Корице уџбеника

11.5. Провери Знање

Лекција 11.5 садржи следеће групе задатака:

Изабери решење задатка:

Задатак 11

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 (\(\lambda\)): \[ \Delta E = \frac{h \cdot c}{\lambda} \]
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) Код \(p\)-хидроксиазобензена:
  • Хромофора: азо-група (\(-\text{N}=\text{N}-\))
  • Група која појачава обојеност: фенолна хидроксилна група (\(-\text{OH}\))
б) Код \(o\)-нитрофенола:
  • 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.
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.

Савладај
домаћи
уз хиљаде решења, лекција и тестова: