BARWY W CHEMII
Katedra Chemii Organicznej i Stosowanej UŁ
Dr Emilia Obijalska
Akademia Ciekawej Chemii
Czym jest światło?
Wzrok człowieka reaguje na fale elektromagnetyczne w zakresie 380-760nm.
Potocznie nazywa się tak widzialną część promieniowania
elektromagnetycznego (promieniowanie widzialne odbierane
przez siatkówkę oka)
Dualizm korpuskularno-falowy: światło jednocześnie traktuje się
jako falę elektromagnetyczną oraz jako strumień cząstek (fotony)
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 częstotliwości
załamują się pod różnymi kątami, co jest przyczyną rozszczepienia wiązki światła
białego na składowe.
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 ulegną
odbiciu 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 █
Związki absorbują światło
500-560 zielone purpurowa █
560-580 żółto-zielone fioletowa █
580-595 żółte niebieska █
595-605 pomarańczowe niebiesko-zielona █
605-750 czerwone zielono-niebieska █
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’
Doświadczenie
•Rozszczepienie światła białego
•Absorpcja światła przez roztwór substancji barwnej
Dlaczego związki absorbują światło?
Elektron to ładunek ujemny orbitujący wokół dodatnio naładowanego jądra
(oscylujący dipol).
Fotony z zakresu światła widzialnego i ultrafioletu są absorbowane powodując
przejścia elektronów ze stanu podstawowego do wzbudzonego.
Jeśli częstość drgania dipola odpowiada częstości światła wtedy zachodzi
absorpcja 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
LMn+
atom (jon) centralny
nieorganiczno-organicznekompleksy metali z ligandami organicznymi
(zawierającymi sprzężony układ elektronów π)
L L
L
L
L
Mn+
LK = 6
Lligand
(z woln ą parą elektronow ą)np.: H2O, NH3, CN-, OH-
OO NN
C C
N Nn
Przejścia elektronowe – związki organiczne
H
HH
HH H
O
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).
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
C C
N Nn
chromofory
auksochrom
ugrupowanie atomów, które wprowadzone do cząsteczki
związku organicznego powoduje nasilenie jego barwynp.: grupy –OH, –NH2, –SH
OO NN
polienowy
chinoidowy iminochinoidowy
azowy
β-Karoten pomarańczowy barwnik w marchewceW cząsteczkach posiadających dużą liczbę sprzężonych wiązań π (i wolnych par
elektronowych n) różnica energii między stanem podstawowym i wzbudzonym staje się na
tyle mała, że absorpcja zachodzi w regionie widzialnym widma elektromagnetycznego.
β-Karoten:•system 11 sprzężonych wiązań π•absorpcja niebieskiego światła (obserwowana barwa pomarańczowa)
NN
NH2N
N
OHNO2
NH2OH
NO2
żółcie ń aniliniowa czerwie ń para
Związki azowe
NN
NH2OH
OH
czerń eriochromowa
Ar NH2 Ar N N
R
N
R
NAr
HNO2, HCl
~0oC
+Cl
_
R = NH2, NR2, OH, OR
Reakcje sprzęgania soli diazoniowych
Doświadczenie
•Otrzymywanie związku azowego
Doświadczenie
•Otrzymywanie związku azowego
OH
NH2 N N
OH
N
OH
NHNO2, HCl
~0oC
+Cl
_
NN
NCH3
CH3
O3S
H
NN
NCH3
CH3
O3S
forma kwasowa
_ _
+
OH
H
_
+
forma zasadowapH < 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 zasadowapH < 8.3 pH > 10
bezbarwna kolor ró żowy
Antocyjany - wskaźniki pH występujące w przyrodzie
O
R
OH
R
OR
OR
OH O
R
OH
R
OR
OR
O+
1
2
1
2
OH
H
_
+
forma kwasowa forma zasadowa
kolor czerwony kolor zielony lub niebieski
Doświadczenie
•Zmiana barwy wskaźników pH
Barwnik czerwonyBarwnik niebieski
Barwniki w żywności
•maksimum absorpcji przy 524 nm
•absorpcja promieniowania zielonego
•maksimum absorpcji przy 630 nm
•absorpcja promieniowania pomarańczowego
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
chromoforauksochrom grupa umo żliwiaj ącawiązanie z podło żem
Barwnik: substancja rozpuszczalna w stosowanym medium;
w postaci rozpuszczonej przenika nośnik (po czym
ewentualnie może stawać się nierozpuszczalna).
Pigment: substancja (organiczna lub nieorganiczna)
nierozpuszczalną w stosowanym ośrodku; aby zabarwić lub
zamaskować (pokryć) podłoże; w czasie procesu barwienia
pozostaje w postaci krańcowo rozdrobnionego ciała stałego
(kryształy lub ziarna).
•Fe(H2O)63+
•Fe(CN)63-
•PCl6-
Przejścia elektronowe d-d – związki nieorganiczne
Kompleksy oktaedryczne
średnia energia
orbitali d
‘wolny’ jon
metalu
EN
ER
GIA
energia orbitali d w otoczeniu ligandów
•Zn(H O) 2+
Kompleksy tetraedryczne
średnia energia
orbitali d
‘wolny’ jon
metalu
EN
ER
GIA
energia orbitali d w otoczeniu ligandów
•Zn(H2O)42+
•Cu(NH3)42+
•CoCl42-
•MnO42-
Szereg spektrochemiczny
Ligandy powodujące silne rozszczepienie (absorpcja
wysokoenergetyczna) – kompleksy bezbarwne lub
jasnożółte.
I- <Br- < SCN- < Cl- < F- < OH- < H2O < NH3 < CN-
Wzrost energii rozszczepienia orbitali d
(ten sam jon centralny, różne ligandy)
jasnożółte.
Ligandy powodujące małe rozszczepienie (absorpcja
niskoenergetyczna) – kompleksy barwne.
Mn2+ < Ni2+ < Co2+ < Fe2+ < Fe3+ < Cr3+ < Co3+
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-
Energia rozszczepienia
orbitali d niska
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 wysoka
Dichromian (VI) potasu
(K2Cr2O7)
Przejścia elektronowe CT – związki nieorganiczne
Manganian (VII) potasu
(KMnO4)
Przejścia charge-transfer (przeniesienia ładunku, CT): polegają na
przejściu 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
R NHN
NNH
NN
NN
OOHOH O
Fe
hem
chlorofil b
chlorofil a
NN
N N
OOOMe
O
O
Mg
R = Me (chlorofil a), CHO (chlorofil b)
DZIĘKUJĘ ZA UWAGĘDZIĘKUJĘ ZA UWAGĘ
DOŚWIADCZENIADOŚWIADCZENIA