BARWY W CHEMII Dr Emilia Obijalska Katedra Chemii Organicznej i Stosowanej UŁ

Transkrypt

1 BARWY W CHEMII Dr Emilia bijalska Katedra Chemii rganicznej i Stosowanej UŁ Akademia Ciekawej Chemii

2 Czym jest światło? Wzrok człowieka reaguje na fale elektromagnetyczne w zakresie nm. 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)

3 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.

4 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

5 Dlaczego widzimy kolory? Związki absorbują światło zakres nm absorbowane światło barwa związku fioletowe żółto-zielona niebieskie żółta niebiesko-zielone pomarańczowa zielono-niebieskie czerwona zielone purpurowa żółto-zielone fioletowa żółte niebieska pomarańczowe niebiesko-zielona 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.

6 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.

7 Doświadczenie Rozszczepienie światła białego Absorpcja światła przez roztwór substancji barwnej

8 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.

9 związki barwne nieorganiczne zawierające jony metali grup pobocznych organiczne zawierające sprzężony układ elektronów π związki kompleksowe L M n+ atom (jon) centralny L C C n L M n+ L LK = 6 L L L ligand (z wolną parą elektronową) np.: H 2, H 3, C -, H - nieorganiczno-organiczne kompleksy metali z ligandami organicznymi (zawierającymi sprzężony układ elektronów π)

10 Przejścia elektronowe związki organiczne H H H H H H 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).

11 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 C n polienowy azowy chinoidowy iminochinoidowy auksochrom ugrupowanie atomów, które wprowadzone do cząsteczki związku organicznego powoduje nasilenie jego barwy np.: grupy H, H 2, SH

12 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)

13 Związki azowe H 2 H 2 żółcień aniliniowa czerwień para 2 H H 2 H czerń eriochromowa Reakcje sprzęgania soli diazoniowych R H 2, HCl + Ar H 2 Ar ~0 o C Cl _ Ar R R = H 2, R 2, H, R

14 Doświadczenie trzymywanie związku azowego

15 Doświadczenie trzymywanie związku azowego H 2, HCl + H 2 ~0 o C Cl _ H H

16 Wskaźniki ph H CH 3 + CH3 _ H CH 3 CH3 _ 3 S H + _ 3 S forma kwasowa forma zasadowa ph < 3.2 ph > 4.4 kolor czerwony kolor żółty oranż metylowy H H _ H H + forma kwasowa forma zasadowa ph < 8.3 ph > 10 bezbarwna kolor różowy fenoloftaleina

17 Antocyjany - wskaźniki ph występujące w przyrodzie R 2 H H _ R 2 H H + R 1 R 1 R R H + R R forma kwasowa kolor czerwony forma zasadowa kolor zielony lub niebieski

18 Doświadczenie Zmiana barwy wskaźników ph

19 Barwniki w żywności Barwnik niebieski Barwnik czerwony maksimum absorpcji przy 630 nm absorpcja promieniowania pomarańczowego maksimum absorpcji przy 524 nm absorpcja promieniowania zielonego

20 Substancja barwna vs. barwnik ie 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).

21 Przejścia elektronowe d-d związki nieorganiczne EERGIA średnia energia orbitali d Fe(H 2 ) 6 3+ Fe(C) 6 3- PCl 6 - wolny jon metalu energia orbitali d w otoczeniu ligandów Kompleksy oktaedryczne EERGIA średnia energia orbitali d Zn(H 2 ) 2+ 4 Cu(H 3 ) 4 2+ CoCl 4 2- Mn 4 2- wolny jon metalu energia orbitali d w otoczeniu ligandów Kompleksy tetraedryczne

22 Szereg spektrochemiczny I - <Br - < SC - < Cl - < F-< H-< H 2 < H 3 < C - Wzrost 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. Mn 2+ < i 2+ < Co 2+ < Fe 2+ < Fe 3+ < Cr 3+ < Co 3+ Wzrost energii rozszczepienia orbitali d (różne jony centralne, ten sam ligand)

23 Doświadczenie trzymywanie związków kompleksowych metali grup przejściowych Przejścia elektronowe d-d (kompleksy barwne i bezbarwne)

24 Doświadczenie trzymywanie związków kompleksowych metali grup przejściowych Przejścia elektronowe d-d (kompleksy barwne i bezbarwne) Cu(H 2 ) 4 2+ CuS 4 + 4H 2 Cu(H 2 ) S 4 2- H 3 H 2 H H - + 2H - Cu(H) 2 + 4H 2 Cu(H) 2 + 4H 3 H 2 Cu(H 3 ) H -+ 4H 2 Energia rozszczepienia orbitali d niska Zn(H 2 ) 4 2+ ZnS 4 + 4H 2 Zn(H 2 ) S 4 2- H 3 H 2 H H - + 2H - Zn(H) 2 + 4H 2 Zn(H) 2 + 4H 3 H 2 Zn(H 3 ) H - + 4H 2 Energia rozszczepienia orbitali d wysoka

25 Przejścia elektronowe CT związki nieorganiczne Dichromian(VI) potasu (K 2 Cr 2 7 ) Manganian (VII) potasu (KMn 4 ) Intensywna barwa jonów Mn 4- i Cr 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).

26 Doświadczenie trzymywanie związków kompleksowych metali grup przejściowych Przejścia elektronowe CT

27 Doświadczenie trzymywanie związków kompleksowych metali grup przejściowych Przejścia elektronowe CT Fe 2 (S 4 ) H 2 2Fe(H 2 ) S 2-4 KSC H 2 K + + SC- Fe(H 2 ) SC- Fe(SC) H 2

28 Porfiryny Fe Kompleksy metali z porfirynami (ligandami zawierającymi sprzężony układ elektronów π) H H H R H hem chlorofil b Mg chlorofil a Me R = Me (chlorofil a), CH (chlorofil b)

29 DZIĘKUJĘ ZA UWAGĘ

30 DŚWIADCZEIA