Chemie: 11. Klasse

Farbstoffe

Phänomen der Farbigkeit

Farbe als Absorptionsphänomen

Das Licht ist eine elektromagnetische Strahlung. Der Mensch kann dabei ein Spektrum sehen, dessen Wellenlänge $\lambda$ ungefähr zwischen 400 und 700 nm liegt (1 nm = 10^-9 m). Alle Farben dieses Bereichs ergeben zusammen die „Farbe“ weiß. Der Farbeindruck wird dabei durch den nicht absorbierten Teil erzeugt.

Die Energie, die die Farbe besitzt, hängt von der Wellenlänge der Farbe ab:

Dabei ist $h$ das sog. Plancksche Wirkungsquantum. Es hat einen Wert von

In der Formel ist $c$ die Lichtgeschwindigkeit. Sie hat einen Wert von

Anregung von Elektronen

Der Farbeindruck entsteht durch die Anregung von Elektronen eines Moleküls. Dieser entspricht der Energie der absorbierten Strahlung. Dadurch werden die Elektronen vom Grundzustand in einen instabileren, angeregten Zustand „gehoben“.

Aus diesem angeregten Zustand fällt das Elektron innerhalb kürzester Zeit (ca. 10^-8 s) wieder in den Grundzustand zurück, indem es die Energie, die es zuvor aufgenommen hat, meist in Form von Wärme oder Licht abgibt. Je mehr Energie zur Anregung notwendig ist, desto kurzwelliger ist das abgegebene Licht.

Konjugierte Doppelbindungen

Von konjugierten Doppelbindungen spricht man, wenn in einem Molekül auf eine Doppelbindung eine Einfachbindung folgt. Dadurch kann ein delokalisiertes Elektronensystem entstehen.

Diese delokalisierten Elektronen lassen sich leichter anregen, da sie keinem einzelnen Atom zugeordnet sind. Je größer das System konjugierter Doppelbindungen ist, desto weiter können sich die Elektronen im Molekül bewegen, desto weniger Energie ist zur Anregung notwendig und desto langerwelliger ist das absorbierte Licht.

Ab etwa acht konjugierten Doppelbindungen findet die Absorption im sichtbaren Bereich statt, wodurch die Substanz farbig wird.

Substanzklassen mit konjugierten Doppelbindungen

Biologisch wichtige Farbstoffe mit konjugierten Doppelbindungen sind zum Beispiel Hämoglobin, Chlorophyll und Charotin. Natürliche Färbemittel wie Indigo oder synthetische Farbstoffe (z.B. Azofarbstoffe) enthalten ebenfalls welche.

Zusammenhang zwischen Molekülbau und Farbigkeit

1876 entwickelte Otto Nikolaus Witt die chemische Farbstofftheorie. Sie beruht auf einer Einteilung von bis zu drei Strukturteilen in den Farbstoffmolekülen:

• Chromophore Gruppen: Sie bilden den Farbträger. Sie sind für das Zustandekommen der Farbe nötig. Es sind immer Gruppen mit Mehrfachbindungen und konjugierten Systemen (z.B. CC-, CO-, NO-, NN-Bindungen)
• Auxochrome Gruppen: Sie sorgen in Kombination mit den chromophoren Gruppen für eine Farbverstärkung, da sie Elektronendonatoren sind und damit eine Farbverschiebung in den langwelligeren Bereich bewirken. Man spricht auch vom bathochromen Effekt. Dazu zählen z.B. NH₂- und OH-Gruppen.
• Antiauxochrome Gruppen: Sie sind Elektronenakzeptoren wie NO₂ oder R-CO und verstärken so den Farbeindruck.

Azofarbstoffe

Die Ausgangssubstanz aller Azofarbstoffe ist Anilin. Alle enthalten die zentrale funktionelle Azogruppe (-N=N-), an der zwei aromatische Reste hängen. Der einfachste Azofarbstoff ist Azobenzol, der Strahlung aus dem blaugrünen Bereich absorbiert und deshalb orangerot erscheint.

Synthese eines Azofarbstoffs

Die Herstellung soll an dieser Stelle am Beispiel von Dimethylgelb (p-Dimethylaminobenzol) erklärt werden.

Als erstes muss eine Diazotierung durchgeführt werden. Dabei wird das Anilin, die Diazokomponente, mit salpetriger Säure zur Reaktion gebracht. Dabei wird unter Wasserabspaltung N-Nitrosoanilin gebildet, was unter Hinzugabe von Salzsäure zu Benzoldiazoniumchlorid, das Diazoniumsalz, und Wasser reagiert:

Danach führt man eine Kupplungsreaktion, die eine elektrophile Substitution ist, mit Dimethylanilin, der Kupplungskomponente, durch. Dabei bildet sich der Azofarbstoff und Salzsäure:

Säure-Base-Indikatoren

Säure-Base-Indikatoren sind meist organische Farbstoffe, die je nach pH-Wert mit unterschiedlicher Struktur vorliegen. Diese beeinflusst ihr Absorptionsverhalten und damit ihre Farbe.

Beispiel: Methylorange

Methylorange ist ein Azofarbstoff, der bei einem pH-Wert von unter 3 rot und bei über 4,4 orange ist. Im ersten Fall liegt vor allem die protonierte Form des Methylorangemoleküls vor, in weniger sauren und basischen Lösungen die deprotonierte Form.

„Bei der Protonierung oder Deprotonierung [...] des Methyloranges bleibt die Zahl der konjugierten Doppelbindungen sowie der Elektronendonatoren und -akzeptoren gleich. Die Änderung des Absorptionsverhaltens hat daher eine andere Ursache. [...]
Bei der deprotonierten Form des Methylorangemoleküls kommt es bei einer der Grenzstrukturformeln zum Auftreten neuer formaler Ladungen. [...] Der wahre Bindungszustand entspricht [deshalb] eher der energetisch günstigeren Grenzstrukturformel ohne zusätzliche formale Ladungen. [Die] Delokalisation der deprotonierten Form [ist] nicht so ausgeprägt.
Bei der protonierten Form [...] sind beide Grenzstrukturformeln ähnlicher, d.h. die Delokalisierung ist ausgeprägter und die Elektronen können leichter angeregt werden. Das Absorptionsmaximum ist somit in den langwelligeren Bereich verschoben.“^{[2]Galvani Chemie Schülerbuch 11 S. 40}

Küpenfärberei – Färben mit Indigo

Indigo ist ein natürlicher Farbstoff, der wasserunlöslich und bei Raumtemperatur fest ist. Er wird nicht direkt zum Färben genutzt, sondern das Resultat einer Redoxreaktion, der gelb-grüne Leukoindigo:

Das Gewebe färbt sich anschließend durch die Oxidation von Leukoindigo zu Indigo durch den Luftsauerstoff blau, da der Stoff Licht des gelben Spektrums absorbiert.