Barwa a struktura związku chemicznego

13 Pages·2012·5.08 MB·Polish

- Kształcenie nauczycieli chemii
Barwa a struktura
chemicznego
związku
W tym artykule pokażemy, jak za zjawiska powstawania barw substancji jest
odpowiedzialna ich budowa chemiana .
• MARIUSZ GAGOŚ, GRZEGORZ KARWASZ
W
IXJpr.rednim artykule opisane zo
stały zjawiska związane z barwarni
-transmisja ~wiat la, jego absorpcja,
rozproszenie oraz emisja innej długości fali
pod \'lpi)WCill wzbudzenia za (Xltnocą ~wiatła
(czyli tzw. fotoluminescencja). Co więcej, jak
w prqpadku rubinu lub "berlińskiego'' szkła.
widma absorpcji i fotoluminescencji bardziej
skomplikowanych cząstec-t:ck zazwyczaj siy nic
JX>krywaj<!-inne długości fali ~wictlncj są ab
sorhowanc, a inne emitowane. W tej cz~i
(X) każemy, jak za te wszystkie zjawiska jest od '
powiedzialna struktura chemiczna związków.
Dlaczego papierek lakmusowy, herbata F<lt. la. LffilfiOra mura/i to popularny porost rosnący
lub sok z kapusty zmieniają zabarwicnic na .podłożach wapiennych (na zdjęciu murek beltonowy
po dodaniu cytryny? Spróbujemy opowie przystacjikolejowejwNancy,aleidentyunyporostro·
dzieć, jak zmiana struktury chemicznej śnieteżwPolsce)
zmienia obserwowaną barwę substancji.
lakmus i kapusta
Najpopularniejszym wskaLnikiem pH po
chodzenia naturalnego jest lakmus. Jest to
niebieski barwnik otrzymywany z porostów ..
Rocecella i Lecanora występujących na wy
bMnicseżcuz nMicao rmzau rŚorwóad z( Lieecmanneogroa im Aurtalalnist)y krou . ~ ,. ' '
~nie również w Polscc, na skałach wapien
nych, betonie, drewnie. Nazwa "lakmus"
pochodzi od holenderskiego słowa lacmoes ----= ~-.-'
(od moes - papka, pulpa). Jak wiadomo, fot.lb.Zakreszmianba.wypapierkówlakmusowych
roztwór lakmusu w środowisku ;wsadowym
barwi się na niebiesko, natomiast w obecno Jako wskai:ników kwasowo-zasadowych
ści kwasów na czcnvono. Najwi((ksze wizu można używać t ci innych produktów natu
alnic zmiany harwy, od żółtego do :óclonc ralnych. Nawet zwykla herbata staje się
go. prqpadają na pH ok. 5-8, Fot. Ib. ciemnobrązowa po dosypaniu odrobiny
Chemia w Szkole
Kształcenie nauczycieli chemii-
DoświadC7cni~.: l. Radanie odczynu za pomocą soku z czcrn-oncj kapusty
W tym celu należy rozdrobnić blende Na Fot. 2. zaprezentowano naczynka
rem czerwoną kapustę. do uzyskanego so wodnych roztworów soku '-kapu<;ty dla
ku dodać tak<! samą ubjyt~ wody unv w;1rtości pl-i z zakresu od 1-13. Z..'l.kres
prqgotować: 1-łCI (cw. oc-et lub sok z l:ytry· zmian barwy jest nieoczekiwanie szeroki
ny), KOiłlub NaOII (cw. wodny roztwór - od czerwonego. poprzez niebieski,
sody oc.cyszc-.wncj). Po prl)'gotowaniu kil do żółtego. Za pomocą soku z kapusty
ku szklanek z rozcieńczonym sokiem z ka (plus OC!.:t i soda) można więc nawet two
pusty dodajemy do nich kwas lub zasady. rzyć małe dzieła sztuki. Fot. 3.
-·
13 7,5 7 6
Fot. 2. Barwy ronworów M>ku z aeiWoneJ kapusty dla różnych wartości pH roztworów (Fot M_ Gagoś)
Fot. l Namoaona w soku l kapusty bibuła filtracyjna pod wpływem kwasu (HCIIub ocet) lub zasady (KOH lub roz
puszaona w wodzie M>da oayszaona) staje się dziełem sztuki. Obrazek namalawala dr Marta Araewska-Zakład
Biof1zykiUPw Lublinie(Fot M.Gagoś)
tzw. sotly oczyszcwncj, czyli Na!IC01. rekordy jednak bije, jak to pokazujemy po
l łortcnsja, popularny kwiat w ogródkach niżej, t.wykly sok z czerwonej kapusty.
jest czerwony, gdy ro~nic na glebie zasado Z obserwowanej gamy baiW możemy
wej i niebieski na glebie kwaśnej. Wszclkjc oczekiwać, że widma absorpcji i fotolumi-
2012
- Kształcenie nauczycieli chemii
ncsccncji soku z kapusty majq skompliko barw). W druku obrazów, kolor różowy
wany charakter i znacznie sili! zmieniaj<! (mat:ema) powstaje w wyniku połączenia
wrat z pił. Tak jest rtcczywiścic -widma czerwicni i niebieskiego. czyli z calego za
absorpcji prl.cdstawionc s<! na Rys. l. kresu widmowego światła białego brakuje
w nim koloru zicloncgo1
pH Podobnic w soku z kapusty-absorbowa
r - 11703, 5 cnzye rzwakorneys r ośwzitawtólar (.p.z Hn ik=a 2'' )z p owcihdlmanai.a lś wtaiak­,
-- 62 ct lhol aznieialo śnwe.i artołoz tpwoómr azriael!olcnzyo (wpeH i f=i ol1e0t)o wpoe ,
roztwór żólty (pH = 13) pochłania światło
0.4 fioletowe. Dla p li = 6 nic jest pochlaniany
kolor niebieski i czerwony, a roztwór naj
bardziej przypomina barwę magema~.
0,0-',--.~~~~~~~-......., Czarnymi kropkami na Rys. l. zaznaczo
250300350400450500550600650700750 no punkty izosbestyczne, które świadcz:!
dlugośćfali[nm) o obecności w roztworze przynajmniej
Rys. 1. Widma absorpcji (czyli zależno~( absorbanqi dwóch form spektralnych antocyjanów (np.
od długo~d lali) w zakresie widzialnym i nadfioletu soku kationów i CZ<!'>ICC'.zck obojytnych elektrycz
z czerwonej kapusty dlawybranychwartości pH. Różne nie). Te Uwic formy, o skomplikowanych
ow 1pdrmzayn aprjmzem<ienja jdąw ós<ię:h wfo drmwaócchh cphuenmkticazcnhy, chco bśawriwandickzay, widmach absorpcji. pozostaj<J we wzajem
sptoazłoys tzamłąiecry2cohn we rzóaw pnoomwoacdąz es pdelak trróożlontyocmh eptH/U. W (i;dnmy a3 z0o0 nperzj esróuwwnao rwóawdnzoew acghęe mwi ckzicnreujn. kZum jeidanneaj pluibl
Bio(Varian)wZakładzieBiofizykiUPwtublinie tlrugiej formy. Różne stężenia dwóch ró
żnych form (barwników) daj'! obserwowane
bogactwo barw. Stąd powiedzenie: "Lak
Porównajmy widma absorpcji z obserwo mus do lamusa, kapusta za lakmusa."
wanymi barwami roztworów. Roztwór soku
z kapusty absorbuje zarówno w nadfiolecie, Pelargonie i marchewka
jak w zakresie widzialnym. Dla pil = 6 ob Za zmianę barw soku z czerwonej kapu
serwujemy ai.: tr.ey maksima: dla długości fa sty w zależności od pH środowiska odpo
li 280 nm i 320 nm (oba w nadfiolecie) oraz wiedzialne są barwniki anlocyj:.tnowc
530 nm (kolor zielony). W miarif waostu (antocyjany, Rys. 2.). Antocyjany nadaj:!
pH maksinut absorpcji w zakresie widzial zabarwicnic wielu jagodom (np. czarna ja
nym przesuwają się w kicrunku czerwieni. goda, aronia) i kwiatom (np. pelargonia,
Dla p H= 10-13 pojawia się nowe, szerokie dalia, róże, fiolki i inne). Nazwa antocyja
i silne maksimum przy 380 nm, czyli w za nów wywodzi się od greckiego slowa antltos
kresie fioletu. - barwa i kyaneos -niebieski. Antocyjany
Jak przclożyć widma absorpcji na obscr wystypuj<J w postaci glikozydów i w wodzie
wowan:J barwę roztworu'! Podobnie jak dysocjują na czyść cukrOW<) i tZ\v, aglikon,
w innych przypadkach, tworzy siif tzw. bar wlaściwą substancję barwną /waną antocy
wa dopclniaj:Jca (podobnie jak w kole janidym,. Zasadnic-.zc cztery antocyjanidyny
~ ~~~~~i~-~~~j"~i:·~::;;~ ~~~;~~ :n~~Z~.'·J~rmnnitor komputera nic oddaJą popm. .· nic ha N. w monitu-
ile TV nic ma koloru fiuletov.·cgu (h~·ć gu lam ni~ mnie. ho kolory w TV ~k!adamy z nichic~kicgo, crcN·oncgo i ~.ic­
loncgu). l'onic"a.i. w dli'leJszych cza<,ach kolory <,ą kodowane w ~posóh cyfrov-). h!~dy z jednego S)"\ICmu (np. apara
tucyfrowcgo)pr7cnosząsicnainnc
Chemia w Szkole
Kształcenie nauczycieli chemii
Oli Oli
liO Rt Nlal~: l HO R,
R, Rt = H, OH, OCHJ
Rys. 2. Kation flawuliowy macierzysta struktura antocyjanidyn, aglikonowych składników antocyJanów i 1ego równo
wagowe formy. Pokazano lokalizację podstawników spotykanych naturalnie (R, R1=" H, OH, OCHJ. Roztwór o niskim
pH przyjmuJe barwę aerwoną. W wyniku ali:alizaqi w pH 8 roztwór staje się niebieski
to: pclargonidyna. cyjanidyna, delfinidyna elektrony z podwójnych wiązań. I tak,
i apigcnidyna. Wi~ccj o an10cyjanach (i fla na przykład, absorpcja promieniowania
wonoidach) znajdzie Czytelnik w pracy 121. przez wiązanie podwójne C=C, powoduje
wzbudzenie elektronów n na orbita! amy
Chromofory wiąŻ<jcy n:· Wiązanie to jest więc miejscem,
Powstaje pytanie. dlac-zego wiele sub które pochlania (i emituje) światło, czyli
stancji, jak na prt:yldad hcnzcn, alkohol, jest chromoforem. Zwhjzki pochłaniają
wygiowodany itd .. je'>! bezbarwnych, tzn. światło dtięki obecności w ich cz:jsteczkach
nic absorbuje w zakresie widzialnym. Wyja wi<jZ<rrl chemicznych (chromoforów), takich
śnicnic podane w picJ'W<;ZCj CZ'Y~i artykułu jak:
dla kwarcu i diamentu należy teraz uwpcł· C=C, C= O. N=N, CEC, CEN.
nić. Nic wystarczy obecność odpowiednich
poziomów energetycznych. W skompliko Je~ t jcszc-.tc drugi istotny warunek: ener
wanych cząsteczkach organicznych jest tych gia światła musi zostać skutecznie poclrlo
poziomów cale mnóstwo. Niczbędne s:1 nirw. l tu problem! Światło jest fal:1 clck
jeszcze dwa warunki. Po pierwsze, nicktóre tromagnctyczn<J, czyli zmiennym polem
elektrony musz<J być gotowe do pr.wjścia elektromagnetycznym. Zmienne pole do
na wyiszy poziom. Nic mog<JIO być elektro brze jest pochłaniane przez drobiny (lub
ny twortące pojedyncze wiązania chemicz ich fragmenty) mające elektryczny moment
ne, ho zazwyczaj skmlczyloby się to dysocja dipolowy. Benzen nic ma momentu dipqlo
cją c-ląsteczki. Dobrymi kandydatami "l wego i absorbuje dopiero w nadfiolecie~. -
·' Dokładniej mOY.iąc, ulcł:noi.ć nutęlenia a!J•,orpqi od momcnru dipolo~<cgo JCSI nieco llardlicJ ~komplikowana
-i~rorny jest moment dipolov.y pncji.cia mi~dzy początk<m)'m i kolioowym sranem k"'antowym. Są to ~<iclkO<>ci trud
ne do obliczenia. jako że za~< icra,ą runkeje falo1<c "-~lludz,my~h ~tanów clcktrono~<Jch. ale w~lczcsna chemia kwan
tOIIaradzisohicztymwpcłnicnióJc
l/2012
Kształcenie nauczycieli chemii
Oli
110
Rys. 3. Struktura chemiaM zeaksantyny, karotenoidu z grupy ksantof1li. Zeaksantyna ma kolor żółty, występuje w ku·
Kurydzy,alerównieiwokuludzkimpetniącrolęfotoprotekcyjną(fotoochronną)
Emisja światła równici przypomina emi nicbieskic i c-t:e•v•onc. jak to pokazujemy na
sję fali radiO\vcj. W anienie nadawczej pły­ Fot. 4. Co więcej, dwa pasma absorpcji chlo
nie prąd, a raczej powinniśmy powiedzieć rofilu S<) wyralnic oddzielone, a kolor zielony
.,prJ.cmicszo.aj:) się elektrony", w dół i górę stanQ\vi rodzaj prLerwy ,.z..'lkazancj".
anteny. Podobnic w C'J.l)Stco.kach ~ po Na Fot. 4. pokazujemy niczwykle cieka
trJ.ebne S<) (w miarę) swobodne elektrony, we i proste doświadczenie. Chlorofil w roz
aby mogły sit; w C'J.ąstec-LCC prLcmicszczać. tworze acetonowym świeci (emituje) na
A takie, dość luino zwi:rwne (nadmiarowe) czerwono, o ile jest oświetlony łaserem fio
elektrony obecne są, np. w długich lańcu­ letowym łub czc!"Nonym. Nic emituje żad­
chach w<;glowodorowych, w których co dru nego świat la, jeżcli jc~t oświetlony, np. la
gie wi:)Zanie jeM podwójne (nazywaj<) siry serem zielonym! Na czerwono ~wiecq
alkenami o sprzt;żonych wi:tzaniach po (.,fluoryzuj:q też liście oświetlone fioleto
dwójnych). Karetonoidy, .,barwniki mar wym laserem.
chcwkowc" zawierają właśnie takie ugrupo Biologicznie. te dziwne pozornie pasma
wania wi;tzań (Rys. 3.). absorpcji S<J prt:ejawcm dopasowania ewo
Liczebność sprzężonych wi<tzml podwój lucyjnego. Swiatła zielonego w widmie sło­
nych wprowadza duże zmiany w widmie, co necznym jest tak duZo, że przy wydajności
do jego położenia w skali energii. O ile po kwamowe/' 69rk-(!) aparat fotosyntetyczny
jedyncze wiązanie C= C charakterywje siy mógłby ulec uszkodzeniu, jeśli absorbowa
pasmem absorpcji światła z maksimum ne byłoby światło zielone.
prt:y 180 nm (nadfiolet), układy wielokrot Absorpcja światła słonecznego na krań­
nych wi<)zań podwójnych sprzężonych ce cach widma widzialnego, tam gdzie
chuj<) się maksimum pochłaniania przy względne natęZcnia S<J słabsze. jest mecha
większych długościach faL nawet w grani nizmem obronnym roślin. Zresztą. zanim
cach światła widzialnego (stąd piękne kolo w atmosfert:c pojawił się tlen (właśnie
ry marchwi i pomidorów). w wyniku działalności roślin) światła nad
fioletowego w widmie na poziomic ziemi
Ewolucja 1 ddorofil, krr N było więcej.
ogniwa słonea~~e Co więcej, rccmisja światła czei"A'oncgo
Prt:csunięcia pasm absorpcji i fluorescencji w warunkach nadmiaru światła fioletowego
obserwujemy w wielu czą.steczkach organicz też jest mechanizmem adaptacji ewolucyj
nych. Chlorofil4 w liściach jc.st zielony ~ roz nej! Lecz na tym nie kończ<t się historie
prasul światło zielone, a pochlania ~wiatlo z kolorami.
' l)o,o,11 typy chlorofilu a i b nicwiele róinią ~ię strukturą ehcmiC'ln~ 1 pa~m~mi att<.orpqi cm i".) i
s las.cry ~o,o,iccącc w zakresie fiOletu, oparte na pro<.tych \lrukturach półpnco,o,odnik011~·ch. nic"'' drogie. Czctv,-onc
.•\ wicccnic" pod ""'Pl}wcm ftOictoY>ego Swiatł~ lasera w<lł1<.crv.uo,o,ać molna na łi\cia~.:h w1clu róinyeh ro\łin
~ Wydajnc&ią kwantov•ą nazp•am~ tu ~IO!>unck ht-Lhy kw~nttiw W)'Cffiituo,o,~n~·ch .,., pmce~ic fotoluminescenCJi
do!iczhykwaruówzaabsorbov.anychwproccsicab'>llfpcji.
Chemia "" Szkole
Kształcenie nauczycieli chemii
Fot4. (A) Chlorofil (ekstrakt z li~cia w 80% -wym roztworze acetonu z wodą) jest w świetle dziennym zielony. (8) Wiąz·
ka światła z fioletowego wskafnika laserowego (o długości fali 405 nm, słabo widoczna nad cylindrem miarowym jako
niebieWwa smuga w papierosowym dymie) powoduJe czerwoną (!)fluorescencJę chlorofilu. {Q Zielone świarlo wskal
nika laserowego {530 nm) nie powoduje fluorescencji . chlorofil nie absorbuje świartcl zielonego, widoczne jest tylko roz·
prar.zame światła na !.dankach cylindra mra10wego. (O) oświetlenie ekstraktu czerwonym wskażniklem laserowym (610 nm),
ayli o energii kwantów niższej niż światło zielone, ponownie powoduje fluorescenqę chlorofilu. (E) Obraz świecenia tym
samym w§b!nikiem laserowym, co na Fot. (D), lecz w roztworze acetonowo-wodnym bez chlorofilu. Widoany jest tyl
ko efekt rozpraszania świarla czerwonego, słabszy niż światła zielonego-podobnie Jak dla kolorów nieba, (aęść pierw
r.za artykułu). Ponadto bardzo dobrze widoany Jest efekt ca~owitego wewnętrznego odbicia światła we wnętrzu naczy
nia {D) oraz efekt osłabienia natężenia fluorescencJi w wyniku tzw wygaszania stężeniowego (B i D)
2,0,------------, 0,20,--------------,
~0.15
t"
l
~0,05
Rys. 4. Widma absorpcji (panel lewy) i fluorescenqi (panel prawy) ekstraktu chlorofilowego prezentowanego na Fot. 4
Kolorowymi strza~mi zaprezentowano mieJsca (długości fal) wzbudzenia ekstraktu. Wzbudzenie fioletowe (405 nm)
oraz czerwone (61 On m ) indukują zjawisko fluorescencji (Fot 48 i D), którego widmo przypada w obszarze czerwonym
przy 610 nm. Wzbudzenie światJem zielonym (Fot. 4C) nie powoduje fluorescencji
3/2012
- Kształcenie nauczycieli chemii
Schemat Jabłońskiego s,
Zauważyliśmy, że w związkach organicz
nych, takich jak chlorofil (a w szczególno
ści w ich roztworach) widmo fotolumine s,
scencji w stosunku do widma absorpcji jest
zazwyczaj przesunięte w kierunku czerwic
ni. Jaki jest mechanizm przcsunit;cla widm
w cieczach, wyjaśni! Jlrof. Aleksander Ja
błoński, założyciel Instytutu Fizyki UMK
w Toruniu. Odpowiedzialna jest za to także
obecność cząsteczek rozpuszczalnika. s,
Energia wzbudzenia elektronowego może Rys. 5. UproSlaony schemat poziomów energetyanyth
znoiast awće wCnZęIt(rś.ctinoweo cpzrązsetekcazzkain a(n npa. wnaz bwuzdbzue Jnaybcłho ńwsakineogśoc iparczhe kdwstaanwtioawjąecJy liwabzbyu sdpzionnoew estja {nsyta noy rsóinż­
dzenia wibracyjne). Wzbudzona cz:[Stcczka gletoweoznaczoReS,atrypletowen.strzałkiprosteilu­
może też, przez zderzenia, pr.tckazać część strująprocesypromieRiste,astrzałkilalisteprocesybez­
energii wzbudzenia innym cz<[Stcczkom. promieRiste. Ulerami oznaczono pos.zaegóiRe procesy
Energii prtckaz<mej s:,siadom lub przejytcj fizyczne. A absorpqa, F fluoresceRcja {lotolumiRe
epnrzeergze dtrygcaznniyam c ..a:b:,sstocrcpzckjii bHr akeumjies jwi. bilansie -snceesRkteocnjnacw jRae arostypjacó hłmniniitoaensrtako)ow, mal)b(, iR-Pahkco-yRjRfwoa sefr(osjmraei sęwcdeeznwycRsjęayt sr(tfzoeRtmaoo,luw maIS)iC
Schemat poziomów w literatur..:e świato­ .Fluoryzuje" lyżeaka do lodów zabarwioRa kumaryną,
wej nazywany jest schematem Jabłońskic­ a.fosforyzują"gwiazdkidodzie<ięcejsypiaiRi
go . Schemat Jabłońskiego (Rys. 5),
a szc-Lególnic uwzględnienie procesów bez
promienistego przekazu energii między
składnikami systemu wyjaśnia zarówno fo
toluminescencjy natychmiastowq (zwanq
też nuorescencją), jak i luminescencję
opóźnioną (zwaną fosforescencją) [4, 5j.
Fosforyzujące są, szczególnie po naświetle­
niu w nadfiolecie, na przykład oznaczenia
dróg ewakuacji z budynków, a także plasti
kowe zabawki na Haloween.
Na Rys. 6. zaprezentowano widma absorp
cji i emisji elektronowej 7-hydro~-ykumaryny,
która jest jednym ze składników olejku ete
ryc-mego rumianku JX>Spolitego. Związek ten
jest stosowany w farmacji oraz kosmetologii
(pnrepy. opcrtoadnu ukmcjbi ekliofsemroentuyk zónawl apzłr zzeacsitwossłoownaenczi­e R7n·oyh s.yw d6er. o wkWssytikadwummcaae:r )y anrboysz(opsruptScrl:CujikZ tO1uR rfeęlJuc ohwreem siacaelnknąoczhjiao pleur! eeekzt!yeIOlRotRwooywwmae­j.
nych). Jegocechąjest silna absorpcja promie Wzbudzenia próbki dokofliiRO w maksimum widma ab·
niowania UV. Zwi<tzck ten wykazuje także sorpc:ji, tj. d!a 325 nm. Ta kumaryfld absorbuje w zakre·
bardzo silną fluorcsccncję8. sieultrarioletu,aemituje~wiatłofioletowo·Riebieskie
7 Schemat Jabłoriskicgo jest rówRicż opi>any w pracy J. Ortyl nt. fluorcsc.::RcyJR)·cb <.ORd mołclułarnych ]3]
8 Uzywamy zamicRnic słów .,emisja"' i .. fluorc~cncja··. Zwyczajowo. ..f luorc!>CCocjaM JCM to nat)cbmiaStQI>.a (w cza·
sic nic dłuższym niż 10 ~s) rccmisja światła(= fotoluminescenCJa), o teJ ~mej !ub mniejszej energii co fotOR padają­
cy. FluoryZują Rp. kamizelki kicrO\Oo·ców ...F osforcse<:riCJą'" nazywamy tak~ 'kimą rccmi~ję. ale w a.a~ic dulo dlulszym,
Rawct do godzin. FosforescenCJa jest więc lilatury emisją ~wiatla o zRaczRic mniejszym natęicnm. Mechanizmem fos-
Chemta w Szkole
Kształcenie nauczycieli chemii-
__
..,
ONS~
""""'''"
- OMSO
550 600 650 700 750 800 850 900
długośćfali[nm[
fluorescencja
350 400 450 500 550 600 650 700 750 800 850 900
długośćfali[nm]
DMSO
N02 Rys. 7. lewy panel: kolory 4-dimetylamino-4'-nitrostilbenu (ONS-wuktura
chemiczna we wstawce z lewej strony) 10zpuszczonego w n-heptanie, cyklo
"" heksanie oraz dimetylosulfotlenku (DMSO) obserwowane w ~wietle bialym
"' r(8o)z.p Prorsazwoyn ypman {eAl:) wi pidrmzya o aśwbiseotrlpecnjii ui fzlua opresoce~nc jil aDseNrSa wfio tlyectohw reozgpou, s4z0c5za nlnmi
!13C,N kach. Wzbudzenia próbki dokonano w mabimum widma absorpcji (długoki
Cl H, nfaiel w~zb puodlzaartnąec, ywc1hę cz awzindamczao DnoN Sw n ipea ~ne ltua kg sóirlnnyiem p)r. zCesyuknloihęetek sjaakn wi n D-hMeSpOta n
Kumaryny to także ważne barwniki sto eleklroslatycznego z rozpuszczalnikiem. Ta
sowane w laserach z zakresu niebiesko-zie ki efekt, solwatochromowy, jest szczegól
lonego. Widma absorpcji i fluorescencji są nie duży w przypadku rozpuszczalników
jakby "bliźniczo" symetryczne. To też wyni polarnych, tzn. takich, których cząsteczki
ka z układu poziomów energetycznych. posiadają staly moment elektryczny.
,,Moment elektryczny" oznacza, że
Efekty solwatacji w cz<!Stcczkach takich środek ładunku do
Podobnic jak w rubinie. w chemii orga datniego jest prLesunięty w stosunku do ła­-
nicznej równici otoczenie chemiczne mo dunku ujemnego o pcwn:t odleglość. Czq
dyfikuje widma emisji i absorpcji izolowa ~tcczka staje się dipolem elektrycznym.
nych cząsteczek. Okazuje się. ie wzajemne Jednym z bardziej polarnych rozpuszczal
przesunięcie widm absorpcji i fotoemi~ji ników jest woda. Moment dipolowy mic
wynika nic tylko z przekazu energii we rtymy przez iloczyn wartości przesuniętych
wnątrz cząsteczki, ale też z oddziaływania ładunków i odległości, na jaką są odsuniy-
- Kształcenie nauczycieli chemii
te. Dla wody iloczyn ten wynosi D = s,
= O, 73ea0, czyli, obrazowo, średni wypad
kowy ładunek e jednego elektronu jest od
skauit onamit~outmy wooowdd ełoja radu0u) (n.a kJ0eu s= tp rtpoor,t oonmnaiu we ońa r0ou,r7nb3ki tijy ea dBtonomohsorta s,
we, dużo9. Wodajest więcdobrym rozpusz
czalnikiem wielu substancji - małe dipole "'
wody otaczają rozpuszczane substancje
(np. sól kuchenną) i "odrywają'' pojedyn
cze jony z kryształu10.
Na Rys. 7. prtcdstawiamy widma absorp
cmji cti yfllaumoriensoc-e4n"c-jni itrroozsttwilobrcónwu (cDząNstSec)z dklia 4r-odzi s,
puszczalników o różnej JX>Iamości (nicpo Rys. 8. Schemat poziomów energetyanych tego !oamego
larnc: n-heptanu i cykloheks.1 . nu oraz silnic związku w różnych rozpuszaalnikach. LPS rozpuszaalni
Wpozlarornste gmoo mDeMntSuO d, ipmoloomweengto Dro z=p uls ,z6cezaa0l) . knii eob imaełsekJi ipaolearrwnoośncyiz,w iMązPaSn-esoą zdeusżekja lpąoelanrenrogściii. Kolory
nika powoduje prlesuwanie się widm flu
orescencji w kicrunku czerwieni. Zmiana
barwy ciągle jednak nie wynika ze zmiany nc. PrLesuniycia widm absorpcji i fOlolumi
struktury chemicznej substancji rozpusz nescencji S<J wi<;c różne, trudne do pr.Lewi
czonej, ale z oddzialywml natury fizycznej. dzenia.
W przypadku lakmusu i innych wskaźni­
ków pi-ł, obecność rozpuszczalnika (jonów Fotosynteza, ogniwa słoneczne
H+) zmienia strukturę chemiczną zwi<Jzku hemoglobinc
- zmiana ta wynika z przyi<Jczenia (lub Skoro opowiedzieliśmy jui tak wiele, wy
odł:jczcnia) protonu. Efekt solwatochro jaśnimy też, jak działa chlorofil. Na Rys. 9
mowy, jak dla DNS, wynika z oddziaływa­ przedstawiamy wzór chlorofilu (jednej
nia elektrycznego - obecność dipoli elek z dwóch jego odmian). Jego częścią central
trycznych wody przesuwa poszczególne "'! S<! cztery picnicienic pirolowc (i pi<jty
poziomy energetyczne. składający się tylko z atomów węgla). Struk
Tak jak było to w przypadku rubinu, tura chlorofilu jest jak najbardziej zgodna
obecność pola elektrycznego wplywa z naszymi przewidywaniami dla cząsteczki
na poziomy energetyczne cząsteczek sub efektywnie pochlaniającego światło barwni
stancji rozpuszczonej. Przesuwają się za ka: nie do końca symetryczna budowa, wi:)
równo poziom podstawowy, jak i poziomy zania podwójne, ale w otoczeniu wiązań po
wzbudzone. Jak? Zależy to od substancji jedynczych. Chlorofil spełnia jeszcze inm1
(i od rozpuszczalnika). Schematycznie, funkcję: dostarcza elektronów do dalszych
przedstawiamy to na wykresie na Rys. 8. reakcji chemicznych fotosyntezy, prowadz:j
Co więcej, inaczej przesuwa się poziom cych do produkcji m.in. tlenu poprzez, bar
podstawowy. inaczej - poziomy wzbudzo- dzo upraszczaj<JC, utlenianie wody.
forescencji jest transfer energii zaabsorbowanej. z udzia!cm ~derzeń, do stanów optyc1.nie WJ.bronionych, w któr)·Ch
czas życia wzbudwnego elektronujest bardzo długi (wiąie ~ię to z odwróceniem ~pinu elektronu). Zob. ~ct:cgótową
dyskusjęwartykulel51.
9 Używamy tu dla momentu dipokn>;cgo jednostek ea1~ aby dać Czytelnikowi punkt odniesienia do struktUI)' alOmo
w1~e j cWziąąsztaecnzikei ww okdryy.s zCtzaęlMe: jiecsjt cuoż ypwraan\ą\d jae jdonnoos~>t<kcą. maleo mgęesnttou\ cdii płoalud.u..n.·kegóow jwe~ c t iel lDe csbtyaeł. yml Dni g=d y0 .n3i9c .k"a' 11+ = 1 ,30. 3i 4"·11,00- :0:1 c-m
Chemta w Szkole