Исследование зависимости происхождения цвета в химии

Использование природных красителей, как, например, индиго, было известно еще за 3000 лет до нашей эры. В Европе красильная отрасль текстильной промышленности начала развиваться в XVI с применением индиго.

В 1856 году английский химик Перкин получил первый синтетический органический краситель – мовеин. Это пурпурная краска образовалась при окислении неочищенного анилина. Он сразу оценил практическое значение своего открытия. Ведь анилин можно было получить из бензола по способу, открытому незадолго до этого русским химиком Н. Н. Зининым – восстановлением нитробензола. Бензол уже тогда умели получать из каменноугольного дегтя – отброса производства светильного газа из угля. Начиная с 1814 г. , этот способ освещения городов светильным газом быстро распространился из Англии на континент и столь же быстро стали расти груды неиспользованного отхода – дегтя, который в лучшем случае применялся для обмазки стен или как плохое топливо. Перкин запатентовал свое открытие и уже в следующем году стал производить мовеин фабричным путем.

В то время химики знали много хороших красителей для ткани: индиго, ализарин, кошениль, различные сорта сандалов. Однако все это были дорогие вещества. Прекрасный алый краситель – кошениль добывался в Мексике. Она представляет собой высушенные и измельченные тела насекомых – червецов, живущих на некоторых кактусах. Ради синего индиго во многих странах разводили плантации вайды – растения, из которого получали индикан, образующий при специальной обработке индоксил, легко окисляющийся на воздухе в индиго.

Синтетические красители оказались несравненно более дешевыми. Так, синтетическое индиго быстро вытеснило природное, и вайда как сельскохозяйственная культура исчезла с полей. Синтетический ализарин вытеснил природный ализарин, который добывали из корней марены, и культура марены, как и вайды, прекратила свое существование. Впервые человек заменил природные органические вещества синтетическими, получаемыми химической переработкой из каменноугольной смолы.

Работами многих поколений химиков установлена связь структуры вещества с наличием у него окраски. Цвет вещества зависит от строения молекул, от окружающей среды, от внешнего воздействия.

Цвет, как практически каждое сложное явление природы, имеет особенности, относимые к различным областям естествознания. Свойства светового луча, его природа, спектр, энергия – это материал, изучаемый на уроках физики. Видимый свет – это лишь небольшая часть общего потока электромагнитных волн, доступная непосредственному наблюдению человека. Цвет может возникнуть и в том случае, когда поток падающих на вещество электромагнитных волн и не воспринимаются человеческим глазом. Некоторые краски и ткани принимают разные, иногда фантастические расцветки, когда на них действует невидимое ультрафиолетовое излучение. Электроны, поглощающие энергию невидимых лучей, преобразуют ее и начинают отдавать в виде волн другого диапазона, уже воспринимаемых человеческим глазом.

Состояние электрона в молекуле – основа для объяснения цвета. С позиций электронной теории каждое вещество имеет цвет, так как способно поглощать какие-то волны из огромного их диапазона. Только на электронном уровне становится понятны принципы учения о цвете. Подвижность электронов, их способность переходить с одного энергетического уровня на другой, от одного атома к другому – все это создает возможность для появления цвета: появление цвета у бесцветной соли, изменение окраски вещества при растворении в воде или других растворителях, «выгорание» красителя (выцветание) под действием солнечного цвета, наличие оттенка у индикаторов в химии, цветовых определителей температуры в технологических процессах различных производств и другое.

Когда белый свет, падая на какое-либо твердое тело, полностью рассеивается им, то такое тело кажется нашему глазу бесцветным, белым, неокрашенным. Наоборот, если все падающие на тело лучи им поглощаются, то получается впечатление черного цвета. Когда все составные солнечного луча, падающего на тело, поглощаются в одинаковой степени, но не полностью, то тело представляется нашему глазу окрашенным в серый цвет, который тем более приближается к черному, чем сильнее поглощение. Тела, поглощающие один из падающих простых лучей и рассеивающие другие из них, кажутся нашему глазу цветными или окрашенными. Цвет является результатом избирательного поглощения определенных участков в непрерывном спектре падающего белого света. Например, если тело поглощает красные лучи, кажется окрашенным в зеленый цвет; если тело поглощает синевато-зеленые лучи, оно кажется нашему глазу красным. Следовательно, рассеянные и поглощенные лучи дополняют друг друга в белом свете, поэтому они называются взаимно дополнительными или просто дополнительными лучами. При характеристике красителя необходимо указать участки поглощения в спектре. Красители одного и того же цвета, но состоящие из молекул разного строения могут, даже при соблюдении одних и тех же условий крашения, давать поверхности, окрашенные далеко не одинаково.

Не все органические вещества обладают цветом, но у тех веществ, которые имеют окраску, в структуре молекул есть чрезвычайно важное сходство. Для возникновения цвета имеют значение не электроны отдельных атомов, а состояние системы электронов, охватывающей всю молекулу в целом.

Можно выделить следующие структуры, отвечающие за цвет органических молекул:

► удлиненные цепи сопряженных двойных связей приводит к переходу от бесцветного или слабоокрашенного к темным цветам:

С6Н5 – (СН = СН) - С6Н5 (стильбен) – бесцветный

С6Н5 – (СН = СН)3 - С6Н5 (дифенилгексатриен) – желтый

С6Н5 – (СН = СН)6 - С6Н5 (дифенилдодекагексаен) – коричневый;

► наличие не просто ароматических ядер (типа бензольных), а появление конденсированных ядер (типа нафталина), вызывает углубление цвета;

► группы С = О, связанные друг с другом, вызывают более глубокий цвет;

► более прочная и более тесная связь между атомами углерода, относящимися к отдельным частям молекулы, приводит к более интенсивной и более глубокой окраске (пространственная структура молекул);

► наличие хромофоров: азогруппа – N = N – азометиновая > С = N – карбиминовая > С = NH нитрогруппа – N = О

Нитрозогруппа - N = О.

Вещества, содержащие хромофоры, называются хромогенами. Сами по себе эти вещества не являются красителями, потому что не отличаются ни яркостью, ни чистотой цвета. Эти группы начинают себя проявлять, если вести в молекулу группы, отличающиеся либо резко выраженным сродством к электрону, либо способные свои электроны в значительной мере отдавать в общее пользование.

Группы, усиливающие окраску веществ, называются ауксохромы (от греческого слова «ауксо» - увеличиваю). Существует два типа таких групп:

Электронодонорные: - OH, –NH2, - SH, -OCH3, - NHCH3, - N(CH3)2;

Электронофильные: - NO2, - NO, - COCH3.

Цветом органических веществ можно управлять. Природных органических красителей немного – несколько десятков. Искусственно полученных органических красителей несколько тысяч.

Красители органические - это красящие вещества, химически связывающиеся с материалом, который они окрашивают. Синтетические органические красители классифицируют по их химическому строению или по способу применения (техническая классификация).

По химическому строению органические красители делятся на следующие основные классы:

► азокрасители;

► аминоантрахиноновые;

► ди – и триарилометановые;

► индигоидные;

► фталоцианиновые;

► нитрозокрасители;

► нитрокрасители;

► гидроксикетоновые;

► полиметиновые;

► полициклические кубовые;

► сернистые;

► хинониминовые;

► азометиновые.

Второй тип классификации используют в основном в текстильной промышленности. По этой классификации красители делят на:

► прямые – окрашивают волокнистые материалы непосредственно при погружении последних в красильный раствор в присутствии электролитов, обладают ярко выраженным сродством к растительным волокнам;

► кислотные – содержат в молекуле кислотные (сульфогруппу или карбоксильную), служат для окраски шерсти;

► активные (реактивные) – образуют химические связи с волокнами хлопчатобумажных , вискозных и льняных тканей за счет активных групп (галогенов, сульфогрупп и др. )

► сернистые – восстанавливаются в лейкосоединения при помощи сульфида натрия, обладают сродством к волокну, служат для окраски хлопка и хлопчатобумажных тканей;

► кубовые – образуют лейкосоединения путем восстановления нерастворимых красителей гидросульфитом натрия в щелочной среде;

► дисперсные – в их состав входят специальные диспергаторы, которые придают стабильность водным дисперсиям красителей, используются для крашения полиэфирных и других химических волокон;

► катионные – состоят из катиона, ответственного за красящую способность, и аниона неорганической (реже органической ) кислоты;

► пигменты - нерастворимые в воде и органических растворителях;

► протравные - красят по «протраве», т. е. по материалу, заранее обработанному раствором соответствующей соли;

► красители для меха.

Выбор красителя и способ крашения зависят от типа окрашиваемого волокна.

Цвет обусловлен двумя потоками излучения. Первый – это тот, что прошел сквозь вещество или отразился от него. Второй поток возникает в результате того, что возбужденный электрон скачком возвращается в свое прежнее состояние, а избыточная энергия высвечивается в виде квантов вторичного излучения – флуоресценция.

Экспериментальное исследование изменения цвета веществ.

1. Эксперимент: эффект Пуркинье.

Техника выполнения опыта. Нужно взять два цветка – алый мак и синий василек и посмотрите на них при двух различных условиях освещения. Сначала при солнечном или ярком электрическом освещении. Какой из двух цветков кажется более ярким? (Алый мак). А теперь посмотрите на эти цветы при слабом сумеречном освещении. Теперь василек кажется ярче.

Пояснения к опыту. Причина эффекта Пуркинье состоит в изменении чувствительности нашего органа зрения с изменением яркости. Максимум чувствительности при дневном освещении лежит при 556 нм, а при слабом ночном смещается в сторону фиолетового края видимого спектра и равен 510 нм. Объясняется это двумя типами светочувствительных элементов глаза – колбочками и палочками. При ярком свете зрение осуществляется только колбочками, а при слабом действует только палочки.

2. Интересными являются опыты с неорганическими веществами.

А) Влияние строения иона металла на окраску комплексов.

Техника выполнения опыта. В шесть цилиндров налейте по 20-30 мл вод, внесите по 0,2 г солей марганца (II), железа (II), кобальта (II), никеля (II), меди (II), цинка (II) шпателем и перемешайте до растворения. Несмотря на одинаковую конфигурацию аквакомплексов, растворы солей различных металлов имеют разную окраску.

Пояснение к опыту. Аквакомплексы марганца (II), железа (II), кобальта (II), никеля (II), меди (II), цинка (II) имеют одинаковую (октаэдрическую) конфигурацию, но различаются числом d -электронов и, следовательно , окраской .

Аквакомплекс цинка (II) со стабильной конфигурацией d – оболочки бесцветен. В ряду Fe, Co, Ni, Mn величина ▲Е уменьшается, что выражается в смещении полосы поглощения в длинноволновую область. Аномальная окраска меди (II) связана с искажением октаэдрической структуры аквакомплексов.

Б) Фотохимическое восстановление тионина.

Техника выполнения опыта.

В стакан налейте 48 мл 0,4 – процентного раствора сульфата железа, 1 мл 0,02 - % раствора тионина и 1 мл раствора серной кислоты (1 : 5). Раствор имеет фиолетовый цвет. Осветите стакан лампой мощностью 300-500 Вт, лампу поставьте на расстоянии 3-4 см от поверхности раствора. Раствор почти мгновенно становится бесцветным. Оставьте лампу и накройте стакан черным колпаком. Через несколько секунд снимите колпак – раствор опять приобретает фиолетовую окраску.

Пояснение к опыту. Двухвалентное железо окисляется тионином на свету. Реакция обратима и в темноте проходит в обратном направлении:

Fe2+ + H+ + C12H9N3S ↔ Fe3+ + C12H9N3SH

Фиолетовый бесцветный

Тионин в кислой среде образует катион фиолетового цвета. При восстановлении и переходе к нему одного электрона и одного иона водорода образуется бесцветная форма красителя.

3. Интересные опыты с органическими веществами:

А) Получение азокрасителей.

Класс азокрасителей составляет главную часть промышленного производства синтетических красителей. Метод их получения основан на реакции азосочетания солей диазония с разными азокомпонентами (например, фенолами).

Группа преподавателей из Австралии предлагает простой и эффектный способ получения трех красителей этого ряда в школьной лаборатории, основанной на реакции диазотирования 4-нитроанилина и последующем взаимодействии с фенолами.

Техника выполнения опыта. В колбу Эрленмейера емкостью 25 мл помещают 50-100 мг 4-нитроанилина, 1 мл концентрированной соляной кислоты и 2 мл воды. Полученный раствор хлорида нитрофениламмония охлаждают льдом и медленно добавляют из капельной воронки раствор нитрита натрия (100 мг на 2 мл воды), следя, чтобы температура не поднималась выше 50С. В результате образуется хлорид нитрофенилдиазония.

Далее в три стакана на 250 мл помещают по 50-100 мг соответственно фенола, нафтола -1 и нафтола -2 и растворяют добавлением 10мл этилового спирта и 5 мл 2М раствора гидроксида натрия.

Пояснение к опыту. При демонстрации получения красителей три стакана с приготовленными растворами устанавливают на стекло эпидиаскопа. В каждый из них добавляют 1-2 капли раствора хлорида нитрофенилдиазония. Образуются красители трех цветов: ярко-красного, синего и фиолетового.

Техника безопасности. Все операции с ароматическими аминами и фенолами проводят под вытяжкой и в перчатках.

Б) Гамма цветов одного красителя.

Техника выполнения опыта. Измельчите свеклу и отожмите сок. Разбавьте слегка водой и разделите на четыре порции в стаканы емкостью 100 мл. В первый из стаканов прилейте разбавленный раствор уксуса. Во второй - слабый раствор нашатырного спирта. В третий – раствор стиральной соды. Четвертый стакан дополните водой до половины объема. Наблюдайте образование целой гаммы различных цветов растворов.

Пояснение к опыту. Сок обыкновенной красной свеклы может служить в качестве примера зависимости цвета природных красителей от кислотности среды. В первом стакане среда кислая - цвет раствора пурпурный. Во втором – слабощелочная – раствор голубоватый, в третьем – окраска усилилась, так как среда щелочная. В нейтральном растворе цвет красителя бордово-коричневый и возможно выпадение хлопьев.

В) Китайские чернила и комплексы ализарина.

Выполнение опыта. 1) На листьях дуба часто встречаются наросты, из которых можно добыть прочные и яркие чернила. Их следует растолочь, облить горячей водой и образовавшийся раствор слить. Добавляйте в него по каплям слабый раствор соли железа (III) до интенсивного окрашивания.

2) Для определения катиона алюминия применяется краситель ализарин – желтого цвета. При добавления раствора солей алюминия он становится красным, железа – бурым, хрома (III) – фиолетовым.

Пояснение к опыту. При этих реакциях происходит комплексообразование красителя с ионом металла. Это влияет на состояние π-электронной системы красителя, вызывает ее сдвиг и изменение окраски.

Заключение.

Каждый следующий шаг в познании явлений света и цвета связан с борьбой идей и столкновением воззрений. «Все живое стремится к цвету» - вот слова, принадлежащие великому поэту и верно отражающие особенность эмоций, которые у любого живого существа вызывает цвет. В. Гете рассматривал восприятие цвета как сложный психологический процесс. Человек, наблюдая тот или иной цвет, обязательно воспринимает его ассоциативно, т. е. вызывает в памяти ассоциацию с чем-то привычным и знакомым. Синий или голубой цвет напоминает о холодном небе и огромных просторах океана. Желтый или оранжевый ассоциирует с солнцем, теплом, апельсинами. Явления цветовых контрастов служит одним из источников разнообразия цветов и оттенков, воспринимаемых нашими глазами.

Гармония цвета является составной частью дизайна. Гармонические сочетания цвета учитываются при утверждении флага и герба государства. Цвет – важнейшее средство воздействия во всех видах искусства. Цветовые сочетания важны для помещений и оборудования на работе. Имеет значение цвет школьных помещений и даже цвет бумаги, на которой пишут школьники. В косметике при гармоничном сочетании цвета глаз, кожи и нанесенной косметики лицо становится светящимся и красивым. Технической эстетикой занимается наука - техническая эстетика, существуют ГОСТы правильного окрашивания помещений и оборудования. Существует цветная фотография, цветные телевизоры, цветные фильмы, цветные кристаллы (ФИАНиты). Нет отрасли жизни человека, в которой бы цвет не имел значения.

Выводы:

1. Цвет связан с подвижностью электронов на атомных орбиталях, в молекуле вещества и с «подвижностью» электронов, т. е. с возможностью при поглощении ими энергии кванта света переходить на свободные энергетические уровни, но уже не в атоме, а в молекуле вещества.

2. Между механизмами возникновения цвета у металлов, неметаллов, неорганических соединений и в органических молекулах существуют различия принципиального характера.

3. Для появления цвета у органических молекул имеют значение следующие структурные особенности: а) наличие цепи сопряженных двойных связей: б) наличие групп или атомов, сильно притягивающих или, наоборот легко отдающих свои электроны в общую электронную систему молекул; в) атомы в молекуле должны лежать в одной плоскости (или весьма близко к этому состоянию).

4. Используемые в данной работе виртуальные лабораторные работы можно применить для замены практических опытов при отсутствии реактивов и оборудования или для подготовки учащихся к проведению подобных опытов на практике.

5. Удалять пятна с одежды быстро, так как могут возникнуть химические связи между волокнами и загрязнителями, что затруднит удаление пятен или сделает это невозможным.

6. Рекомендовать данную работу для использования при изучении комплексных соединений, некоторых органических соединений, окислительно-восстановительных реакций.

7. Продолжить изучение химической природы цвета.