BARWY W CHEMII

Katedra Chemii Organicznej i Stosowanej UŁ

Dr Emilia Obijalska

Akademia Ciekawej Chemii

Czym jest światło?

Czym jest światło?

Rozszczepienie światła białego przez pryzmat

Fala elektromagnetyczna przechodząc przez granicę ośrodków ulega załamaniu.Prędkość rozchodzenia się fali zależy od częstotliwości i fale o różnej częstotliwościzałamują się pod różnymi kątami, co jest przyczyną rozszczepienia wiązki światłabiałego na składowe.

Doświadczenie

•Rozszczepienie światła białego

Rozszczepienie światła w przyrodzie - tęcza

Tęcza powstaje gdy promienie słoneczne padające zza pleców obserwatora załamująsię i odbijają w kroplach wody znajdujących się w powietrzu.Tęcza główna: światło słoneczne najpierw załamuje się w kropli deszczu, a potemczęść wiązki odbija się od tylnej warstwy i ponownie załamuje się a następniewychodzi na zewnątrz w postaci pasma barw.Tęcza wtórna (barwy ułożone odwrotnie): powstaje z promieni, które dwukrotnie ulegnąodbiciu wewnątrz kropli deszczu

Dlaczego widzimy kolory?

zakres nm absorbowane światło barwa związku

400-435 fioletowe żółto-zielona █

435-480 niebieskie żółta █

480-490 niebiesko-zielone pomarańczowa █

490-500 zielono-niebieskie czerwona █

500-560 zielone purpurowa █

560-580 żółto-zielone fioletowa █

580-595 żółte niebieska █

595-605 pomarańczowe niebiesko-zielona █

605-750 czerwone zielono-niebieska █

Związki absorbują światło

Wrażenie barwy tworzy się poprzez odbicie od przedmiotu(barwnika) nie pochłoniętych fragmentów widma światłabiałego. Takie promieniowanie pozbawione części, która uległaabsorpcji przez obiekt staje się światłem barwnym.

Dlaczego widzimy kolory?

Związki absorbują światło

Wrażenie barwy tworzy się poprzez odbicie od przedmiotu(barwnika) nie pochłoniętych fragmentów widma światłabiałego. Takie promieniowanie pozbawione części, która uległaabsorpcji przez obiekt staje się światłem barwnym.

‘koło barw’

Dlaczego związki absorbują światło?

Elektron to ładunek ujemny orbitujący wokół dodatnio naładowanego jądra(oscylujący dipol).

Fotony z zakresu światła widzialnego i ultrafioletu są absorbowane powodującprzejścia elektronów ze stanu podstawowego do wzbudzonego.

Jeśli częstość drgania dipola odpowiada częstości światła wtedy zachodziabsorpcja promieniowania.

Widma UV-Vis są ‘zapisem graficznym’ ilości absorbowanegopromieniowania o danej długości fali.

widmo UV-Vis

związki barwne

organiczne

zawierające

sprzężony układ elektronów π

nieorganiczne

zawierające

jony metali grup pobocznych

związki kompleksowe

nieorganiczno-organiczne

kompleksy metali z ligandami organicznymi

(zawierającymi sprzężony układ elektronów π)

L L

L

L

L

L

Mn+

LK = 6

Mn+

atom (jon) centralny

Lligand

(z wolną parą elektronową)np.: H2O, NH3, CN-, OH-

OO NN

C C

N Nn

Przejścia elektronowe – związki organiczne

Różnica między energią orbitali π i π* zmniejsza się wraz z wydłużeniem sprzężonego układu wiązań podwójnych; absorbowana fala o większej długości (mniejsza energia

potrzebna do wzbudzenia elektronu).

H

HH

HH H

O

Barwne związki organiczne

chromofor ( z łac. chroma – barwa, foros – niosący) część cząsteczki, która jest bezpośrednio odpowiedzialna za absorpcje promieniowania ( z zakresu światła widzialnego)

a tym samym za występowanie barwy

auksochromugrupowanie atomów, które wprowadzone do cząsteczki

związku organicznego powoduje nasilenie jego barwynp.: grupy –OH, –NH2, –SH

OO NN

C C

N Nn

chromofory

polienowy

chinoidowy iminochinoidowy

azowy

β-Karoten pomarańczowy barwnik w marchewceW cząsteczkach posiadających dużą liczbę sprzężonych wiązań π (i wolnych parelektronowych n) różnica energii między stanem podstawowym i wzbudzonym staje się natyle mała, że absorpcja zachodzi w regionie widzialnym widma elektromagnetycznego.

β-Karoten:•system 11 sprzężonych wiązań π•absorpcja niebieskiego światła (obserwowana barwa pomarańczowa)

NN

NH2

NN

OHNO

2

NN

NH2

OH

OH

NO2

żółcień aniliniowa czerwień para

czerń eriochromowa

Ar NH2

Ar N N

R

N

R

NAr

HNO2, HCl

~0oC

+Cl

_

R = NH2, NR2, OH, OR

Związki azowe

Reakcje sprzęgania soli diazoniowych

Doświadczenie

•Otrzymywanie związku azowego

Doświadczenie

•Otrzymywanie związku azowego

NH2

N N

OH

N

OH

NHNO2, HCl

~0oC

+Cl

_

NN

NCH

3

CH3

O3S

H

NN

NCH

3

CH3

O3S

forma kwasowa

_ _

+

OH

H

_

+

forma zasadowa

pH < 3.2 pH > 4.4

kolor czerwony kolor żółty

Wskaźniki pH

oranż metylowy

fenoloftaleina

O

OH

OH

O

O

O

O

O

forma kwasowa

OH

H

_

+

forma zasadowa

pH < 8.3 pH > 10

bezbarwna kolor różowy

Antocyjany - wskaźniki pH występujące w przyrodzie

O

R

OH

R

OR

OR

OH O

R

OH

R

OR

OR

O+

1

2

1

2

forma kwasowa

OH

H

_

+

forma zasadowa

kolor czerwony kolor zielony lub niebieski

Doświadczenie

•Zmiana barwy wskaźników pH

Barwnik czerwonyBarwnik niebieski

•maksimum absorpcji przy 524 nm•absorpcja promieniowania zielonego

•maksimum absorpcji przy 630 nm•absorpcja promieniowania pomarańczowego

Barwniki w żywności

Nie każdy związek barwny to barwnik!

Barwnik: przenika w głąb włókna (lub innego materiałubarwionego) i jest odporny na wymywanie (pranie) orazdziałanie promieni słonecznych.

Substancja barwna vs. barwnik

Barwnik: substancja rozpuszczalna w stosowanym medium;w postaci rozpuszczonej przenika nośnik (po czymewentualnie może stawać się nierozpuszczalna).

Pigment: substancja (organiczna lub nieorganiczna)nierozpuszczalną w stosowanym ośrodku; aby zabarwić lubzamaskować (pokryć) podłoże; w czasie procesu barwieniapozostaje w postaci krańcowo rozdrobnionego ciała stałego(kryształy lub ziarna).

chromoforauksochrom grupa umożliwiającawiązanie z podłożem

•Fe(H2O)63+

•Fe(CN)63-

•PCl6-

Przejścia elektronowe d-d – związki nieorganiczne

Kompleksy oktaedryczne

Kompleksy tetraedryczne

średnia energiaorbitali d

‘wolny’ jonmetalu

ENER

GIA

średnia energiaorbitali d

‘wolny’ jonmetalu

ENER

GIA

energia orbitali d w otoczeniu ligandów

energia orbitali d w otoczeniu ligandów

•Zn(H2O)42+

•Cu(NH3)42+

•CoCl42-

•MnO42-

Szereg spektrochemiczny

Ligandy powodujące silne rozszczepienie (absorpcjawysokoenergetyczna) – kompleksy bezbarwne lubjasnożółte.

Ligandy powodujące małe rozszczepienie (absorpcjaniskoenergetyczna) – kompleksy barwne.

I- <Br- < SCN- < Cl- < F- < OH- < H2O < NH3 < CN-

Mn2+ < Ni2+ < Co2+ < Fe2+ < Fe3+ < Cr3+ < Co3+

Wzrost energii rozszczepienia orbitali d(ten sam jon centralny, różne ligandy)

Wzrost energii rozszczepienia orbitali d(różne jony centralne , ten sam ligand)

Doświadczenie•Otrzymywanie związków kompleksowych metali grup przejściowych

• Przejścia elektronowe d-d (kompleksy barwne i bezbarwne)

Doświadczenie•Otrzymywanie związków kompleksowych metali grup przejściowych

• Przejścia elektronowe d-d (kompleksy barwne i bezbarwne)

CuSO4 + 4H2O Cu(H2O)42+ + SO4 2-

Cu(H2O)42+

NH3 H2O NH4+ + OH-

+ 2OH - Cu(OH)2 + 4H2O

Cu(OH)2 + 4NH3 H2O Cu(NH3)42+ + 2OH + 4H2O-

ZnSO4 + 4H2O Zn(H2O)42+ + SO4 2-

Zn(H2O)42+

NH3 H2O NH4+ + OH-

+ 2OH - Zn(OH)2 + 4H2O

Zn(OH)2 + 4NH3 H2O Zn(NH3)42+ + 2OH + 4H2O-

Energia rozszczepienia

orbitali d niska

Energia rozszczepienia

orbitali d wysoka

Dichromian (VI) potasu(K2Cr2O7)

Przejścia elektronowe CT – związki nieorganiczne

Manganian (VII) potasu(KMnO4)

Przejścia charge-transfer (przeniesienia ładunku, CT): polegają naprzejściu elektronu z orbitalu liganda na orbital metalu (i vice versa).

Intensywna barwa jonów MnO4- i Cr2O7

2- związana jest z występowaniem tzw. pasm CT.

Doświadczenie

•Otrzymywanie związków kompleksowych metali grup przejściowych

• Przejścia elektronowe CT

Doświadczenie

•Otrzymywanie związków kompleksowych metali grup przejściowych

• Przejścia elektronowe CT

Fe2(SO4)3 + 12H2O 2Fe(H2O)63+ + 3SO4 2-

KSCNH2O

K+ + SCN

+ 6H2O-Fe(H2O)63+ + 6SCN Fe(SCN)6

3-

-

Kompleksy metali z porfirynami

(ligandami zawierającymi sprzężony układ elektronów π)

Porfiryny

chlorofil b

chlorofil a

NN

NN

R

OO

OMe

O

O

Mg

R = Me (chlorofil a), CHO (chlorofil b)

NHN

NNH

NN

NN

OOH

OHO

Fe

hem

DZIĘKUJĘ ZA UWAGĘ

DOŚWIADCZENIA

Glukoza redukuje błękit metylenowy do błękitu leukometylenowego, sama zaś ulega utlenieniudo kwasu glukonowego. W roztworze zasadowym kwas ten przechodzi w glukonian sodu.Wstrząsanie kolby powoduje wymieszanie się roztworu z tlenem z powietrza, który utlenialeukobarwnik z powrotem do błękitu metylenowego.

utlenianie

OHOCHBOHCHOHBSOH

23333 3)(3)( 42

Powstający boran metylu, jak wszystkie związki boru, barwi płomień palnika na kolor zielony.

OHOCrNOCrNH T

23227224 4)(