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