Description
Thematischer Rahmen:
Im ersten Teil wird den Schüler*innen das Konzept der Energieumwandlung in Molekülen nahe gebracht. Dafür wird die Lumineszenz unterschiedlicher Stoffe untersucht. Hierbei werden Moleküle zuerst in einen elektronisch angeregten Zustand versetzt und geben anschließend Energie in Form von Licht ab, um wieder ihn ihren elektronischen Grundzustand zu gelangen. Die Anregung, also die Aufnahme oder Absorption von Energie kann auf unterschiedlichen Wegen erfolgen. Man unterscheidet grundsätzlich zwei Vorgänge:
- Chemolumineszenz: Angeregte Mole-küle entstehen durch Aufnahme von Energie aus einer chemischen Reaktion.
- Fluoreszenz: Angeregte Moleküle ent-stehen durch Aufnahme der Energie von elektromagnetischer Strahlung, z.B. Lichtwellen.
Ein Spezialfall der Chemolumineszenz ist die Biolumineszenz. Hier erzeugen lebende Organismen chemische Reaktionen, deren Energie wiederum auf „Leuchtmoleküle“ übertragen werden (z.B. Glühwürmchen, Quallen, Tiefseeorganismen)
Im zweiten Teil wird die Farbe von Stoffen unter physikalischen Gesichtspunkten untersucht. Sichtbares Licht nennt man den Teil des elektromagnetischen Spektrums, welchen wir mit den Augen als Farben war nehmen. Dabei kann jeder Farbe eine bestimme Wellenlänge, und damit Energie zugeordnet werden. Die Farbe eines Stoffes resultiert aus dem Verhältnis der absorbierten Lichtenergie zur reflektierten Lichtenergie.
Dieses Verhältnis kann mit einem UV-Vis Spektrometer analysiert werden. Dieses Spektrometer misst nacheinander die Absorption von Licht bei allen Wellenlängen im sichtbaren (vis) und ultravioletten (UV) Bereich. Die Auftragung der Absorption gegen die Wellenlänge wird Absorptionsspektrum genannt. Jedes Molekül hat dabei ein ganz charakteristisches Absorptionsspektrum, welches verwendet werden kann, um einerseits Stoffe zu identifizieren, ihre Konzentration zu bestimmen und um Rückschlüsse auf den molekularen Zustand zu ziehen. Die UV-Vis Spektroskopie ist eine sehr einfache, aber auch vielseitige Analysemethode, die in praktisch allen naturwissenschaftlichen Fachgebieten (Chemie, Physik, Biologie, Medizin, etc. ) Anwendung findet, aber von der auch im alltäglichen Leben Gebrauch gemacht wird, wie z.B. beim Blutspenden oder der Qualitätskontrolle von Produkten.
Versuche:
Teil 1:
Klassische Chemilumineszenz und Energietransfer:
Im Experiment wird durch eine Chemische Reaktion von Luminol mit Sauerstoff (O2) eine Lichtreaktion erzeugt. Verschiede Zusätze verändern dabei die Farbe des abgegebenen Lichts.
Aktivierte Chemiluminsezent – „Knicklichtchemie“:
Im Experiment werden zuerst ein paar der Reaktionen in Lösung nachgestellt, die in Knicklichtern Verwendung finden. Dabei wird Energie einer chemischen Reaktion auf ein anders Molekül übertragen, welches dadurch angeregt wird. Mittels aussenden von Licht relaxiert das Molekül wieder in seinen Ausgangszustand. Anschließend dürfen die Schüler*innen sich selbst Knicklichter in unterschiedlichen Farben bauen.
Fluoreszenz:
Es wird untersucht, inwieweit sich die Moleküle aus den ersten beiden Versuchen auch mit UV-Licht in einen angeregten Zustand versetzen lassen, der dann wieder durch Aussenden von Licht in den Grundzustand relaxiert. Im besonderen wird die Fluoreszenz von Blattgrün (Chlorophyll) untersucht. Diese Fluoreszenz wird in der satellitengesteuerten Klimaforschung verwendet, um die Gesundheitszustand und Bewuchs von grossflächigen Grünflächen, wie z.b. Regenwaldgebieten, zu überwachen.
Teil 2:
UV-Vis Spektroskopie:
Mit UV-Vis Absorptiosspektroskopie soll die Farbwahrnehmung an Beispielen erklärt werden. Dafür werden die Absorptionsspektren verschiedener Lösungen aufgenommen.
Untersucht werden sollen unter anderem die Biostoffe Chlorophyll a (grün) und Cytochrom c (rot), die ähnliche Kofaktoren (kleine Hilfsmoleküle) enthalten, aber sehr unterschiedliche Farben haben.
Im Vergleich der Spektren lässt sich der Zusammenhang zwischen den absorbierten Wellenlängen und der Farbe der Probelösung erkennen. Außerdem wird versucht, den Oxidationszustandes des zentralen Eisen-Atoms in der Häm-Gruppe zu bestimmten, sowie die Konzentration des Stoffes in der Lösung mittels des Lambert-Beersch’en Gesetzes.
