Эта увлекательная химия

Повторим опыт Ньютона со светом: пучок солнечного света пропустим через стеклянную призму, развернем на экране в искусственную радугу. А теперь нальем в стакан раствор какого-нибудь окрашенного вещества и будем перемещать стакан поперек отдельных цветов радуги. Если смотреть на просвет, то окажется, что какие-то лучи поглощаются, и в этих местах стакан с раствором станет как бы непрозрачным темным цилиндром. Другие же лучи проходят через раствор почти не ослабленными. Почему же вещества поглощают свет? И почему каждое вещество "выбирает" только лучи определенного цвета?

Поглощение обусловлено взаимодействием световых волн с молекулами вещества. На рубеже нашего века Планк и Эйнштейн установили, что всякое излучение испускается и поглощается определенными мельчайшими порциями, квантами, а свет имеет свойства не только волн, но и частиц (они были названы фотонами). Чем меньше длина электромагнитных волн, тем больше энергия отдельного кванта света. Позже, когда была создана теория строения атома, стало ясно, что в любом атоме или молекуле электроны могут занимать лишь вполне определенные орбитали, каждой из которых соответствует строго определенный запас энергии. Когда на вещество падает свет, кванты света придают электрону дополнительную энергию, электрон перескакивает на более высокий энергетический уровень. Для наблюдателя это означает, что квант света поглощен веществом.

Особенность атомов и молекул как квантовых систем состоит в том, что поглощение света происходит при выполнении одного условия: энергия кванта должна точно соответствовать разности энергий электрона на исходной, низшей орбитали (или — на нижнем энергетическом уровне), и на конечной орбитали (или-на верхнем уровне). Если такого совпадения нет, то свет не поглощается. При совпадении этих энергий электрон возбуждается и поднимается за счет поглощенной энергии на более высокий энергетический уровень. Обычно электрон недолго задерживается на верхнем, возбужденном уровне. Поглощенная энергия освобождается молекулой в другой форме, чаще всего — в виде тепла (тело нагревается), реже запасенная энергия тратится на какую-нибудь химическую реакцию; здесь мы вступаем в область фотохимии. Иногда поглощенная энергия выделяется снова в виде излучения — наблюдается люминесценция.

Чем же определяется окраска вещества? Подавляющее большинство органических соединений бесцветно. Таковы, к примеру, насыщенные углеводороды. Связывание атомов в них осуществляется электронами, которые прочно удерживаются на своих энергетических уровнях, и для того чтобы их "раскачать", нужно потратить много энергии. Значит, кванты света, который будут поглощать такие углеводороды, должны содержать большой запас энергии. Поэтому не удивительно, что предельные углеводороды поглощают только в ультрафиолетовой области, т. е. такой свет, кванты которого несут большую энергию. Вообще все органические соединения поглощают ультрафиолетовые лучи.

Из этого рисунка видно, как сдвигается в видимую область поглощение света по мере удлинения цепи сопряжения

"Раскачать" π-электроны легче, поэтому многие соединения с двойными связями поглощают в той области ультрафиолетового света, которая близка к видимой. Еще легче "на подъем" электроны в сопряженных непредельных соединениях. Каротин — вещество, содержащее большое число сопряженных двойных связей, — окрашен в желтый цвет.

Легко проследить, как происходит углубление окраски, на примере соединений, содержащих цепь сопряженных двойных связей с фенильными кольцами на концах.

Разные теории

Первую теорию цветности органических соединений предложил в 1876 г. немецкий ученый О. Витт. Он считал, что в окрашенных соединениях (хромогенах) содержится ненасыщенная группировка — хромофор. К хромофорам Витт относил двойную связь, азогруппу -N=N-, азометиновую группу -CH = N-, нитрозогруппу -N0, нитрогруппу -NO₂, а также карбонил СО. Было подмечено, что некоторые функциональные группы сами не придают цвет соединению, но при наличии в нем хромофора углубляют окраску, так что вещество приобретает красящие свойства. К таким — ауксохромным — группам были отнесены гидроксигруппа -ОН, аминогруппа -NH₂ и ее производные, например -N(CH₃)₂.

Итак, вот как, например, по Витту, можно "расчленить" такое окрашенное соединение:

Хромофорно-ауксохромную теорию цветности дополнила так называемая хиноидная теория. Согласно этой теории, во всех окрашенных соединениях присутствует хиноидный фрагмент:

В дальнейшем мы увидим что, действительно, структуры многих красителей включают этот фрагмент.

Какие бывают красители?

Основное применение органических красителей — окрашивание различных материалов, волокон, пряжи, тканей — натуральных и синтетических, а также бумаги, изделий из кожи...

Иметь цвет — этого еще недостаточно, чтобы органическое соединение стало красителем. Одно из важнейших условий — само красящее вещество должно прочно связываться с окрашиваемым материалом.