Најважније из лекције
Кључни закључци:
- Боја супстанце зависи од селективне апсорпције светлости у видљивом спектру (\(400–800\text{ nm}\)) и рефлексије комплементарне боје.
- Хромофоре су носиоци обојености (незасићене групе: \(-\text{NO}_2\), \(-\text{N}=\text{N}-\), \(-\text{CO}-\), \(\text{C}=\text{C}\)), док групе попут \(-\text{OH}\), \(-\text{NH}_2\) и халогена продубљују обојеност.
- Коњугација: Већи систем коњугованих веза смањује енергетски размак побуђивања електрона, чиме се таласна дужина апсорпције помера из ултравиолетног у видљиви део спектра.
- Боје наспрам пигмената: Боје су растворне у медијуму за бојење и продиру у влакна, док су пигменти нерастворни и формирају површински филм.
- Азо-боје представљају највећу класу синтетских органских боја и добијају се реакцијом азо-купловања диазонијум-соли са фенолима или аминима.
Боја је субјективни визуелни осећај који настаје када електромагнетно зрачење одређене таласне дужине побуди фоторецепторе у мрежњачи ока.
Боје и пигменти су супстанце способне да апсорбују (упијају) зрачење тачно одређених таласних дужина из видљивог дела спектра (\(400–800\text{ nm}\)).
Механизам виђења боје површине:
- Бела површина: подједнако одбија (рефлектује) светлост свих таласних дужина видљивог спектра.
- Црна површина: потпуно апсорбује сву упадну видљиву светлост.
- Обојена површина: селективно апсорбује одређене таласне дужине, док преостали (одбијени или пропуштени) део спектра доспева до ока и одређује боју коју региструјемо.
Ако супстанца апсорбује светлост из плаво-зеленог дела спектра, светлост која се одбија и долази до ока богата је црвеним таласним дужинама, па предмет видимо као црвен.
Хромофоре (од грчког хромофорос – „носилац боје”) јесу незасићене функционалне групе у молекулу чије присуство узрокује апсорпцију светлости у видљивом делу спектра.
Постоје и групе (ауксохроми) које саме по себи не дају обојеност, али значајно појачавају и продубљују способност хромофора да апсорбују светлост.
| Хромофоре (носиоци боје) | Групе које појачавају обојеност |
|---|---|
| Нитро-група (\(-\text{NO}_2\)) | Хидроксилна група (\(-\text{OH}\)) |
| Карбонилна група (\(-\text{CO}-\)) | Амино-групе (\(-\text{NH}_2\), \(-\text{NH}-\), \(-\text{NR}_2\)) |
| Азо-група (\(-\text{N}=\text{N}-\)) | Атоми халогених елемената (\(-\text{F}, -\text{Cl}, -\text{Br}, -\text{I}\)) |
| Двоструке везе (\(\text{C}=\text{C}\), \(\text{C}=\text{N}\), \(\text{C}=\text{S}\), \(\text{N}=\text{O}\)) | - |
Електронска ексцитација и систем коњугованих веза:
Апсорпцијом кванта светлости долази до преласка (ексцитације) електрона са највиших попуњених електронских нивоа у празне орбитале непопуњених нивоа.
Што је већи систем коњугованих (наизменичних) двоструких веза у молекулу, то је мања енергетска разлика (\(\Delta E\)) између нивоа, па је потребна мања енергија за ексцитацију. То доводи до померања апсорпције ка већим таласним дужинама (\(\lambda\)): \[ \Delta E = \frac{h \cdot c}{\lambda} \]
Апсорпцијом кванта светлости долази до преласка (ексцитације) електрона са највиших попуњених електронских нивоа у празне орбитале непопуњених нивоа.
Што је већи систем коњугованих (наизменичних) двоструких веза у молекулу, то је мања енергетска разлика (\(\Delta E\)) између нивоа, па је потребна мања енергија за ексцитацију. То доводи до померања апсорпције ка већим таласним дужинама (\(\lambda\)): \[ \Delta E = \frac{h \cdot c}{\lambda} \]
Бензен садржи само један ароматични прстен и апсорбује у ултравиолетној области (\(\lambda = 255\text{ nm}\)), те је безбојан. Са повећањем броја кондензованих прстенова расте конјугација: хексацен (са 6 кондензованих прстенова) апсорбује у видљивој области (\(\lambda \approx 680\text{ nm}\)) и тамнољубичасте је боје.
Супстанце за бојење класификују се према растворљивости и интеракцији са подлогом на боје и пигменте:
- Боје: Супстанце које се потпуно или делимично растварају у медијуму (растварачу) из којег се наносе. Оне хемијски или физички пријањају директно уз материјал и постојане су према прању и светлости.
- Пигменти: Обојене супстанце које су нерастворне у медијуму за наношење. Користе се у облику финих дисперзија као заштитни и декоративни премази (лакови, фасаде, минералне боје).
Према пореклу могу бити природне и синтетске, односно органске и неорганске (нпр. неоргански пигменти: олово-хромат \(\text{PbCrO}_4\) – хромно-жуто, кадмијум(II)-сулфид \(\text{CdS}\) – кадмијум-жуто).
Органске боје се према хемијској структури деле на више значајних група:
-
Азо-боје: Најбројнија група синтетских боја. Садрже хромофорну азо-групу (\(-\text{N}=\text{N}-\)) везану за два ароматична прстена.
Примери:- Метил-оранж (киселинско-базни индикатор: жути облик при \(\text{pH} > 4{,}4\); црвени облик при \(\text{pH} < 3{,}1\)).
- Судан I (боја растворљива у уљима и мастима).
-
Антрахинонске боје: Деривати антрахинона.
Пример: Ализарин (добија се из корена биљке броћ; гради са оксидима метала нерастворне комплексе различитих боја). -
Индиго-боје: Садрже индолов прстен.
Пример: Плави индиго – користи се за бојење текслила (нпр. џинса). -
Трифенилметанске боје: Садрже централни угљеников атом везан за три ароматична прстена.
Примери: Малахитно зелено, флуоресцеин, фенолфталеин (индикатор који је у киселој и неутралној средини безбојан, а у базној љубичаст). -
Нитро- и нитрозо-боје: Садрже нитро-групу као хромофору.
Пример: Нафтолно-жуто-S.
Поступци бојења текстила и материјала:
- Директно бојење: Потапање материјала (нпр. животињска влакна попут вуне и свиле) директно у врућ раствор боје. Киселе боје захтевају киселу средину (нпр. додатак сирћета), а базне претходну обраду танинима.
- Редокс бојење (индиго поступак): Нерастворни плави индиго се редукује у базни раствор растворљивог „белог индига”. Тканина се натопи овим раствором, а затим изложи ваздуху где кисеоник оксидује бели индиго назад у нерастворни плави пигмент фиксиран унутар влакна.
- Бојење помоћу мочила (мочирске боје): Тканина се претходно обради металним оксидом („носач” или фиксир), након чега се наноси боја (нпр. ализарин) градећи стабилан нерастворни комплекс.
- Развијање боје на влакну: Нерастворљива азо-боја се синтетише директно на тканини спајањем компонената.
Синтеза азо-боја (азо-купловање):
\[ \text{Бензен} \xrightarrow{\text{нитровање}} \text{Нитробензен} \xrightarrow{\text{редукција}} \text{Анилин} \xrightarrow{\text{диазотовање}} \text{Бензендиазонијум-со} \xrightarrow{\text{купловање}} \text{Азо-боја} \]
Азо-купловање је реакција електрофилне ароматичне супституције у којој диазонијум-катјон реагује са активираним ароматичним једињењем (фенолом или ароматичним амином), градећи стабилан мост \(-\text{N}=\text{N}-\).
Задаци за вежбање
Задатак 1 (лак): Која је суштинска разлика између боје и пигмента када се користе за бојење одређених површина или материјала?
Основна разлика је у њиховој растворљивости:
- Боје су растворне у медијуму у којем се примењују и везују се директно за материјал (продиру у влакна).
- Пигменти су нерастворни у медијуму и наносе се као суспензије у виду површинског филма или заштитног премаза заједно са везивом.
Задатак 2 (средњи): Наведи хромофорну групу и ауксохромну групу (групу која појачава обојеност) код следећих једињења:
а) \(p\)-хидроксиазобензен
б) \(o\)-нитрофенол
а) \(p\)-хидроксиазобензен
б) \(o\)-нитрофенол
а) Код \(p\)-хидроксиазобензена:
- Хромофора: азо-група (\(-\text{N}=\text{N}-\))
- Група која појачава обојеност: фенолна хидроксилна група (\(-\text{OH}\))
- Хромофора: нитро-група (\(-\text{NO}_2\))
- Група која појачава обојеност: хидроксилна група (\(-\text{OH}\))
Задатак 3 (средњи): Објасни зашто се бојење индигом заснива на оксидо-редукционим реакцијама и како кисеоник из ваздуха утиче на коначну боју тканине.
Плави индиго је нерастворан у води и не може директно продрети у влакно. Због тога се прво редукује у алкалној средини у растворни бели индиго (леуко-облик).
Након што тканина упије раствор белог индига, извлачи се на ваздух. Под дејством кисеоника из ваздуха долази до спонтане оксидације белог индига назад у нерастворни плави индиго, који остаје трајно фиксиран унутар пора текстилног влакна.
Након што тканина упије раствор белог индига, извлачи се на ваздух. Под дејством кисеоника из ваздуха долази до спонтане оксидације белог индига назад у нерастворни плави индиго, који остаје трајно фиксиран унутар пора текстилног влакна.
Задатак 4 (тежак): Зашто је антрацен (три кондензована прстена) безбојан и апсорбује у UV области (\(\approx 360\text{ nm}\)), док је пентацен (пет кондензованих прстенова) тамноплаве/љубичасте боје и апсорбује на \(\approx 580\text{ nm}\)? Објасни преко енергије ексцитације електрона.
Са повећањем броја кондензованих ароматичних прстенова повећава се дужина коњугованог \(\pi\)-електронског система.
Већа делокализација \(\pi\)-електрона доводи до смањења енергетске разлике (\(\Delta E\)) између највише попуњене молекулске орбитале (HOMO) и најниже непопуњене молекулске орбитале (LUMO).
Пошто је \(\Delta E = \frac{h \cdot c}{\lambda}\), мањој разлици \(\Delta E\) одговара већа таласна дужина (\(\lambda\)).
Код антрацена је \(\Delta E\) још увек релативно велика, па апсорпција пада у невидљиву UV област (\(360\text{ nm}\)). Код пентацена је конјугација толико проширена да \(\Delta E\) опада довољно да се максимум апсорпције помери у видљиви део спектра (\(580\text{ nm}\)), што чини једињење обојеним.
Већа делокализација \(\pi\)-електрона доводи до смањења енергетске разлике (\(\Delta E\)) између највише попуњене молекулске орбитале (HOMO) и најниже непопуњене молекулске орбитале (LUMO).
Пошто је \(\Delta E = \frac{h \cdot c}{\lambda}\), мањој разлици \(\Delta E\) одговара већа таласна дужина (\(\lambda\)).
Код антрацена је \(\Delta E\) још увек релативно велика, па апсорпција пада у невидљиву UV област (\(360\text{ nm}\)). Код пентацена је конјугација толико проширена да \(\Delta E\) опада довољно да се максимум апсорпције помери у видљиви део спектра (\(580\text{ nm}\)), што чини једињење обојеним.
