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Farben und Farbstoffe

Farben finden wir überall in unserer Umwelt. Das grüne Gras, der blaue Himmel und das rote Blut sind nur einige Beispiele. Farben nehmen wir mit unseren Augen wahr. Dafür wird Licht benötigt. Bei sehr schwachem Licht erscheinen alle Dinge grau und unschärfer als bei hellem Licht. Daher kommt auch der Spruch Nachts sind alle Katzen grau.

Farben

Auch das Bewegungssehen ist dann eingeschränkt. Aus diesem Grund sind Turnhallen meist sehr gut ausgeleuchtet. Wie erhält ein Gegenstand nun seine Farbe? Licht trifft auf diesen Gegenstand. Dabei wird ein Teil des Lichts absorbiert. Welcher Teil absorbiert wird, hängt von der Struktur des Stoffes ab. Das restliche Licht wird reflektiert. Die Farbe des reflektierten Lichts entspricht der Komplementärfarbe des absorbierten Lichts. Komplementärfarben liegen sich im Farbkreis genau gegenüber.

farbkreis.jpg

Absorbiert ein Stoff also gelbes Licht so erscheint er uns in blauer Farbe. Farbstoffe sind chemische Verbindungen, die in der Lage sind Materialien zu färben. Dabei werden sie in natürliche und synthetische Farbstoffe unterschieden. Zu den natürlichen Farbstoffen gehört das Purpur der Pupurschnecke, Indigo und Chlorophyll, der grüne Pflanzenfarbstoff. Synthetische Farbstoffe werden künstlich erzeugt. Es gibt verschiedenen Arten, die sich strukturell unterscheiden. Einige Arten synthetischer Farbstoffe sind Azofarbstoffe, Triphenylmethanfarbstoffe, Indigofarbstoffe und Anthrachinonfarbstoffe.

Aufbau und Wirkungsweise von Farbstoffen

Ausschlaggebend für die Farbwirkung eines Stoffes ist ein System aus konjugierten Doppelbindungen. Konjugiert bedeutet, dass sich Doppel- und Einfachbindung abwechseln. Bei diesem Polyen sind die konjugierten Doppelbindungen gut zu erkennen.

polyen.jpg

In den Doppelbindungen gibt es eine Bindung, die auf der Verbindungslinie zwischen den Kernen der Bindungspartner verläuft (Sigma-Bindung), und eine Bindung, die nicht auf dieser Verbindungslinie verläuft. Diese zweite Art der Bindung wird $\Pi$-Bindung genannt. Sind die Doppelbindungen konjugiert, können sie hin und her klappen. Daher spricht man von einem delokalisierten $\Pi$-Elektronensystem. Diese Elektronen können nun durch Energie, z.B. in Form von Licht, angeregt werden. Dadurch gelangen sie auf ein höheres Energieniveau. Dieser Energiesprung ist vom Wert aber genau festgelegt. Es kann also nur exakt diese Menge Energie aufgenommen werden. Diese Energie entspricht genau einer Wellenlänge. Wenn die aufgenommene Wellenlänge im sichtbaren Spektrum von 400 - 700 nm (Nanometer) liegt, erscheint uns der Körper in der Komplementärfarbe.

spektrum_(1).jpg

Je größer nun ein konjugiertes $\Pi$-Elektronensystem ist, desto kleiner wird der Energiesprung der Elektronen. Die Elektronen können also mit weniger Energie angeregt werden. Da die Energie mit steigender Wellenlänge abnimmt, wird also die Wellenlänge der absorbierten Strahlung größer, je größer das konjugierte System ist. In der Farbstoffchemie unterscheidet man in chromofore, auxochrome und antiauxochrome Gruppen. Chromofore Gruppen sind farbgebende Gruppen. Nach ihnen werden die Farbstoffe größtenteils eingeteilt. Wichtige chromophore Gruppen sind die Azogruppe (Azofarbstoffe), die Nitrogruppe und die Triphenylmethangruppe. Auxochrome Gruppen sind farbverstärkend Substituenten an Farbstoffmolekülen. Sie verschieben das Absorptionsmaximum hin zu größeren Wellenlängen. Antiauxochrome Gruppen besitzen einen elektronenziehenden Effekt (Minus-I-Effekt). Dadurch unterstützen sie meist den Effekt der auxochromen Gruppen durch eine weitere Delokalisation der $\Pi$-Elektronen.

Verwendung

Besonders wichtig in der Farbstoffchemie sind die Azofarbstoffe. Sie tragen die chromophore Gruppe $-N=N-$, die Azogruppe. Sie sind sehr variabel und treten in vielen verschiedenen Farben auf. Wichtige Vertreter dieser Farbstoffart sind Kongorot (siehe Bild) und Alizaringelb. Azofarbstoffe dienen der Färbung von Textilien, Fetten, Holz und Papier. Einige dieser Farbstoffe sind sogar als Lebensmittelfarbe zugelassen.

kongorot.jpg

Antrachinonfarbstoffe besitzen ein Antrachinongerüst (siehe Bild) als gemeinsames Merkmal. Sie werden vorwiegend zur Färbung von Wolle eingesetzt. Sie gehören zu den Beizenfarbstoffen. Das bedeutet, damit sie an Fasern haften, müssen diese zuvor mit Aluminium- oder Chrombeizen behandelt werden.

anthrachinon.jpg

Eine weitere Anwendung von Farbstoffen ist die Verwendung als Indikatoren. Diese werden z.B. bei Titrationen und pH-Wert-Bestimmungen eingesetzt. Wichtige Indikatoren sind Phenolphtalien, Methylrot und Lackmus.

phenolphthalein.jpg

Videos und Übungen in Farbstoffe

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Arbeitsblätter zum Ausdrucken zum Thema Farbstoffe

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