prezentacja aktualna

BARWY W CHEMII
Dr Emilia Obijalska
Katedra Chemii Organicznej i Stosowanej UŁ
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 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?
Związki absorbują światło
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 █
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
‘koło barw’
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.
Doświadczenie
•Rozszczepienie światła białego
•Absorpcja światła przez roztwór substancji barwnej
Dlaczego związki absorbują światło?
Fotony z zakresu światła widzialnego i ultrafioletu są absorbowane powodując
przejścia elektronów ze stanu podstawowego do wzbudzonego.
Elektron to ładunek ujemny orbitujący wokół dodatnio naładowanego jądra
(oscylujący dipol).
Jeśli częstość drgania dipola odpowiada częstości światła wtedy zachodzi
absorpcja promieniowania.
widmo UV-Vis
Widma UV-Vis są ‘zapisem graficznym’ ilości absorbowanego
promieniowania o danej długości fali.
związki barwne
nieorganiczne
zawierające
jony metali grup pobocznych
organiczne
zawierające
sprzężony układ elektronów π
związki kompleksowe
L
Mn+
atom (jon) centralny
C Cn
L
M
L
n+
N N
L
L
LK = 6
L
ligand
(z wolną parą elektronową)
L
np.: H2O, NH3, CN-, OH-
O
O
N
nieorganiczno-organiczne
kompleksy metali z ligandami organicznymi
(zawierającymi sprzężony układ elektronów π)
N
Przejścia elektronowe – związki organiczne
H H
H
H
H
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
chromofory
C Cn
N N
polienowy
azowy
O
O
chinoidowy
N
N
iminochinoidowy
auksochrom
ugrupowanie atomów, które wprowadzone do cząsteczki
związku organicznego powoduje nasilenie jego barwy
np.: grupy –OH, –NH2, –SH
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)
Związki azowe
NO2
OH
N
NH2
N
N
N
żółcień aniliniowa
czerwień para
NO2
NH2
OH
N
N
OH
czerń eriochromowa
Reakcje sprzęgania soli diazoniowych
R
R
Ar
NH2
HNO2, HCl
~0oC
Ar
_
+
N N Cl
Ar
R = NH2, NR2, OH, OR
N
N
Doświadczenie
•Otrzymywanie związku azowego
Doświadczenie
•Otrzymywanie związku azowego
OH
OH
NH2
HNO2, HCl
~0oC
_
+
N N Cl
N
N
Wskaźniki pH
CH3
N
_
CH3
_
N
+ CH3
H
N
OH
N
N
_
O3S
H+
N
O3S
forma zasadowa
pH > 4.4
kolor żółty
forma kwasowa
pH < 3.2
kolor czerwony
oranż metylowy
HO
O
OH
OH
_
O
O
O
O
H+
O
forma zasadowa
pH > 10
kolor różowy
forma kwasowa
pH < 8.3
bezbarwna
fenoloftaleina
CH3
Antocyjany - wskaźniki pH występujące w przyrodzie
R2
OH
OH
R2
_
OH
+
O
HO
O
O
R1
OR
OR
R1
OR
H+
OR
forma kwasowa
forma zasadowa
kolor czerwony
kolor zielony lub niebieski
Doświadczenie
•Zmiana barwy wskaźników pH
Barwniki w żywności
Barwnik niebieski
•maksimum absorpcji przy 630 nm
•absorpcja promieniowania pomarańczowego
Barwnik czerwony
•maksimum absorpcji przy 524 nm
•absorpcja promieniowania zielonego
Substancja barwna vs. barwnik
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.
auksochrom
chromofor
grupa umożliwiająca
wiązanie z podłożem
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).
ENERGIA
Przejścia elektronowe d-d – związki nieorganiczne
średnia energia
orbitali d
ENERGIA
‘wolny’ jon
metalu
energia orbitali d w otoczeniu ligandów
średnia energia
orbitali d
‘wolny’ jon
metalu
energia orbitali d w otoczeniu ligandów
•Fe(H2O)63+
•Fe(CN)63•PCl6-
Kompleksy oktaedryczne
•Zn(H2O)42+
•Cu(NH3)42+
•CoCl42•MnO42Kompleksy tetraedryczne
Szereg spektrochemiczny
I- <Br- < SCN- < Cl- < F- < OH- < H2O < NH3 < CNWzrost energii rozszczepienia orbitali d
(ten sam jon centralny, różne ligandy)
Ligandy powodujące silne rozszczepienie (absorpcja
wysokoenergetyczna) – kompleksy bezbarwne lub
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
NH3 H2O
Cu(H2O)42+ + 2OH Cu(OH)2
+ 4NH3 H2O
ZnSO4 + 4H2O
NH3 H2O
Zn(H2O)42+ + 2OH Zn(OH)2
+ 4NH3 H2O
Cu(H2O)42+ + SO4 2NH4+ + OH Cu(OH)2
+ 4H2O
Energia
rozszczepienia
orbitali d niska
Cu(NH3)42+ + 2OH -+ 4H2O
Zn(H2O)42+ + SO4 2NH4+ + OH Zn(OH)2
+ 4H2O
Zn(NH3)42+ + 2OH - + 4H2O
Energia
rozszczepienia
orbitali d wysoka
Przejścia elektronowe CT – związki nieorganiczne
Dichromian (VI) potasu
(K2Cr2O7)
Manganian (VII) potasu
(KMnO4)
Intensywna barwa jonów MnO4- i Cr2O72- związana jest z
występowaniem tzw. pasm CT.
Przejścia charge-transfer (przeniesienia ładunku, CT): polegają na
przejściu elektronu z orbitalu liganda na orbital metalu (i vice versa).
Doświadczenie
•Otrzymywanie związków kompleksowych metali grup przejściowych
• Przejścia elektronowe CT
Doświadczenie
•Otrzymywanie związków kompleksowych metali grup przejściowych
• Przejścia elektronowe CT
Fe2(SO4)3 + 12H2O
KSCN
Fe(H2O)63+ + 6SCN -
H2O
2Fe(H2O)63+ + 3SO4 2K+ + SCN Fe(SCN)63- + 6H2O
Porfiryny
N
Kompleksy metali z porfirynami
(ligandami zawierającymi sprzężony
układ elektronów π)
N
Fe
N
N
NH
HO
O
O
OH
N
R
N
HN
hem
N
N
Mg
chlorofil b
N
N
chlorofil a
O
O
OMe
O
O
R = Me (chlorofil a), CHO (chlorofil b)
DZIĘKUJĘ ZA UWAGĘ
DOŚWIADCZENIA