 3. Messung der Extinktion der aus der Dieselprobe extrahierten wässrigen Phase unter identischen Bedingungen. 4. Ablesen bzw. rechnerisches Bestimmen der zugehörigen Konzentration $c$ anhand der Kalibriergeraden und Rückrechnung auf den Gehalt an Solvent Yellow 124 (und somit auf den Anteil an Heizöl, da diesem $6\text{ mg/L}$ zugesetzt sind). • Begründung für $\lambda = 520\text{ nm}$: Bei $\lambda = 520\text{ nm}$ liegt das Absorptionsmaximum der hydrolysierten Form von Solvent Yellow 124 (hoher molarer Extinktionskoeffizient $\varepsilon$). Hier ist die Extinktion am größten und die Messgenauigkeit bzw. Empfindlichkeit der Methode optimal. Zudem absorbiert die nicht hydrolysierte Form bei dieser Wellenlänge nicht mehr, sodass Störungen minimiert werden.