Farben und Farbstoffe
- Farben und Farbstoffe – jetzt wird es bunt
- Die Entstehung von Farbigkeit
- Die Bedeutung von Farben
- Die Struktur von Farbstoffmolekülen
- Farbstoffklassen
- Azofarbstoffe
- Anthrachinonfarbstoffe
- Triphenylmethanfarbstoffe
- Indigofarbstoffe
- Polymethinfarbstoffe
- Schwefelfarbstoffe
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Lerntext zum Thema Farben und Farbstoffe
Farben und Farbstoffe – jetzt wird es bunt
Ohne Farben wäre die Welt dunkel und grau. Doch was sind eigentlich Farben und wie erkennen wir Farben? Farbigkeit ist ein chemisch-physikalischer Prozess, der in diesem Text erklärt werden soll.
Die Entstehung von Farbigkeit
Alle Farben, die wir kennen, sind nichts anderes als Licht. Licht besteht aus elektromagnetischen Wellen. Die Wellenlänge für den für Menschen sichtbaren Bereich des Lichts liegt im Bereich von 380 bis 780 nm. Weißes Licht ist eine Mischung verschiedener Farben. Aus dem weißen Licht kann auf drei verschiedenen Wegen Farbigkeit entstehen:
- Absorption: Ein Teil des Lichts wird absorbiert. Der restliche Anteil wird reflektiert und ist als Farbe sichtbar.
- Emission: Energie in Form von elektromagnetischen Wellen wird freigesetzt und als Farbe wahrgenommen.
- Wellenoptik: Wenn Lichtstrahlen mit Materie wechselwirken, kann es zur Richtungsänderung der Lichtstrahlen kommen. Dies wird als Streuung, Beugung oder Interferenz bezeichnet. Das weiße Licht wird dabei in seine Farben aufgespalten. So entsteht beispielsweise ein Regenbogen.
Dass der Mensch Farben wahrnehmen kann, verdanken wir speziellen Lichtsinneszellen in der Netzhaut, den Zapfen. Mit den Zapfen können die Farben Rot, Blau und Grün wahrgenommen werden, die auch als Grundfarben bezeichnet werden. Alle anderen Farben ergeben sich durch Farbaddition aus diesen drei Grundfarben. Neben den Zapfen enthält die menschliche Netzhaut weitere Lichtsinneszellen, die sogenannten Stäbchen. Mit diesen Sinneszellen können hell und dunkel unterschieden werden.
Die Bedeutung von Farben
Farben sind nicht nur schön zu betrachten, sondern erfüllen in der Natur auch eine wichtige Funktion, z. B. als Warnfarben oder um bestäubende Insekten anzuziehen. Ein wichtiger Industriezweig ist das Färben von Textilien oder Lebensmitteln. Bevor der Mensch in der Lage war, Farbstoffe technisch zu synthetisieren, wurden Farben in der Regel aus Mineralien gewonnen. Auch hier spielten die Grundfarben eine wichtige Rolle. Blau wurde aus Azurit, Grün aus Malachit und Rot aus Zinnober gewonnen.
Die Struktur von Farbstoffmolekülen
Bei Farbstoffmolekülen handelt es sich in der Regel um organische Verbindungen, die über funktionelle Gruppen mit Mehrfachbindungen verfügen. Dieses System aus Mehrfachbindungen wird als Chromophor bezeichnet. Die Mehrfachbindungen besitzen delokalisierte $\pi$-Elektronen, die im sichtbaren Bereich des Lichts absorbieren.
Die $\pi$-Elektronen können verschiedene Energieniveaus besetzen. Durch die Absorption von Licht einer bestimmten Wellenlänge können die Elektronen in einen höheren Energiezustand befördert werden. Kehren die Elektronen in den Grundzustand zurück, wird die freigesetzte Energie in Form von Wärme oder als Licht bestimmter Wellenlänge wieder abgegeben. Dieses Phänomen wird als Fluoreszenz bezeichnet.
Farbstoffklassen
In diesem Abschnitt werden einige Farbstoffklassen vorgestellt.
Azofarbstoffe
Die Azofarbstoffe bilden mit mehr als 2 000 Vertretern eine der wichtigsten Gruppen synthetisch hergestellter Farbmittel. Namensgebend für die Azofarbstoffe ist die Azogruppe, die an beiden Seiten aromatische Reste gebunden hat. Als Beispiel ist hier der Azofarbstoff 4-Hydroxyazobenzol dargestellt:
Über die aromatischen Reste bis hin zur Azogruppe zieht sich ein mesomeres $\pi$-Elektronensystem, das der Grund für die Farbigkeit von Azoverbindungen ist. Azofarbstoffe sind durch eine intensive Färbung gekennzeichnet. Sie werden zum Färben von Leder, Kleidung und Lebensmitteln verwendet.
Anthrachinonfarbstoffe
Die Anthrachinonfarbstoffe leiten sich vom Anthrachinon ab. Durch Substitution verschiedener Gruppen, beispielsweise durch Hydroxy-, Amino-, Sulfonsäure- oder aromatische Gruppen, erhält man eine Vielzahl farbiger Verbindungen:
Triphenylmethanfarbstoffe
Grundlage aller Triphenylmethanfarbstoffe ist das Molekül Triphenylmethan. Es besteht aus einem zentralen Carbeniumion mit drei gebundenen Benzolringen:
Durch Substituenten an den Benzolringen entsteht eine Vielfalt an Farbstoffmolekülen. Ein bekannter Vertreter der Triphenylmethanfarbstoffe ist der Indikator Phenolphthalein.
Indigofarbstoffe
Indigo ist ein blauer Farbstoff, der ursprünglich aus Pflanzen isoliert worden ist:
Durch Substitution an den Benzolringen erhält man aus diesem blauen Farbstoff eine Vielzahl an Farbstoffen, die fast das gesamte Farbspektrum abdecken.
Polymethinfarbstoffe
Polymethinfarbstoffe bestehen aus einer Kette miteinander verbundener Methinmoleküle. An den Enden der Methinkette sind funktionelle Gruppen gebunden, die mit den Methinmolekülen eine mesomere Grenzstruktur bilden, die die Farbigkeit dieser Stoffe hervorrufen.
Schwefelfarbstoffe
Grundlage der Schwefelfarbstoffe ist das Molekül Benzothiazol:
Schwefelfarbstoffe bilden ein komplexes System aus vielen miteinander verbundenen Benzothiazolmolekülen und werden hauptsächlich zum Färben von Textilien eingesetzt.
Farben und Farbstoffe – Zusammenfassung
- Farben entstehen aus Licht durch Absorption, Emission oder Wellenoptik.
- Bei Farbstoffmolekülen handelt es sich in der Regel um organische Verbindungen, die über ein System aus Mehrfachbindungen verfügen. Die Mehrfachbindungen besitzen delokalisierte $\pi$-Elektronen, die Farbigkeit hervorrufen.
- Wichtige Farbstoffklassen sind die Azofarbstoffe, Anthrachinonfarbstoffe, Triphenylmethanfarbstoffe, Indigofarbstoffe, Polymethinfarbstoffe und Schwefelfarbstoffe.
Häufig gestellte Fragen zum Thema Farben und Farbstoffe
Farben und Farbstoffe Übung
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Beschrifte die Elemente des Sehvorgangs.
TippsDas Licht der Sonne ist ein Gemisch aus allen Lichtfarben.
LösungDas weiße Licht der Sonne ist ein Gemisch aus allen Lichtfarben. Deutlich erkennbar wird das, wenn sich das weiße Licht zum Beispiel an einem Prisma bricht. Dann sieht man das gesamte Spektrum der Farben. Trifft nun weißes Licht auf einen Gegenstand, dann wird ein Teil des Lichtes von ihm absorbiert, er wird also dem Licht entzogen. Der reflektierte Teil des Lichtes enthält eben diesen absorbierten Teil nicht mehr, daher erscheint uns das reflektierte Licht und damit der Gegenstand farbig.
Wenn ein Gegenstand alles Licht absorbiert, erscheint er uns schwarz. Wenn er das gesamte Licht reflektiert, erscheint er weiß.
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Bestimme die Bedeutung folgender Farben.
TippsAn welchen Stellen begegnen dir Farben und welche Bedeutung haben sie dann?
LösungDie Bedeutung von Farben ist von Kultur zu Kultur unterschiedlich. Dabei haben sich die Bedeutungen über Jahrhunderte gefestigt und überliefert. Oft sollen auch Gegenstände, die bestimmte Farben tragen, deren Bedeutung übernehmen. Herzen werden oft in rot oder rosa dargestellt, weil sie die Liebe symbolisieren. Ein Brautkleid ist in der Regel weiß, da es die Reinheit verkörpern soll.
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Bestimme die Flammfärbungen folgender Metall-Ionen.
TippsDie Flammenfarbe von Kupfersalzen ist vergleichbar mit der Farbe der Salze.
LösungBei Feuerwerk wird sich die charakteristische Flammenfärbung von Metall-Kationen zunutze gemacht. Dabei werden die Elektronen der Ionen thermisch angeregt und emitieren farbiges Licht, wenn die Elektronen wieder in den Grundzustand zurückfallen. Diese Farbe wird häufig auch als erstes Indiz bei einer Analyse einer unbekannten Substanz verwendet.
- Lithium: rot
- Natrium: gelb
- Kalium: rot-violett
- Barium: grün
- Kupfer: blau-grün
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Benenne die folgenden Farbpigmente.
TippsZinnober ist eine Quecksilberverbindung.
LösungEine ganze Reihe von farbigen Salzen können als Farbpigment verwendet werden. Zinnober ist ein roter Farbstoff, der chemisch Quecksilbersulfid ist. Das gelbe Cadmiumsulfid ist eine der seltenen farbigen Cadmiumverbindungen und wurde früher häufig als Farbpigment verwendet, heute aufgrund seiner Giftigkeit jedoch eher seltener. Chromoxid ist auch als Pigment Chromoxidgrün bekannt und wird zum Glasfärben verwendet. Titan(IV)oxid ist ein weißes Farbpigment, was in Farben und Lacken eingesetzt wird, aber auch in Zahnpasta und Sonnencremes.
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Nenne die Grundfarben der Farbaddition.
TippsWenn du ganz dicht an deinen Fernseher gehst, kannst du die einzelnen Lichtfarben erkennen.
LösungDie additive Farbmischung, also die Farbmischung von Licht, besteht aus den drei Grundfarben:
- Rot,
- Grün,
- Blau.
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Beschreibe den Prozess des Haarefärbens.
TippsWenn Farbe lange halten soll, dann muss sie tief ins Haar eindringen und darf sich nicht auswaschen.
LösungHaare können gefärbt werden, da das Keratin eine große Anzahl an funktionellen Gruppen besitzt und die Farbmoleküle sich dort gut anlagern können.
Sollen Haare nun permanent gefärbt werden, müssen die Haarstrukturen aufgeweicht werden. Dies geschieht mit basischen Lösungen und ermöglicht den Farbstoffen ein tieferes Eindringen ins Haar. Damit sich die Farbe nicht sofort wieder herauswäscht, müssen die Farbpigmente wasserunlöslich sein. Dazu werden kleine Ausgangsstoffe ins Haar gebracht und erst dort durch Oxidation zu großen, unlöslichen Molekülen. Die Oxidation erfolgt oft durch Wasserstoffperoxid.
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