Solvatochromie

Allgemein versteht man unter der Solvatochromie die Beeinflussung der Farbe eines Farbstoffes durch Lösungsmittel (Solvens). Die erkennbare Farbe der Lösung beruht auf Wechselwirkungen des Farbstoffes einerseits mit den Solvensmolekülen und auf den gegenseitigen Wechselwirkungen der Solvensmoleküle andererseits. Man unterscheidet zwischen der negativen Solvatochromie, die eine hypsochrome (farbaufhellende) Verschiebung bewirkt, und der positiven Solvatochromie, die eine bathochrome (farbvertiefende) Wirkung nach sich zieht. Meist (gewohnheitsmäßig) spricht man von der „Polarität“ einer Flüssigkeit, wobei man zu wissen glaubt, was Polarität ist. Wenn die Wechselwirkungen der Solvensmoleküle untereinander beträchtlich sind, dann werden sie auch beträchtliche Auswirkungen auf die gelösten Moleküle ausüben. Es gibt verschiedene Indikatoren für die zwischenmolekularen Wechselwirkungen in Flüssigkeiten: Bei vergleichbaren Substanzen werden die Wechselwirkungen mit steigender molarer Masse größer und das erhöht die Siedetemperatur. Mit der Molmasse nimmt auch die „Oberfläche“ von Teilchen zu und an der Oberfläche greifen die zwischenmolekularen Wechselwirkungen an. Dabei sind neben elektromagnetischen Kräften auch „unpolare“ Massen wirksam. Bei Isomeren geben Messwerte für Dichte, Viskosität und Oberflächchenspannung Hinweise auf unterschiedlich stark ausgeprägte strukturabhängige Wechselwirkungen. Mit zunehmender Temperatur nehmen die vorhandenen Wechselwirkungen zwischen Solvensmolekülen ab. Dadurch verringern sich auch die Wechselwirkungen mit gelösten Teilchen. Einige Farbstoffe interagieren in Lösung mit ihrer Umgebung und fungieren dabei als Indikatorfür zwischenmolekulare Wechselwirkungen. Lösungen dieser solvatochromen Farbstoffe ändern ihre Farbe mit der Temperatur , d.h. sie sind auch thermochrom.

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Negative Solvatochromie

Bei der negativen Solvatochromie überwiegt im Grundzustand des Farbmoleküls ein polarer mesomerer Zustand (Grenzformeln mit Partialladungen). Deshalb wird das Energieniveau des Stoffes umso stärker abgesenkt, je polarer das Lösungsmittel ist. Das Niveau des angeregten Zustandes des Moleküls bleibt annähernd gleich. Somit werden die Wellenlängen des Absorptionsmaximums umso kleiner (und damit energiereicher), je polarer das Lösungsmittel ist. Es wird also mehr Energie für die Absorption notwendig, eine hypsochrome Verschiebung findet statt. Das Absorptionsmaximum des gelösten Farbstoffes verschiebt sich mit zunehmender Wechselwirkung des verwendeten Solvens vom roten Bereich des sichtbaren Spektrums in Richtung zum violetten Teil z.B. rot -> orange -> gelb -> grün -> blau -> violett – deshalb sind Lösungen in weniger wechselwirksamen Solventien z.B. grün; während die Farbe in stärker wechselwirkenden Solventien über türkis, blau, purpur, rot und orange bis gelb reichen kann). Substanzen mit negativer Solvatochromie lösen sich besser in stark wechselwirksamen Lösungsmittel (Wasser / Alkohole) als in Alkanen, die als schwach wechselwirkend gelten.

Positive Solvatochromie

Bei der positiven Solvatochromie überwiegt im Grundzustand des Farbmoleküls hingegen eine unpolare Grenzstruktur. Durch zunehmend polare Lösungsmittel wird der Grundzustand destabilisiert, das Energieniveau erhöht und die Wellenlänge des Absorptionsmaximums immer länger. Es wird weniger Energie für die Absorption benötigt, eine bathochrome Verschiebung findet statt (die Farbe des Farbstoffes verschiebt sich vom violetten Teil des sichtbaren Spektrums in Richtung zum roten Teil z.B. rot <- orange <- gelb <- grün <- blau <- violett).