Fascynujący świat chemii

Transkrypt

1 Opracowanie pochodzi ze strony Zeskakuj telefonem kod QR i odwiedź nas w Internecie Fascynujący świat chemii Kolory, barwniki i skala ph Wstęp Ludzkość od zawsze szukała w Przyrodzie nie tylko rzeczy niezbędnych do przeżycia, ale także inspiracji dla własnej twórczości. To właśnie dążenie ludzi do ułatwienia sobie życia z jednej strony, a z drugiej strony do uczynienia go piękniejszym dla siebie i innych było motorem licznych odkryć, które dziś nazwalibyśmy naukowymi. Jednym z pierwszych przejawów ludzkiej skłonności do otaczania się tym co piękne były próby odzwierciedlenia kształtów natury i jej barw.

2 Barwy Przyrody Rys. Wielobarwne malowidła naskalne z jaskini Altamira w północnej Hiszpanii datowane na tys. lat p.n.e. Źródło: culture.pl Dwa główne barwniki pochodzenia naturalnego z którymi człowiek miał styczność od samego początku cywilizacji to czerwony hem i zielony chlorofil. Rys. Hem (strona lewa) jest barwnikiem występującym w czerwonych ciałkach krwi. Chlorofil (strona prawa) jest zielonym barwnikiem liści. Źródło: bizjournals.com i wikimedia.org

3 Te dwa barwniki naturalne są nie tylko najłatwiejszymi do zaobserwowania. Stanowią one w rzeczywistości fundament życia na Ziemi uzupełniając się wzajemnie podczas procesów przemiany materii zachodzących we wszystkich organizmach żywych. Chlorofil jest niezbędny w procesach fotosyntezy, w wyniku których rośliny korzystają ze światła słonecznego i wytwarzają substancje odżywcze z dwutlenku węgla i wody. Hem służy natomiast przenoszenia tlenu koniecznego do "spalania" substancji odżywczych przez zwierzęta, które w ten sposób uzyskują potrzebna im do życia energię. Powstający przy tym dwutlenek węgla znów jest wykorzystywany przez rośliny do fotosyntezy. Aby usprawnić opisane procesy przyroda wytworzyła liczne mechanizmy w których również używa szerokiej gamy barwników. Rys. Karoteny (strona lewa) i podobne do nich karotenoidy odpowiadają za barwę warzyw i owoców. Antocyjany (strona prawa) stanowią główne filtry słoneczne chroniące liście przed niszczącym promieniowaniem UV. Źródło: wikimedia.org i hdwdb.com Karoteny i karotenoidy najliczniej występują w owocach i korzeniach roślin. Dzięki kontrastującym z zielenią liści, wyraźnym czerwonym, pomarańczowym i żółtym barwom ułatwiają zwierzętom znalezienie dojrzałych owoców przyczyniając się do rozsiewania nasion roślin. Antocyjany pełnią rolę filtrów chroniących liście przed nadmiernym promieniowaniem słonecznym. Szczególnie ultrafioletowym (UV). Odpowiadają również za różnorodne barwy kwiatów przyciągając zapylające je owady.

4 Barwniki naturalne wykorzystywane przez człowieka Purpura tyryjska Rys. Otrzymywana z morskich ślimaków purpura tyryjska była najdroższym barwnikiem starożytności. Źródło: wikimedia.org, photomazza.com i kaboose.com Jednym z najstarszych i najdroższych barwników naturalnych wykorzysta ywanych przez człowieka do barwienia tkanin na dużą skalę była purpura tyryjska. Jej głównym składnikiem jest 6,6'-dibromoindygo (wzór na dole po prawej stronie). Barwnik ten był otrzymywany z rozkolców, kilku gatunków morskich ślimaków występujących w basenie Morza Śródziemnego (zdjęcie na dole po lewej). Ponieważ ślimaki wytwarzają ten barwnik w niewielkich ilościach, do zabarwienia jednej szaty trzeba było zużyć tysięcy ślimaków (uzyskiwano z nich ok.1,5g barwnika). Nie dziwi więc fakt, że ceny grama tego barwnika często przewyższały cenę grama złota. Dlatego na szaty barwione purpurą było stać jedynie najzamożniejszych dostojników Cesarstwa Rzymskiego (zdjęcie po środku) oraz późniejszego Cesarstwa Bizantyjskiego. Zdjęcie na górze po lewej przedstawia portret cesarza bizantyjskiego Justyniana I ( n.e.) ubranego w szaty barwione właśnie purpurą tyryjską.

5 Indygo Rys. Indygowiec farbiarski (po lewej) i uzyskiwane z niego indygo (po prawej) to jeden z nielicznych barwników starożytności szeroko wykorzystywany do dzisiaj. Źródło: wordpress.com, wikimedia.org, csupomona.edu, photobucket.com i anbg.gov.au Indygo to naturalny barwnik niebieski znany już w starożytnym Egipcie i dawnych cywilizacjach Ameryki Środkowej. Uzyskuje się go z rośliny o nazwie indygowiec farbiarski (Indigofera tinctoria), która była uprawiana głównie w gorących strefach klimatycznych Azji i Afryki. Dzięki stosunkowo niskiej cenie, wyjątkowej trwałości i wyraźnej, ciemnoniebieskiej barwie znalazł zastosowanie nie tylko do barwienia tkanin, ale też jako dodatek do farb malarskich. Indygo było jednym z pierwszych barwników uzyskanych syntetycznie. Po raz pierwszy zsyntezowane w 1878 roku, a 19 lat później firma BASF wprowadziła do sprzedaży syntetyczne indygo, wielokrotnie tańsze od produktu pochodzenia naturalnego. Z biegiem czasu pojawiające się coraz liczniejsze, nowe barwniki syntetyczne stopniowo i niemal całkowicie wyparły z rynku indygo. Na przełomie lat 60-tych i 70-tych indygo znów stało się cenione i pożądane za sprawą ruchu hipisowskiego, którego jednym z symboli były spodnie jeansowe barwione właśnie indygiem. Ubrania z błękitnego jeansu do dziś są bardzo popularne wśród wszystkich grup społecznychi wiekowych.

6 Alizaryna Rys. Czerwona alizaryna otrzymywana z korzeni marzanny barwierskiej, rośliny uprawianej od wieków praktycznie w całej Europie - od Anglii aż po Turcję. Źródło: wikimedia.org, mojeobrazy.com.pl i Historia stosowania przez ludzi alizaryny ginie w mrokach starożytności. Wiadomo, że znana była w Egipcie już w czasach Faraona Tutanchamona (ok.1500 r. p.n.e.). W pierwszym tysiącleciu po Chrystusie uprawa marzanny barwierskiej (Rubia tinctorum, rysunek po lewej) upowszechniła się w całej Europie. Również w Polsce alizaryna zyskała dużą popularność, co wyraźnie widać chociażby na obrazie Jana Matejki "Hołd Pruski" (rysunek na górze po prawej). Za czasów Jagiellonów czerwień była kolorem królewskim, szlacheckim i narodowym. Czerwień ta pochodziła od alizaryny. Od końca XVII do początków XX wieku charakterystyczne czerwone mundury żołnierzy brytyjskich (rysunek na dole) także były barwione głównie alizaryną.

7 Wiek XX i barwniki syntetyczne Rys. Współczesne syntetyczne barwniki organiczne są stosowane nie tylko do barwienia tkanin. Farby, tworzywa sztuczne, atrykuły spożywcze i wiele innych produktów jest barwionych sztucznymi barwnikami. Źródło: koraorganics.com, ecoverusblog.com, stonyfield.com, priworks.com, acmeeducational.com, naturallyearthfriendly.com, blogspot.com i wildcharm.net Od końca XIX nastąpił gwałtowny rozwój licznych dziedzin nauki, w tym chemii barwników. Bardzo szybko pojawiły się liczne barwniki syntetyczne, które zaczynały konkurować z barwnikami pochodzenia naturalnego z kilku powodów. Barwniki syntetyczne miały piękne, czyste barwy o ciekawych i niespotykanych dotychczas odcieniach, były trwalsze i bardziej wydajne od naturalnych a przy tym okazały się o wiele tańsze. Rys. Fluoresceina (na górze) i rodamina B (na dole) jako przykładowe barwniki syntetyczne. Na szczególna uwagę zasługuje wydajność prezentowanych barwników; do zabarwienia litrowej butelki wody wystarcza minimalna, widoczna na końcu szpatułki ilości substancji.

8 Wskaźniki i skala ph Rys. Skala ph określa jeden z parametrów środowiska jakim jest stopień jego kwasowości. Źródło: nauczyciel.pl, googleusercontent.com, alepyszne.pl, nowafarmacja.pl i militaria.pl Pojęcie skali ph określane jest jako jedna z cech środowiska w którym zachodzą reakcje chemiczne. Można zobrazować to zagadnienie porównując je do zmienności warunków spotykanych w przyrodzie. W warunkach niskiej wilgotności na pustyni doskonale radzą sobie na przykład kaktusy, ale paprocie giną. Jeśli odwrócić sytuację to zauważymy, że paprocie doskonale będą się czuły wilgotnym lesie równikowym, ale kaktus w tych warunkach nie przetrwa długo. Podobnie jest z reakcjami chemicznymi; jedne reakcje zachodzą sprawnie w środowisku kwaśnym (o niskim ph) zatrzymując się w środowisku zasadowym (o wysokim ph), a inne reakcje zachowują się odwrotnie. Na przykład akumulator samochodowy do działania wymaga środowiska silnie kwaśnego, a bateria alkaliczna środowiska silnie zasadowego. Przyroda jeszcze ściślej przestrzega wąskich ram wyznaczanych przez skalę ph. Mrówki na przykład wykorzystują do obrony swojego gniazda dość silny kwas - kwas mrówkowy, który podrażnia skórę w miejscu ugryzienia przez owada. Gdyby wytwarzany przez mrówki kwas był za słaby, to nie zrobiłby na napastniku większego wrażenia, ale z drugiej strony kwas zbyt silny mógłby uśmiercić samą mrówkę. Z tych powodów pomiary ph odgrywają ogromną rolę w rolnictwie, przemyśle, medycynie, budownictwie i wielu innych dziedzinach. Rys. Badania ph są bardzo ważne w licznych dziedzinach nauki i przemysłu. Źródło: suplime.pl, superakwarium.pl, stciaransballygawley.org, gospodarz.pl i nieruchomoscipoznan.pl

9 Do badań ph wykorzystywane są barwniki naturalne i syntetyczne, które zmieniają swoją barwę w zależności od ph środowiska w jakim się znajdą. Ta grupa barwników nazywana jest wskaźnikami ph. Naturalne wskaźniki ph Najbardziej znanym sposobem zbadania wartości ph jest zastosowanie tak zwanego papierka lakmusowego. Papierek lakmusowy jest paskiem bibuły nasączonym roztworem naturalnego barwnika - lakmusu otrzymywanego z porostów. W środowisku kwaśnym lakmus zabarwia się na czerwono, a w zasadowym na niebiesko. Obecnie stosowane papierki wskaźnikowe nasączone są mieszaniną syntetycznych wskaźników, zmieniają barwę w szerokim zakresie ph i często błędnie nazywane lakmusowymi. Rys. Porosty z rodzaju Parmelia sulcata dostarczały lakmusu do wytwarzania papierków lakmusowych. Widoczne po prawej stronie współczesne papierki wskaźnikowe zmieniają barwę w szerokim zakresie ph. Źródło: wikimedia.org, chem.wisc.edu i sciencedaily.com Innym, bardzo dobrym przykładem naturalnego wskaźnika ph jest sok z czerwonej kapusty. Zawarte w nim barwniki antocyjanowe płynnie zmieniają zabarwienie w bardzo szerokim zakresie ph. Rys. Czerwona kapusta zawiera bardzo dobry, naturalny wskaźnik ph. Źródło: ua.all.biz i braukaiser.com Rys. Różne barwy soku z czerwonej kapusty uzyskane przez zmiany jego ph. Zdjęcie dzięki uprzejmości Gimnazjum im. Przyrodników Polskich w Budzisławiu Kościelnym.

10 Przyczyną zmiany barwy wskaźnika ph jest zmiana budowy jego cząsteczek zachodząca pod wpływem kwasu lub zasady. Fragment struktury cząsteczki wskaźnika odpowiadający za barwę (zwany chromoforem) zmienia swoją budowę wewnętrzną i położenie w cząsteczce, zmieniając tym samym kolor roztworu wskaźnika. W przypadku soku z czerwonej kapusty proces ten dotyczy cząsteczek antocyjanów. Rys. Cząsteczki antocyjanów zmieniają swoją budowę w zależności od ph środowiska. Odpowiadające za ich barwę fragmenty cząsteczek zwane chromoforami zmieniają się wraz ze zmiananami ph. Źródło: studencik.com.pl Bardzo ważna cechą tych zmian jest ich odwracalność; czerwony wskaźnik kapusty może zmieniać barwę na zielony i odwrotnie bardzo wiele razy bez szkody dla samego wskaźnika. Wystarczy tylko zmienić ph roztworu wskaźnika dodając do niego kwasu lub zasady. Syntetyczne wskaźniki ph W otrzymywanych sztucznie wskaźnikach ph zachodzą takie same procesy, chociaż obejmując swoim zasięgiem zupełnie inne cząsteczki. Przykładem syntetycznego wskaźnika ph jest oranż metylowy. Jego roztwór w środowisku kwaśnym ma barwę czerwoną, w obojętnym pomarańczową, a w silnie zasadowym niemal żółtą. Rys. Syntetyczny wskaźnik ph - oranż metylowy także zmienia swoją barwę dzięki odwracalnej zmianie budowy cząsteczki. Źródło: wikimedia.org Zobacz w Internecie jak dokładnie zachowuje się oranż metylowy w różnym ph: