BARWY W CHEMII

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 częstotliwości załamują się pod różnymi kątami, co jest przyczyną rozszczepienia wiązki światła białego na składowe.

Doświadczenie

•Rozszczepienie światła białego

Rozszczepienie światła w przyrodzie - tęcza

Tęcza powstaje gdy promienie słoneczne padające zza pleców obserwatora załamują się i odbijają w kroplach wody znajdujących się w powietrzu.

Tęcza główna: światło słoneczne najpierw załamuje się w kropli deszczu, a potem część wiązki odbija się od tylnej warstwy i ponownie załamuje się a następnie wychodzi 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 █ 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 światła białego. Takie promieniowanie pozbawione części, która uległa absorpcji 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 światła białego. Takie promieniowanie pozbawione części, która uległa absorpcji 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 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 absorbowanego promieniowania 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

L ligand

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

O

O N N

C C n N N

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 H H

H H 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

auksochrom

ugrupowanie atomów, które wprowadzone do cząsteczki związku organicznego powoduje nasilenie jego barwy

np.: grupy –OH, –NH₂, –SH

O O N N

C C n N N

chromofory

polienowy

chinoidowy iminochinoidowy azowy

β-Karoten pomarańczowy barwnik w marchewce

W 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)

N N

NH₂ N

N

OH NO₂

N N

NH₂ OH

OH NO₂

żółcień aniliniowa czerwień para

czerń eriochromowa

Ar NH₂ Ar N N

R

N

R Ar N

HNO₂, HCl

~0^oC

+ 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 N

HNO₂, HCl

~0^oC

+ Cl_

N N

N CH₃ CH₃

O₃S

H

N N

N CH₃ 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 O

H

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 O

H 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 czerwony Barwnik 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 materiału barwionego) i jest odporny na wymywanie (pranie) oraz działanie promieni słonecznych.

Substancja barwna vs. barwnik

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).

chromofor

auksochrom grupa umożliwiająca

wiązanie z podłożem

•Fe(H₂O)₆³⁺

•Fe(CN)₆^3-

•PCl₆^-

Przejścia elektronowe d-d – związki nieorganiczne

Kompleksy oktaedryczne

Kompleksy tetraedryczne

średnia energia orbitali d

‘wolny’ jon metalu

ENERGIA

średnia energia orbitali d

‘wolny’ jon metalu

ENERGIA

energia orbitali d w otoczeniu ligandów

energia orbitali d w otoczeniu ligandów

•Zn(H₂O)₄²⁺

•Cu(NH₃)₄²⁺

•CoCl₄^2-

•MnO₄^2-

Szereg spektrochemiczny

Ligandy powodujące silne rozszczepienie (absorpcja wysokoenergetyczna) – kompleksy bezbarwne lub jasnożółte.

Ligandy powodujące małe rozszczepienie (absorpcja niskoenergetyczna) – kompleksy barwne.

I

<Br

< SCN

< Cl

< F- < OH- < H

O < NH

< CN

Mn

< Ni

< Co

< Fe

< Fe

< Cr

< Co

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 + 4H- ₂O

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 + 4H- ₂O

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 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- KSCN H₂O

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

N N

N N

R

O O

OMe O

O

Mg

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

N N H

N NH

N N

N N

O OH O

H O

Fe

hem

DZIĘKUJĘ ZA UWAGĘ

DOŚWIADCZENIA

Glukoza redukuje błękit metylenowy do błękitu leukometylenowego, sama zaś ulega utlenieniu do kwasu glukonowego. W roztworze zasadowym kwas ten przechodzi w glukonian sodu.

Wstrząsanie kolby powoduje wymieszanie się roztworu z tlenem z powietrza, który utlenia leukobarwnik z powrotem do błękitu metylenowego.

utlenianie

O H

OCH B

OH CH

OH

B ( ) ₃  3 ₃  ^H  

^SO 

( ₃ ) ₃  3 ₂

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

O H

O Cr

N O

Cr

NH ₄ ) _{2 2 7} ^T _{2 2 3} 4 ₂

(    