Didaktik der Chemie / Universität Bayreuth

Stand: 22.02.19


Thermochromie
Chemie ist bunt!

Vortrag von Theresa Attenberger im Rahmen der "Übungen im Vortragen mit Demonstrationen
Organische Chemie" - SS 18


Gliederung:

Thermochromie - das Phänomen

Thermochrome Tinte
     2.1 Das Mischen einer thermochromen Tinte
     2.2 Die Komponenten einer thermochromen Tinte

Der Farbwechsel
     3.1  Der Indikator Phenolphthalein
     3.2  Der Mechanismus
     3.3  Das Triarylmethan
     3.4  Der Farbwechsel


Einleitung: Thermochromie ist ein Phänomen, das den meisten Menschen bereits in ihrem Alltag, entweder bewusst oder unbewusst, begegnet ist. in Beispiel hierfür sind die Gelschreiber der Firma Pilot® Frixion. Diese lassen sich im Gegensatz zu herkömmlichen Gelschreibern mit einem Gummistück am Stiftende radieren. Grund dafür ist die thermochrome Tinte des Stiftes.

pilot_frixion
Abb. 1: Gelschreiber der Firma Pilot® Frixion [1]


1 Thermochromie - das Phänomen

Das Wort "Thermochromie" setzt sich aus den beiden griechischen Worten "thermos" (=Temperatur) und "chroma" (=Farbe) zusammen.

Dementsprechend handelt es sich bei Thermochromie um ein Phänomen, bei welchem eine Farbänderung auf Grund einer Temperaturänderung eintritt.

Die wohl bekanntesten Alltagsbeispiele für Thermochromie sind Tassen, die bei Heißgetränken die Farbe ändern, hitzeempfindliches Babybesteck, Gefühlsringe oder hitzesensibler Nagellack.

thermochrome_tasse thermochromer_nagellack
Abb. 2: Farbänderung der Tasse durch Temperaturänderung [2] Abb. 3: Hitzesensibler Nagellack [3]

2 Thermochrome Tinte

2.1 Das Mischen einer thermochromen Tinte

Experiment Mischen einer thermochromen Tinte
Material
  • 20 mL Messzylinder
  • Reagenzglas
  • Reagenzglashalter
  • Gasbrenner
  • Reagenzglasständer
  • (250 mL Becherglas)
Chemikalien
  • 1-Butanol
  • Ethylendiamin
  • Phenolphthalein
  • (Eis; Trockeneis)
 
Durchführung 1  20 mL Butanol werden mit 4 mL Ethylendiamin in einem Reagenzglas gemischt. Anschließend werden 2 – 3 Tropfen Phenolphthaleinlösung zugegeben.
Beobachtung 1  Die vorher schwach gelbliche bis farblose Lösung färbt sich nach der Zugabe von Phenolphthalein stark pink.
Durchführung 2  Die Lösung wird im Reagenzglas in der Gasbrennerflamme unter Schwenken erhitzt.
Beobachtung 2  Während dem Erhitzen entfärbt sich die Lösung.
Durchführung 3  Nach dem Erhitzen wird die Lösung wieder abgekühlt. Das Reagenzglas kann entweder in den Reagenzglasständer oder, zum Beschleunigen des Vorgangs, auch in ein Becherglas mit Wasser und Eis oder Trockeneis gestellt werden.
Beobachtung 3  Nach dem Abkühlen der Lösung tritt wieder die stark pinke Färbung vom Anfang auf.

2.2 Die Komponenten einer thermochromen Tinte

Komponenten aus dem Versuch Stoffklasse Besonderheiten / Funktionen
 1-Butanol  Lösemittel   Alkohole oder Ester ≥ C4
 Ethylendiamin  Säure / Base
(im Beispiel: Base)
  • Moleküle, die Protonen abgeben können, nennet man Säuren.
  • Bsp.: Alkylphenole (pKs > 10)
  • Moleküle die Protonen aufnehmen können nennt man Basen.
  • Bsp.: Aliphatische Amine, Diamine
 Phenolphthalein  Indikator Stoffe, die auf Grund einer pH-Änderung die Farbe wechseln.

3 Der Farbwechsel

3.1 Der Indikator Phenolphthalein

  • Phenolphthalein ist einer der bekanntesten pH-Indikatoren.
  • Im Basischen bis pH-Wert 8,2 ist der Indikator pink, während er bei niedrigeren pH-Werten farblos erscheint.

phenolphthalein
Abb. 4: Phenolphthalein

3.2 Der Mechanismus

  • Bei der Farbänderung findet eine Wechselwirkung zwischen einer schwachen Säure / Base und einem Indikator in einem geeigneten Lösungsmittel statt.
  • Im Versuch findet die Wechselwirkung zwischen der schwachen Base, Ethylendiamin und dem Indikator, Phenolphthalein statt. Das Lösungsmittel ist hierbei 1-Butanol.
  • In Abhängigkeit von der Termperatur ändert sich das Protonierungsgleichgewicht, wodurch ein Farbwechsel hervorgerufen wird.
  • Beim Abkühlen wird die farblose Laktonform von Phenolphthalein (sp3-hybridisiert) durch Ethylendiamin deprotoniert, weswegen sie in die farbige (pinke) chinoide Säureform (sp2-hybridisiert) umgelagert wird.
  • Durch das Abkühlen der Lösung, stellt sich ein neues Gleichgewicht ein, das auf der Seite der chinoiden Säureform (farbig) liegt.
Abkühlvorgang:

phenolphthalein_mech
Abb. 5: Mechanismus von Phenolphthalein und Ethylendiamin

3.3 Das Triarylmethan

  • Die Farbigkeit hängt mitunter von der räumlichen Struktur der Triarylmethan-Einheit (rot) ab.
  • Genau diese Einheit kommt auch in vielen anderen Indikatoren, wie Bromthymolblau und Phenolrot, vor.

triarylmethan
Abb. 6: Triarylmethan

bromthymolblau phenolrot
Abb. 7: Bromthymolblau Abb. 8: Phenolrot

3.4 Der Farbwechsel

Hybridisierung:

phenolphthalein_temperatur
Abb. 9: Phenolphthalein bei Temperaturänderungen

Protonierte Form Deprotonierte Form
  • zentrales C-Atom ist sp3-hybridisiert
  • nicht planar
  • drei voneinander unabhängige delokalisierte π-Elektronen-Systeme
  • zentrales C-Atom ist sp2-hybridisiert
  • planar
  • ein delokalisiertes π-Elektronen-System, das sich über das ganze Molekül erstreckt
Farblos
(warm)
Farbig (Pink)
(kalt)

Farbverschiebung:
  • Beim Abkühlen tritt der bathochrome Effekt auf. Hierbei findet eine Verschiebung des Absorptionsspektrums in den längerwelligen, energieärmeren Bereich des elektromagnetischen Spektrums statt (Rotverschiebung).[5]
  • Beim Erwärmen tritt der hypsochrome Effekt auf. Hierbei findet eine Verschiebung des Absorptionsspektrums in den kürzerwelligen, energiereicheren Bereich des elektromagnetischen Spektrums statt (Blauverschiebung).[6]

Zusammenfassung:

  1. Durch Temperaturveränderungen stellt sich in thermochromen Farbstoffen das Säure-Base-Gleichgewicht neu ein. Dadurch liegt der Indikator entweder in der protonierten oder der deprotonierten Form vor, wodurch sich die Farbe verändert.

  2. Im Anfangsbeispiel wird durch die Reibung beim Radieren Wärme erzeugt, die dazu führt, dass die thermochrome Tinte "verschwindet". Durch längeres Aufbewahren im Kühlschrank kann die Farbe wieder hervorgerufen werden.

tinte_kalt tinte_warm
Abb. 10: Zeichnung mit thermochromer Tinte "kalt" Abb. 11: Zeichnung mit thermochromer Tinte "warm"

Abschluss:  Thermochromie ist nicht nur eine Spielerei, die man in Ringen, Stiften oder Tassen vorfindet. Auch in der Technik hat die Farbänderung durch Temperatur Anwendung gefunden. Thermochromes Fensterglas beispielsweise dunkelt sich bei extremer Sonneneinstrahlung und somit bei höherer Temperatur von selbst ab.

thermochromes_fenster
Abb. 12: Thermochromes Fensterglas [4]


Literatur:

  1. https://picclick.co.uk/PILOT-friXion-ERASABLE-ROLLERBALL-PENS-GEL-INK-MEDIUM-262298327915.html#&gid=1&pid=1, 20.02.2019
  2. http://www.leblogdeco.fr/stars-mug-les-etoiles-drapeau-americain/mug-magique-drapeau-americain/, 20.02.2019
  3. https://de.aliexpress.com/item/10ml-Thermal-Temperature-Gel-Nail-Polish-Color-Change-UV-Gel-Varnishes-Lacquer-Soak-Off-Polish-Manicure/32815402741.html?spm=a2g0x.10010108.1000016.1.4b9a5ca7oQ7hOU&isOrigTitle=true, 20.02.2019
  4. https://www.fensterversand.com/info/verglasung/thermochromes-glas.php, 21.02.2019
  5. http://www.chemie.de/lexikon/Bathochromer_Effekt.html, 21.02.2019
  6. http://www.chemie.de/lexikon/Hypsochromer_Effekt.html, 21.02.2019
  7. Leppin I., Voß C., Freiberg J., Evers R., Flint A., Thermochromie – ein altes und neues faszinierendes Phänomen, ChemKon, 2008, 15/1
  8. https://www.dgzfp.de/Portals/24/IZ/PDF/Jugend%20forscht/Mecklenburg-Vorpommern%20050815.pdf, 21.02.2019
  9. http://www.chemieunterricht.de/dc2/tip/17_07.htm, 21.02.2019

E-Mail: Walter.Wagner ät uni-bayreuth.de