Περιεχόμενα Πρόλογος...7 Εισαγωγή...9 Ι. ΘΕΩΡΗΤΙΚΟ ΜΕΡΟΣ ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 ΧΡΩΜΑ ΚΑΙ ΦΩΣ...11 Το φως...13 1.1. Η φύση του φωτός...13 Πώς δημιουργούνται τα φωτόνια...14 Τα ηλεκτρομαγνητικά κύματα...14 Το ηλεκτρομαγνητικό φάσμα...16 1.2. Πώς παράγεται το φως Φωτεινές πηγές...17 Φωτεινές πηγές σε κατάσταση πυρακτώσεως...19 Φωτεινές πηγές φωταύγειας...19 1.3. Η συμπεριφορά του φωτός...20 Α. Πώς διαδίδεται το φως...21 Α1. Ποια πορεία ακολουθεί το φως κατά τη διάδοσή του;... 21 Α2. Πού διαδίδεται το φως;... 21 Α3. Με ποια ταχύτητα διαδίδεται το φως;... 21 Β. Πώς το φως αλληλεπιδρά με την ύλη...21 Β1. Η απορρόφηση του φωτός... 22 Β2. Η ανάκλαση του φωτός... 23 Η σκέδαση του φωτός Το χρώμα του ουρανού... 24 Β3. Η διάθλαση του φωτός... 25 Η ανάλυση του φωτός... 26 Το ουράνιο τόξο... 26 1.4. H ιστορία των θεωριών του φωτός...27 Οι πρώτες επιστημονικές θεωρίες...27 Η σύγχρονη θεώρηση...29 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 Η ΑΙΣΘΗΣΗ ΤΟΥ ΦΩΤΟΣ ΚΑΙ ΤΟΥ ΧΡΩΜΑΤΟΣ...31 Η ανθρώπινη όραση...33 3
4 Η φυσική και η χημεία του χρώματος 2.1. Η δημιουργία της χρωματικής εντύπωσης στον άνθρωπο...34 2.2. Οι θεωρίες των χρωμάτων...36 Η θεωρία των χρωμάτων των Young-Helmholtz - Τριχρωματική όραση...36 Η θεωρία των αντιθέτων χρωμάτων του Hering - Τετραχρωματική όραση...37 2.3. Η χρωματική αντίληψη γενικά στους οργανισμούς...38 2.4. Η χημεία της όρασης των χρωμάτων...38 2.5. Η φυσιολογία της όρασης των χρωμάτων...40 Χρωματική τύφλωση Αχρωματοψία....40 Μηχανισμοί προσαρμογής του ανθρώπινου οφθαλμού και εγκεφάλου...41 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 ΤΟ ΧΡΩΜΑ...43 3.1. Χρώμα ακτινοβολίας χρώμα σώματος...45 3.2. Ο χαρακτηρισμός των χρωμάτων...46 Πρωτογενή και δευτερογενή χρώματα...46 Συμπληρωματικά χρώματα...47 3.3. Ανάμιξη χρωμάτων...48 Προσθετική ανάμιξη χρωμάτων...49 Αφαιρετική ανάμιξη χρωμάτων...50 Και λίγα μαθηματικά...51 Η διαδικασία της εκτύπωσης...52 Προβληματισμοί για τους όρους προσθετική και αφαιρετική ανάμιξη χρωμάτων....53 3.4. Η μέτρηση του χρώματος...54 Μετρήσιμες ιδιότητες των χρωμάτων...54 Φωτομετρία...56 3.5. Ιστορική Αναδρομή...59 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 ΟΙ ΧΡΩΣΤΙΚΕΣ...65 4.1. Βασικές έννοιες...67 Έγχρωμες ενώσεις...67 Χρωστικές...67 Χρώματα-βαφές...67 Βαφή...67 Χρωμοφόρες ομάδες...67 Αυξόχρωμες ομάδες...67
Περιεχόμενα 5 Διάκριση χρωστικών...68 4.2. Χρώμα και χημική δομή...68 Πού οφείλεται το χρώμα των χρωστικών;... 68 Πώς μπορεί μια ένωση να απορροφήσει φως;... 68 Σε τι μετατρέπεται αυτή η ενέργεια;... 69 Αλοχρωμία...71 Ανθοκυάνες... 72 Φαινολοφθαλεϊνη... 72 Φθορισμός...72 4.3. Χρήση των χρωστικών - ιδιότητες...73 Απαιτήσεις που πρέπει να ικανοποιούν οι χρωστικές...74 4.4. Οι κυριότερες διαδικασίες βαφής ινών...74 Βαφή με έτοιμες φυσικές ή τεχνητές χρωστικές...74 Βαφή με χρωστικές ανάπτυξης...75 Βαφή με χρωστικές αναγωγής (χρωστικές κάδου)...75 Βαφή με πρόστυψη...76 4.5. Ιστορικά στοιχεία...77 ΙΙ. ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΟ ΜΕΡΟΣ ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5 Η ΧΗΜΕΙΑ ΤΟΥ ΧΡΩΜΑΤΟΣ...79 Πρότυπες συνθέσεις χρωστικών και εγχρώμων ενώσεων...81 Πείραμα 1 ο : Σύνθεση της φαινολοφθαλεϊνης...81 Πείραμα 2 ο : Σύνθεση της φλουορεσκεϊνης...83 Πείραμα 3 ο : Σύνθεση του πορτοκαλόχροου της ναφθόλης...84 Πείραμα 4 ο : Σύνθεση του ινδικού...87 Πειράματα βαφής...88 Βαφή με έτοιμες φυσικές η τεχνητές χρωστικές...88 Πείραμα 5 o : Βαφή με κρεμμύδι, παντζάρι, σπανάκι, κτλ...88 Πείραμα 6 o : Βαφή με κυανούν του μεθυλενίου...89 Πείραμα 7 ο : Βαφή με πορτοκαλόχροο της ναφθόλης...90 Βαφή με χρωστικές ανάπτυξης...91
6 Η φυσική και η χημεία του χρώματος Πείραμα 8 ο : Βαφή με κυανούν του Βερολίνου...91 Πείραμα 9 ο : Βαφή με μαύρο ανιλίνης...92 Βαφή με χρωστικές αναγωγής...94 Πείραμα 10 ο : Βαφή με ινδικό...94 Βαφή με χρωστικές πρόστυψης...95 Πείραμα 11 ο : Βαφή με αλιζαρίνη...95 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 6 Η ΕΦΑΡΜΟΓΗ ΤΟΥ ΠΡΟΓΡΑΜΜΑΤΟΣ ΠΕΙΡΑΜΑΤΩΝ...97 Γενικό σχέδιο προετοιμασίας...99 Η εφαρμογή...100 Α. Η παρουσίαση του θεωρητικού μέρους...100 Β. Η εφαρμογή του πειραματικού μέρους...102 Μέτρα για την ασφάλεια... 103 Ερωτηματολόγιο...106 Επεξεργασία των απαντήσεων... 107 Σύμβολα επικινδυνότητας των ουσιών...109 Βιβλιογραφία...111 Φωτογραφίες...113
ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 ΟΙ ΧΡΩΣΤΙΚΕΣ
4.1. Βασικές έννοιες Έγχρωμες ενώσεις Είναι χημικές ενώσεις οι οποίες απορροφούν (αφαιρούν) ορισμένα τμήματα από το φάσμα του ορατού (λευκού) φωτός. Το τμήμα του φάσματος που δεν απορροφάται ελευθερώνεται, δηλαδή ανακλάται ή περνάει μέσα από τη μάζα της έγχρωμης ένωσης. Αν απορροφηθεί ολόκληρο το φάσμα του λευκού φωτός, το υλικό φαίνεται μαύρο. Αν δεν απορροφηθεί κανένα τμήμα του και ανακλαστεί ολόκληρο το ορατό φάσμα, το υλικό φαίνεται λευκό. Χρωστικές Είναι έγχρωμες ενώσεις οι οποίες έχουν όλες τις ιδιότητες, ώστε να παρασκευαστούν από αυτές χρώματα-βαφές ή είναι κατάλληλες να βάψουν. Χρώματα-βαφές Είναι παρασκευάσματα που περιέχουν χρωστικές ενώσεις και μπορούν να βάψουν. Βαφή Είναι η στερέωση της χρωστικής επί ή εντός του προς κατεργασία υλικού. Χρωμοφ ρες ομάδες Είναι ομάδες ατόμων που «φέρουν χρώμα», δηλαδή η ύπαρξή τους σε ένα μόριο του προσδίδει την ικανότητα να εκπέμπει φωτεινή ακτινοβολία, άρα η σχετική ένωση να γίνεται έγχρωμη. Οι χρωμοφόρες ομάδες είναι συχνά ενωμένες σε αρωματικά συστήματα. Κυριότερες απ αυτές είναι: η αζωομάδα Ν=Ν- και η νιτροομάδα ΝΟ 2. Αυξ χρωμες ομάδες Είναι ομάδες ατόμων με ελεύθερα ζεύγη ηλεκτρονίων που «αυξάνουν το χρώμα», δηλαδή του δίνουν μεγαλύτερη ένταση και συχνά κάνουν δυνατή τη συγκράτηση της χρωστικής πάνω στο προς βαφή υλικό. 67
68 Η φυσική και η χημεία του χρώματος Κύριες αυξόχρωμες ομάδες είναι οι: -ΝΗ 2, -ΟΗ, -Ο-CH 3, -NR 2, όπου R: αλκύλιο. Διάκριση χρωστικών 1. Υδατοδιαλυτές αρχικές ενώσεις: για βαφή υφασμάτων 2. Πιγμέντα: αδιάλυτες ενώσεις σε μορφή σκόνης οι οποίες προσκολλώνται με συνδετικά υλικά στην επιφάνεια του προς βαφή υλικού. Χρησιμοποιούνται ως χρωστικές εκτύπωσης κτλ. 3. Λάκκες: οργανικές χρωστικές που έχουν προσροφηθεί σε κάποιο ανόργανο υλικό, όπως κιμωλία, στυπτηρία κτλ. 4.2. Χρώμα και χημική δομή Πο οφείλεται το χρώμα των χρωστικών; Η απάντηση στο ερώτημα πρέπει τώρα να είναι εύκολη. Η χρωστική απορροφά ένα μέρος από το φως που προσπίπτει σε αυτή και το υπόλοιπο το εκπέμπει και πάλι (το ανακλά ή το αφήνει να περάσει). Το εξερχόμενο φως παραλαμβάνεται από το όργανο αντίληψης των χρωμάτων τον οφθαλμό και τον εγκέφαλο και δημιουργείται η εντύπωση χρώμα. Πώς μπορεί μια ένωση να απορροφήσει φως; Όπως συμβαίνει στα άτομα, έτσι και στα μόρια υπάρχουν τελείως καθορισμένες πιθανές ενεργειακές στάθμες για τα ηλεκτρόνια. Κανονικά όλα τα ηλεκτρόνια βρίσκονται στις χαμηλότερες ενεργειακές στάθμες (θεμελιώδης κατάσταση). Αν η διαφορά ενέργειας μεταξύ της θεμελιώδους κατάστασης και μιας υψηλότερης στάθμης ενέργειας αντιστοιχεί στην ενέργεια τη συχνότητα του φωτός, τότε το φως απορροφάται. Αυτό σημαίνει ότι το φως μπορεί να οδηγήσει τα ηλεκτρόνια σε υψηλότερη ενεργειακή στάθμη, ενώ ταυτόχρονα το μόριο διεγείρεται.
Κεφάλαιο 4: Οι χρωστικές 69 Σε τι μετατρέπεται αυτή η ενέργεια; Ενέργεια ταλάντωσης: Κανονικά μετατρέπεται υπό μορφή μικρών ποσοτήτων ενέργειας σε ε- νέργεια ταλάντωσης του μορίου. Τα μόρια κινούνται εντονότερα και το υλικό θερμαίνεται. Ενέργεια ενεργοποίησης για χημική αντίδραση: Η απορροφούμενη ενέργεια μπορεί να οδηγήσει σε διάσπαση δεσμών, δηλαδή σε χημικές αντιδράσεις. π.χ. Η αλογόνωση αλκανίων: Υποκατάσταση ατόμου υδρογόνου από άτομο αλογόνου. (το μόριο του αλογόνου διασπάται σε ελεύθερες ρίζες με την επίδραση του φωτός) Η φωτοσύνθεση CH 3 -CH 3 + Br 2 + φως CH 3 -CH 2 -Br + HBr 6CO 2 + 6H 2 O + φως C 6 H 12 O 6 + 6O 2 Φως: Μερικές φορές μόνο ένα μικρό τμήμα της φωτεινής ενέργειας μετατρέπεται σε ταλάντωση μορίων. Η κύρια ποσότητα εκπέμπεται και πάλι (διέρχεται ή ανακλάται) ως φως. Επειδή όμως το ποσό ενέργειας που μεταφέρει το εκπεμπόμενο φως είναι τώρα μικρότερο από το αρχικό, η συχνότητα της ακτινοβολίας είναι μικρότερη από την συχνότητα της προσπίπτουσας και το μήκος κύματος του φωτός που εκπέμπεται είναι μεγαλύτερο. Διακρίνουμε δύο περιπτώσεις: * Φθορισμός: άμεση εκπομπή. Φθορίζουσες χρωστικές χρησιμοποιούνται σε μαρκαδόρους, σε προειδοποιητικά σήματα κ.τ.λ. * Φωσφορισμός: η εκπομπή ακολουθεί με μια χρονική καθυστέρηση από λίγα δευτερόλεπτα μέχρι ώρες. Φωσφορίζουσες χρωστικές χρησιμοποιούνται στα ρολόγια, στους ηλεκτρικούς διακόπτες κ.τ.λ. επειδή φωτίζουν ακόμη για κάποιο χρόνο μετά τη διακοπή της προσπίπτουσας ακτινοβολίας.
70 Η φυσική και η χημεία του χρώματος Άρα: μια ένωση είναι έγχρωμη, όταν ορατό φως αρκεί για να διεγείρει τα μόριά της σε υψηλότερο ενεργειακό επίπεδο. Για να γίνει αυτό πρέπει η αμέσως επόμενη ενεργειακή στάθμη των ηλεκτρονίων να είναι τόσο κοντά στην θεμελιώδη, ώστε να είναι προσβάσιμη ακόμη και με απορρόφηση ορατού φωτός Σε ενώσεις με απλούς δεσμούς το ορατό φως δεν επαρκεί για τη διέγερση και για τον λόγο αυτό είναι άχρωμες (π.χ. αλκάνια, αιθανόλη). Εικ να 4.1: Βουτάνιο Εικ να 4.2: Αιθαν λη Η ενεργειακή διαφορά μεταξύ της θεμελιώδους κατάστασης και της επόμενης δυνατής ενεργειακής στάθμης γίνεται μικρή, όταν σε κάποιο μόριο τα ηλεκτρόνια διαμοιράζονται μεταξύ περισσοτέρων ατόμων, π.χ. λόγω συντονισμού. Αυτό συμβαίνει στις αρωματικές ενώσεις και σε όλες τις δομές που περιέχουν συζυγιακούς διπλούς δεσμούς (εναλλάξ διπλούς και απλούς δεσμούς): -C=C-C=C-. Συστήματα με συζυγιακούς διπλούς δεσμούς συναντώνται σε πολλές φυσικές ενώσεις, π.χ. στη χλωροφύλλη των πράσινων φύλλων ή στα καροτένια, τις πορτοκαλί χρωστικές των καρότων. Τελικά, για να είναι μια ένωση έγχρωμη κάτω από την επίδραση λευκού φωτός, για να μπορεί δηλαδή να αποδώσει ορατή ακτινοβολία πρέπει τα ηλεκτρόνιά της να διεγείρονται εύκολα, ακόμη και με ακτινοβολία του ορατού φάσματος. Άρα: Οι χρωστικές περιέχουν ηλεκτρόνια που διεγείρονται εύκολα. Μόνο έτσι μπορούν να απορροφήσουν περιοχές του φάσματος του ορατού φωτός. Η απόσπαση των ηλεκτρονίων μπορεί να επιτευχθεί με διάφορους τρόπους: Οι ανόργανες χρωστικές περιέχουν συχνά το κεντρικό τους στοιχείο σε δύο διαφορετικές καταστάσεις (αριθμούς) οξείδωσης. Ανάμεσα στις δύο αυτές καταστάσεις λαμβάνει χώρα μια εντατική και ταχύτατη μεταφορά ηλεκτρονίων. Καλό παράδειγμα είναι το κυανούν του Βερολίνου, το οποίο περιέχει στο κρυσταλλικό του πλέγμα ιόντα σιδήρου(ιι) (Fe 2+ ) και σιδήρου(ιιι) (Fe 3+ ) κατά ένα μέρος συνδεδεμέ-
Κεφάλαιο 4: Οι χρωστικές 71 να με τη μορφή συμπλόκου: Fe II 3[Fe III (CN) 6 ] 2 (βλ. πείραμα 8). Επίσης εδώ πρέπει να αναφερθεί η χρωστική μίνιο (Pb 3 O 4, δισθενής και τετρασθενής μόλυβδος Pb 2+, Pb 4+ ) που περιεχόταν παλαιότερα σε αντισκωρικά χρώματα-βαφές. Ο μαύρος μαγνητίτης (Fe 3 O 4 - Fe 2+ και Fe 3+ ) είναι επίσης ένα παράδειγμα. Η υψηλή ανυσματική κινητικότητα των ηλεκτρονίων του εκφράζεται και με τις σιδηρομαγνητικές ιδιότητες που έχει το ορυκτό. Η χρωματική ιδιότητα των συμπλόκων ενώσεων οφείλεται και ε- ξαρτάται από την ηλεκτρονική αλληλεπίδραση ανάμεσα στο κεντρικό ιόν και τους υποκαταστάτες. Έτσι π.χ. ενώσεις που περιέχουν ιόν Cu 2+ είναι άχρωμες, ενώ το ιόν Cu 2+ με τη μορφή συμπλόκου δίνει όλους τους χρωματικούς τόνους από κυανοπράσινο μέχρι πορφυρό ανάλογα με το είδος των υποκαταστατών. Ένα αντίθετο παράδειγμα (δηλ. ίδιος υποκαταστάτης σε διαφορετικό κεντρικό ιόν) είναι η βαφή με αλιζαρίνη με πρόστυψη (βλ. πείραμα 11) Οι οργανικές χρωστικές παρασκευάζονται γενικά, όταν μικρομοριακές άχρωμες, ακόρεστες ενώσεις συνδέονται σε μεγαλύτερα ακόρεστα μόρια (πειράματα 1, 2, 3, 4, 9). Ενώ τα μικρά μόρια του αντιδρώντος απορροφούν κυρίως την υπεριώδη ακτινοβολία ή ως κίτρινο υλικό απορροφούν την κυανοϊώδη ακτινοβολία, τα ηλεκτρόνια των μεγάλων μορίων του προϊόντος, που έχουν την δυνατότητα να κινούνται σε μια μεγάλη περιοχή, διεγείρονται με ακτινοβολία από την μεγάλου μήκους κύματος περιοχή του ορατού φωτός. Αν διακόψει κανείς αυτή την ελευθερία κίνησης των ηλεκτρονίων σε μεγάλη περιοχή με θραύση των αλληλεπικαλυπτόμενων (συντονισμένων) συστημάτων διπλών δεσμών, τότε αποχρωματίζεται και πάλι η χρωστική. Αυτή η διαδικασία μπορεί να είναι αντιστρεπτή, όπως θα παρατηρηθεί στο ινδικό (πείραμα 10). Αλοχρωμία Κάποιες ενώσεις εμφανίζουν την χρωστική τους ικανότητα μόνο σε ορισμένες τιμές ph ή αλλάζουν το χρώμα τους ανάλογα με το περιβάλλον. Αυτή η ιδιότητα ονομάζεται αλοχρωμία και οι ενώσεις αυτές χρησιμοποιούνται ως δείκτες. Κλασσικό παράδειγμα είναι φυτικές χρωστικές όπως οι ανθοκυάνες (περιέχονται στο κόκκινο λάχανο). Στις αλοχρωμικές ενώσεις ανήκει επιπλέον η φαινολοφθαλεϊνη (πείραμα 1). Ο χρωματισμός τους επηρεάζεται από το ότι έχουν διαφορετικό ηλεκτρικό φορτίο σε διαφορετικές τιμές ph. Οι χρωστικές που επηρεάζονται από το ph είναι μόνο σε περιορισμένη κλίμακα κατάλληλες για βαφή.
72 Η φυσική και η χημεία του χρώματος Μερικά παραδείγματα: Ανθοκυάνες Το κόκκινο λάχανο περιέχει όπως και τα τριαντάφυλλα και τα κεράσια την χρωστική κυανιδίνη (Εικόνα 4.3), με την οποία μπορούμε βάψουμε. Η κυανιδίνη έχει ερυθροϊώδες ή κυανοπράσινο χρώμα. Εικ να 4.3: Οι δ ο αλοχρωμικοί τ ποι της κυανιδίνης Φαινολοφθαλεϊνη Η φαινολοφθαλεϊνη σε ελαφρά όξινο μέχρι ουδέτερο περιβάλλον είναι άχρωμη και σε αλκαλικό πορφυρή (πείραμα 1). Στην πρώτη περίπτωση το μόριο είναι αφόρτιστο (ουδέτερο ηλεκτρικά) και στη δεύτερη είναι αρνητικά φορτισμένο. Εικ να 4.4: Οι δ ο αλοχρωμικοί τ ποι της φαινολοφθαλεϊνης Φθορισμ ς Τι συμβαίνει στην πραγματικότητα με το φως που απορροφάται από μια ένωση; Οι περισσότερες χρωστικές μετατρέπουν την ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία
Κεφάλαιο 4: Οι χρωστικές 73 του φωτός σε ενέργεια ταλάντωσης, και τα μόριά τους αρχίζουν να ταλαντώνονται με χαρακτηριστική συχνότητα. Τελικά αυτό συνεπάγεται τη μετατροπή της ακτινοβολίας σε θερμότητα. Μερικές ενώσεις, όμως, εξαιτίας της δομής των μορίων τους εμποδίζονται να ταλαντωθούν. Αυτές πρέπει να αποδώσουν την ενέργεια της απορροφημένης α- κτινοβολίας πάλι ως ακτινοβολία. Η απόδοση ακτινοβολίας ονομάζεται φθορισμός. Αλλά ακόμη και ένα μόριο που παρεμποδίζεται στερεοχημικά ταλαντώνεται σε ένα μικρό βαθμό. Αυτό σημαίνει ότι ένα μικρό μέρος της ακτινοβολίας που απορρόφησε μετατρέπεται σε θερμότητα. Έτσι η ενέργεια φθορισμού είναι πάντα χαμηλότερη από την ενέργεια που προκάλεσε τη διέγερση (προσπίπτουσα ακτινοβολία) και συνεπώς έχει και μεγαλύτερο μήκος κύματος από αυτή. Μια χρωστική που μπορεί να χρησιμοποιηθεί σαν παράδειγμα για το φαινόμενο του φθορισμού και που μπορεί κανείς να παρασκευάσει μόνος του είναι η φλουορεσκεϊνη (πείραμα 2). Τα μόρια της είναι ανάλογα με αυτά της φαινολοφθαλεϊνης. Η δομική διαφορά μεταξύ των δύο ενώσεων είναι η γέφυρα οξυγόνου μεταξύ δύο βενζολικών δακτυλίων της φλουορεσκεϊνης. Εξαιτίας της περιορίζεται η δυνατότητα του μορίου για ταλάντωση, και οδηγούμαστε στον φθορισμό της φλουορεσκεϊνης. Εικ να 4.5: Σ γκριση μορίων φαινολοφθαλεϊνης και φλουορεσκεϊνης 4.3. Χρήση των χρωστικών - ιδι τητες Για βαφή υφασμάτων φυσικών και συνθετικών, δέρματος, γούνας, ξύλου, χαρτιού, τροφίμων. Για μαζική βαφή ελαστικών, πλαστικών κεριών, σαπουνιών κτλ. Για εκτυπώσεις, μελάνες, κτλ. Για παρασκευή πιγμέντων, βαφών τοίχων.
74 Η φυσική και η χημεία του χρώματος Στην φωτογραφία. Ως χημικοί δείκτες, και πολλά άλλα. Απαιτήσεις που πρέπει να ικανοποιο ν οι χρωστικές Κάθε έγχρωμη ένωση δεν είναι χρωστική με την τεχνική έννοια. Για να μπορεί να βάφει (να λειτουργήσει ως χρωστική) μια ένωση, πρέπει να μπορεί να συγκρατηθεί ικανοποιητικά πάνω σε μια ίνα ή επιφάνεια. Εκτός από αυτό πρέπει να είναι σταθερή απέναντι σε εξωγενείς παράγοντες. Γενικά οι χρωστικές πρέπει να έχουν: Όμορφη απόχρωση, Χημική σταθερότητα (π.χ. στην επίδραση οξέων και βάσεων), Σταθερότητα στο φως και την υπεριώδη ακτινοβολία, Σταθερότητα στην υγρασία και την πλύση, Σταθερότητα στη μηχανική κατεργασία. Η επίδραση ορισμένων από τους ανωτέρω παράγοντες γίνεται κατανοητή κατά τη διαδικασία βαφής που περιγράφεται κατωτέρω: 4.4. Οι κυρι τερες διαδικασίες βαφής ινών Βαφή με έτοιμες φυσικές ή τεχνητές χρωστικές Σ αυτή την περίπτωση μια έτοιμη χρωστική επικολλάται επί των ινών. Το πιο απλό παράδειγμα είναι η βαφή με φυτικές χρωστικές (Πείραμα 5). Ως χρωστική μπορεί να λειτουργήσει οτιδήποτε «δημιουργεί κηλίδες», π.χ. κρεμμύδι, χυμός κερασιού, σπανάκι, κόκκινο κρασί κτλ. Πολύ καλά επιτυγχάνεται η βαφή επίσης με κυανούν του μεθυλενίου και με πορτοκαλί της ναφθόλης (πειράματα 6 και 7). Εικ να 4.6: Συντακτικ ς τ πος του κυανο του μεθυλενίου
Κεφάλαιο 4: Οι χρωστικές 75 Βαφή με χρωστικές ανάπτυξης Σ αυτό το είδος βαφής συντίθεται η χρωστική πάνω στην ίνα από τελείως ή σχεδόν άχρωμα ολιγομοριακά δομικά σωματίδια. Παραδείγματα είναι η ανόργανη χρωστική κυανούν του Βερολίνου (πείραμα 8) και το αζώχρωμα μαύρο της ανιλίνης (πείραμα 9). Το κυανούν του Βερολίνου έχει σήμερα μόνο ιστορική σημασία ως χρωστική. Το μαύρο της ανιλίνης χρησιμοποιείται ακόμη για βαφή δέρματος και τζην υφασμάτων. 4Fe 3+ + 3[Fe(CN) ] 4 6 Fe III 4 [Fe II (CN) 6 ] 3 Αντίδραση σ νθεσης του κυανο του Βερολίνου Εικ να 4.7: Σ νθεση του μα ρου της ανιλίνης Βαφή με χρωστικές αναγωγής (χρωστικές κάδου) Χρωστικές που δεν διαλύονται στο νερό μεταφέρονται στην ίνα, αφού πρώτα μετατραπούν σε ευδιάλυτη μορφή (λευκομορφή), που είναι λίγο ή περισσότερο άχρωμη. Αυτό μπορεί να γίνει με αναγωγή σε διάλυμα. Κλασσικό παράδειγμα είναι το ινδικό, του οποίου ο φαινολικός τύπος λευκό του ινδικού, που παράγεται σε αλκαλικό περιβάλλον, είναι ευδιάλυτο στο νερό. Παλαιότερα χρησιμοποιήθηκαν ως αναγωγικά μέσα αναερόβια βακτήρια, ενώ σήμερα χρησιμοποιείται το υδροθειώδες νάτριο (πείραμα 10). Μετά την εφαρμογή του λευκού του ινδικού, το ύφασμα απλώνεται στον αέρα και έτσι φέρεται σε επαφή με το οξυγόνο, το οποίο οξειδώνει και πάλι τη χρωστική στην αρχική της κυανοϊώδη μορφή.
76 Η φυσική και η χημεία του χρώματος Εικ να 4.8: Αντίδραση σχηματισμο του λευκο του ινδικο και αντίστροφη αντίδραση προς ινδικ Βαφή με πρ στυψη Τα μόρια της χρωστικής σταθεροποιούνται πάνω στην ίνα με τη βοήθεια ενός μεταλλικού ιόντος. Αυτό σχηματίζει μεταξύ της ίνας και της χρωστικής σύμπλοκους δεσμούς που συχνά είναι πολύ σταθεροί. Ανάλογα με το μεταλλικό ιόν μπορεί η χρωστική να εμφανίζει διαφορετικό χρώμα κατά τη βαφή. Ένα παράδειγμα είναι η αλιζαρίνη (πείραμα 11). Εικ να 4.9: Βαφή με αλιζαρίνη με πρ στυψη
Κεφάλαιο 4: Οι χρωστικές 77 Πρόστυψη με Al Πρόστυψη με Cr Πρόστυψη με Fe Εικ να 4.10: Αποτελέσματα βαφής με αλιζαρίνη με διαφορετικά μεταλλικά ι ντα 4.5. Ιστορικά στοιχεία Η τέχνη της βαφής ήταν γνωστή πολλές χιλιετίες προ Χριστού στην Μεσόγειο την Περσία και την Άπω Ανατολή. Κλωστοϋφαντουργικά υπολείμματα που βρέθηκαν σε τύμβους των αιγυπτιακών Θηβών (Λούξορ) φέρουν ίχνη βαφής με ινδικό (Indigοfera tinctoria, λουλάκι) εισαγόμενο από τις Ινδίες. Στον ελληνορωμαϊκό κόσμο ανάλογα αποτελέσματα έδινε η χημικά συγγενής ίσατις (Ιsatis tinctoria, παστέλ). Οι Έλληνες της Κύπρου και της μινωικής Κρήτης, καθώς και οι Φοίνικες απέκτησαν μεγάλη επιδεξιότητα στη βαφή με πορφύρα. Αν σκεφτεί κανείς ότι με μια πολύπλοκη βιοχημική διαδικασία από δώδεκα περίπου χιλιάδες κοχύλια του γένους Murex μπορεί να παραχθεί μόνο 1g πορφύρας, τότε γίνεται κατανοητή η εμπορική σημασία της χρωστικής στους αρχαίους χρόνους. Εικ να 4.11: Ινδικ Εικ να 4.12: Ίσατις
78 Η φυσική και η χημεία του χρώματος Από τα μινωικά χρόνια σημαντικότερη από τις κίτρινες βαφές είναι ο κρόκος (Crocus sativus, ζαφορά). Η καλύτερη ποιότητα παράγεται ακόμη και σήμερα στην Κοζάνη. Από τις ερυθρές χρωστικές επί χιλιετίες χρησιμοποιούνται το ερυθρόδανο (Rubia tinctorum, ριζάρι) και ο κόκκος (Kermes vermilio, κρεμέζι), που λαμβάνεται από μικροσκοπικά έντομα και συχνά υποκαθιστά την πορφύρα. Με την ανακάλυψη της Αμερικής τη σκυτάλη παίρνει μια παρόμοια χρωστική από το μεξικανικό έντομο κοκκινίλη (Dactylopius coccus, καρμίν). Η κοκκινίλη χρησιμοποιείται μέχρι σήμερα μαζί με το ινδικό στη βαφή υφασμάτων τζην υψηλής ποιότητας. Μέχρι τα μέσα του 19 ου αιώνα χρησιμοποιούνταν αποκλειστικά φυσικές χρω- Εικ να 13: Κοκκινίλη στικές. Το 1844, όμως η ανακάλυψη της φαινόλης και της ανιλίνης στη λιθανθρακόπισσα από τον Γερμανό χημικό Friedlieb Ferdinand Runge οδήγησε σε περαιτέρω εξελίξεις. Το 1856 ο άγγλος Perkin στην προσπάθειά του να συνθέσει από ανιλίνη την πολύτιμη κινίνη παρασκεύασε μια χρωστική που μπορούσε να χρησιμοποιηθεί. Την ονόμασε μωβεϊνη, επειδή είχε ανοιχτό ιώδες (μωβ) χρώμα. Αυτή η επιτυχία ήταν το έ- ναυσμα για ραγδαία εξέλιξη και στα επόμενα χρόνια παρασκευάστηκε με πρώτη ύλη την ανιλίνη που περιεχόταν στη λιθανθρακόπισσα μια μεγάλη σειρά χρωστικών, οι χρωστικές ανιλίνης. Μολονότι δεν έχουν την ίδια λεπτότητα στην απόχρωση, οι συνθετικές χρωστικές καθιερώθηκαν ως αισθητά φθηνότερες και πολύ ανθεκτικότερες στο φως από τα φυσικά ανάλογά τους.