Hóa học của màu sắc

Chúng ta thường hay ví von rằng “cuộc sống muôn màu” để cho thấy góc nhìn đa chiều của cuôc sống. Và cuộc sống sẽ đơn điệu hơn khi không có những màu sắc. Màu sắc cung cấp một sự tăng cường quan trọng cho thế giới mà chúng ta sống. vật liệu hàng ngày chúng ta sử dụng như dệt may, sơn, nhựa, giấy và thực phẩm, sẽ đặc biệt hấp dẫn nếu chúng đầy màu sắc. tự nhiên cũng thể hiện một kính vạn hoa của màu sắc xung quanh cuộc sống của chúng ta.

Ở nước ta khi mùa hè đến gần, có một sự bùng nổ dữ dội hoa đầy màu sắc và lá mới của các sắc thái khác nhau của màu xanh lá cây trên cây. Đặc biệt là những cánh phượng hồng biểu trưng cho tuổi học sinh đầy mộng mơ. Còn ở những nơi khác trên thế giới vào mùa thu, những chiếc lá rụng được đứng trước bởi một chương trình màu sắc ngoạn mục – lá xanh chuyển sang sắc thái trẻ ranh của màu vàng, cam và đỏ. Trong bài viết này, chúng ta sẽ hội tụ vào lý do vì sao mọi thứ có màu sắc và những gì làm thay đổi màu sắc của chúng. Bạn đã sẵn sàng cho cuộc hành trình đầy sắc màu chưa?

Tổng quan

Ánh sáng là một dạng bức xạ điện từ và cung cấp năng lượng trong các gói nhỏ gọi là photon. Màu sắc khác nhau của gói ánh sáng phát xuất từ lượng năng lượng khác nhau trong photon của chúng. ví dụ như photon của ánh sáng tím có năng lượng gần gấp đôi của ánh sáng đỏ. ắt các nguyên liệu tiếp nhận photon của một số năng lượng. Nhưng chỉ những chất thu nạp photon của ánh sáng khả kiến sẽ có màu.

Màu sắc của một vật thể trong suốt là do màu sắc của ánh sáng có thể đi qua nguyên liệu. Màu của bất kỳ màu vật thể nào đến từ ánh sáng chúng không thu nhận. Thí dụ, ánh sáng trắng xuyên qua một ly rượu chát đỏ trông đỏ vì rượu đã tiếp thu các màu khác và chỉ cho phép màu đỏ ánh sáng xuyên qua. Để thấy điều này, hãy thử nhìn qua một phần của giấy bóng kính màu đỏ tại các đối tượng có màu sắc khác nhau. tất thảy các màu khác màu đỏ đều tan biến. Điều này là do giấy bóng kính tiếp thụ ánh sáng với cả thảy các màu khác trừ màu đỏ. Màu hấp thụ mạnh nhất là sự bổ sung của màu sắc đi qua vật liệu.

Những phân tử đổi thay màu sắc

Các phân tử rất lựa chọn về những gì photon năng lượng chúng sẽ và không sẽ hấp thụ. Trong thực tại, năng lượng photon mà một phân tử sẽ thu nhận là đặc trưng đến mức chúng có thể được dùng như một “ dấu vân tay ” để xác định phân tử đó trong hổ lốn.

Sự hấp thụ ưu đãi này có thể được giảng giải bằng cách giả thử rằng các phân tử có năng lượng lượng tử hóa; nghĩa là, chúng chỉ tồn tại trong một số thể năng lượng cho phép. Thuyết lượng tử cho thấy làm thế nào năng lượng lượng tử phát sinh thiên nhiên từ hành vi bước sóng của các electron bị giam. Các photon sẽ chỉ được tiếp nhận nếu năng lượng của nó là chuẩn xác những gì cần thiết để lấy phân tử từ trạng thái được phép này sang thể khác.

Vì các phân tử khác nhau có màu sắc khác nhau, theo cấu trúc phân tử có liên can đến kích thước của sự chuyển đổi năng lượng hệ trọng đến sự kết nạp ánh sáng khả kiến. Mối quan hệ này là phức tạp, nhưng một mô hình đơn giản có thể được sử dụng để hiển thị nhiều tính năng cấp thiết. Một electron liên kết trong một phân tử (hoặc một phần của phân tử) được xử lý như thể nó bị mắc kẹt trong một hộp đồng nhất với bức tường nó chẳng thể xuyên qua.

Mô hình “ hạt trong hộp ” này cho thấy việc giam cấm các electron trong một không gian nhỏ hơn có thiên hướng tạo ra năng lượng khoảng cách lớn hơn. Mô hình cho thấy các điện tử bị hạn chế vào một hộp có kích thước của một kết liên cộng hóa trị tiếp nhận trong vùng tử ngoại. Do đó chúng xuất hiện không màu. Electron có thể lan rộng trên nhiều nguyên tử trong một phân tử kết nạp các photon năng lượng thấp hơn, và nếu chiều dài hộp chỉ hơn 0,6nm một tẹo và ít hơn 0,8nm, theo mô hình, chúng sẽ tiếp nhận ánh sáng nhìn thấy được.

Điều này giảng giải vì sao nhiều nguyên liệu hữu cơ có màu sắc có cấu trúc với các electron không được “ghim” xuống trong liên kết cộng hóa trị độc nhất vô nhị. Hiểu một cách đơn giản thì những đổi thay màu sắc có thể được gây ra bởi những đổi thay trong giam giữ điện tử. Nhốt các electron vào một không gian nhỏ hơn làm cho ánh sáng bị tiếp thụ xanh hơn và nếu chúng di chuyển xung quanh trong không gian lớn hơn thì ánh sáng bị thu nạp đỏ hơn.

Sau đây, chúng ta hãy xem cội nguồn của màu sắc trong lá và hoa của cây cối, và làm thế nào Thiên nhiên có thể tạo ra một màn trình diễn màu sắc ngoạn mục trong mùa thu đến như vậy.

Điều gì làm cho một chiếc lá xanh và những gì xảy ra khi nó héo?

Các sắc tố màu xanh lá cây trong lá là diệp lục. Chất diệp lục kết nạp ánh sáng đỏ và xanh từ ánh sáng thái dương tiếp xúc trên lá. Do đó, ánh sáng đề đạt bởi những chiếc lá bị giảm đi màu đỏ và màu xanh, do vậy xuất hiện màu xanh lá cây. Các phân tử của diệp lục là lớn (Công thức phân tử: C55H70(MgN406).

Chúng không hòa tan trong dung dịch nước làm đầy tế bào thực vật. Thay vào đó, chúng gắn vào màng của các cấu trúc giống như đĩa, được gọi là lục lạp, bên trong các tế bào. Lục lạp là nơi quang hợp, quá trình năng lượng ánh sáng được chuyển đổi thành năng lượng hóa học. Trong lục lạp, ánh sáng được tiếp thụ bởi diệp lục cung cấp năng lượng cho thực vật sử dụng để biến đổi carbon dioxide với nước thành oxy và carbohydrate, có công thức chung là Cx(H20)y.

Đây là phản ứng thu nhiệt, bởi vậy năng lượng của ánh sáng được kết nạp bởi diệp lục được chuyển thành năng lượng hóa học được lưu trữ trong carbohydrate (đường và tinh bột). Năng lượng hóa học này thúc đẩy các phản ứng sinh hóa làm cho thực vật trồng, ra hoa và sinh sản hạt giống.

Chất diệp lục không phải là một hợp chất rất ổn định; ánh kim ô sáng chói làm cho nó bị phân hủy. Để duy trì lượng diệp lục trong lá của chúng, cây liên tục tổng hợp nó. Tổng hợp diệp lục trong thực vật đòi hỏi ánh sáng màng tang và nhiệt độ ấm áp. Do đó, trong suốt mùa hè, diệp lục liên tục phá vỡ và tái sinh trong lá của cây.

Một sắc tố khác được tìm thấy trong lá của nhiều loại cây là carotene. Carotene tiếp thụ ánh sáng xanh lam và xanh dương. Ánh sáng phản chiếu từ carotene xuất hiện màu vàng. Carotene cũng là một phân tử lớn (C40H36) có trong lục lạp của nhiều loại thực vật. Khi nào carotene và diệp lục xảy ra trong cùng một lá, chúng cùng nhau loại bỏ ánh sáng đỏ, xanh lam và xanh dương khỏi ánh sáng thái dương trên lá. Ánh sáng phản ánh bởi chiếc lá xuất hiện màu xanh lá cây.

Carotene có chức năng như một chất tiếp nhận “trung gian”. Năng lượng của ánh sáng được tiếp thu bởi carotene được chuyển sang chất diệp lục dùng năng lượng trong quang hợp. Carotene là hợp chất ổn định hơn diệp lục. Carotene tồn tại trong lá ngay cả khi diệp lục đã biến mất. Khi diệp lục biến mất khỏi một chiếc lá, carotene còn lại làm cho chiếc lá xuất hiện màu vàng.

Điều gì làm cho những bông hoa đầy màu sắc?

Các sắc tố màu xanh và đỏ của hoa được phân lập và nghiên cứu rộng rãi bởi R M Willstatter, vào đầu thế kỷ XX. Willstatter sau đó đã nhận được giải thưởng Nobel về hóa học năm 1915 cho công việc của ông trên các sắc tố thực vật. Ông thấy rằng gần như bất kỳ trái cây hoặc hoa có màu đỏ tươi, xanh hoặc tím đều chứa các phân tử sắc tố dựa trên cyanidin.

Các hợp chất Cyanidinbase tạo ra màu đỏ của táo, lá mùa thu, hoả hồng, dâu tây và nước ép nam việt quất. Chúng làm quả việt quất, hoa ngô và hoa violet, màu xanh. ngoại giả, chúng cũng làm một số nho, mâm xôi và bắp cải tím có màu đỏ. Nói cách khác, sự khác biệt trong màu hoa không một mực là do sự khác biệt trong các phân tử sắc tố. ví dụ như hoả hồng đỏ và anh túc xanh cả hai đều chứa cùng một sắc tố (tức thị cyanidin) nhưng có hoa màu khác nhau.

Vậy làm sao cấu trúc phân tử có thể chịu bổn phận cho hết thảy những màu sắc? Người ta đã chỉ ra rằng màu sắc của một dung dịch sắc tố hoa trong ống thử phụ thuộc theo độ pH của dung dịch. Khi độ pH được thực hiện axit hơn, màu trở thành đỏ hơn. Như vậy cấu trúc của cyanidin đổi thay theo pH như hình bên dưới.

Dạng cấu trúc trong hình trên bên trái được tìm thấy trong dung dịch axit và là một màu đỏ sáng. Lưu ý điện tích chính thức cao trên oxy trong cấu trúc. Nhìn ban sơ có vẻ như một phân tử có điện tích dương trên oxy sẽ không ổn định, nhưng nếu các electron được đẩy xung quanh trong một thời gian, người ta thấy rằng nhiều cấu trúc cộng hưởng có thể được rút ra. Các điện tử pi được ổn định trong cấu trúc.

Trong dung dịch bazơ, việc loại bỏ hydro khỏi nhóm OH vòng ngoài cùng dẫn đến cấu trúc như bên phải. Dạng cyanidin này có màu xanh hoặc tím. nên, bổ sung màu (đỏ) đang được tiếp nhận. Ánh sáng đỏ mang ít năng lượng hơn màu xanh lam, Vì vậy các electron ít bị giới hạn trong môi trường bazơ hơn trong dạng axit. Trong các dung dịch bazơ mạnh, các hydrogen trên các nhóm -OH còn lại cũng được trừu tượng hóa và là các electron thậm chí trở thành ít hạn chế hơn, màu xanh lam trở nên xanh hơn vì ánh sáng bị thu nhận trở thành đỏ hơn.

Một số hoa và quả có cyanidin với số lượng khác nhau của các nhóm -OH trên vòng ngoài cùng, nhưng dấu vân tay phân tử là như nhau. Ở dạng thiên nhiên của phân tử, các hydrogen trên chí ít một trong các nhóm -OH được thay thế bằng phân tử đường. Một cyanidin có đường kèm theo được gọi là anthocyan hoặc anthocyanin. Ví dụ, anthocyan tạo ra hoa hồng đỏ và hoa ngô xanh.

Anthocyanin không được gắn vào màng tế bào, nhưng được hòa tan trong nhựa tế bào. Màu được tạo ra bởi các sắc tố này là nhạy cảm với độ pH của nhựa tế bào. Nếu nhựa cây có tính axit khá cao, các sắc tố tạo ra màu đỏ tươi; nếu nhựa cây ít axit, màu sắc của nó là nhiều màu tím hơn. Các sắc tố anthocyanin chịu bổn phận cho vỏ đỏ của táo chín và màu tím của nho chín. Chất anthocyan được hình thành do phản ứng giữa đường và một số protein một mực trong tế bào nhựa cây. Phản ứng này không xảy ra cho đến khi nồng độ đường trong nhựa cây khá cao. Phản ứng cũng đòi hỏi ánh sáng. Đây là lý do vì sao táo thường xuất hiện màu đỏ ở một bên và màu xanh lá cây ở bên khác; phía đỏ là trong ánh mặt trời và phía màu xanh lá cây là trong bóng râm.

Máu sắc của những chiếc lá mùa thu

Vào mùa hè, lá của cây là nhà máy sinh sản đường từ carbon dioxide và nước do tác động của ánh sáng lên chất diệp lục. Chất diệp lục làm cho lá xuất hiện màu xanh lá cây. (Các lá của một số cây, như bạch dương và cây bông, cũng chứa carotene; những chiếc lá này xuất hiện màu xanh lá cây tươi sáng hơn, bởi vì carotene hấp thụ ánh sáng xanh lục.) Nước và chất dinh dưỡng chảy từ rễ, qua cành và vào lá. Các đường được tạo ra bởi dòng chảy quang hợp từ lá này sang lá khác của các bộ phận của cây, nơi một số năng lượng hóa học được dùng cho tăng trưởng và phần còn lại được lưu trữ.

Những ngày ngắn ngủi và đêm mát mẻ của đổi thay kích hoạt mùa thu trong cây. Một trong những thay đổi này là sự phát triển của màng tế bào giữa cành và lá thân cây. Màng này cản ngăn dòng chảy của chất dinh dưỡng vào chiếc lá. vày dòng chảy dinh dưỡng bị gián đoạn, việc sinh sản chất diệp lục trong lá giảm và màu xanh của lá tàn dần. Nếu lá chứa carotene, cũng như lá của bạch dương, nó sẽ đổi thay từ màu xanh lá cây sang màu vàng sáng khi chất diệp lục biến mất. Màng giữa nhánh và thân lá cũng ức chế dòng chảy từ lá.

Trong một số cây, khi nồng độ đường trong lá tăng, đường phản ứng tạo thành anthocyanin. Những sắc tố này gây ra lá vàng chuyển sang màu đỏ. Cây phong đỏ, cây sồi đỏ sản xuất anthocyanin dồi dào và hiển thị sáng nhất màu đỏ và màu tím trong cảnh quan mùa thu. khuôn khổ và cường độ của màu sắc mùa thu chịu ảnh hưởng rất lớn của thời tiết. Nhiệt độ thấp phá hủy chất diệp lục, và nếu chúng ở trên đóng băng, thúc đẩy sự hình thành của.anthocyanin. Ánh nắng kim ô tinh ma cũng phá hủy chất diệp lục và tăng cường sản xuất anthocyanin. Thời tiết khô, bằng cách tăng nồng độ đường trong nhựa cây, cũng làm tăng lượng anthocyanin. Nên màu sắc mùa thu sáng nhất được sinh sản khi khô, những ngày nắng được theo sau bởi những đêm khô ráo, mát mẻ.

Đế hiểu rõ hơn về hóa học đằng sau, bạn có thể tham khao thêm bài viết hóa học về màu của những chiếc lá mùa thu tại đây nhé!

Sự thay đổi màu của chỉ thị acid-bazơ từ thiên nhiên

Các chỉ số là axit yếu hoặc bazơ biểu hiện màu sắc khác nhau trong axit và bazơ. Do đó, như chúng ta đã thấy trong trường hợp anthocyanin , phản ứng chỉ thị cũng phụ thuộc pH vì nó hệ trọng đến việc giải phóng hoặc bắt giữ các ion hydro:

Trong đó, ‘HIn’ và ‘In-‘ là viết tắt của phân tử chỉ thị có và không có ion hydro kèm theo. Hai hình thức các phân tử chỉ thị có màu sắc khác nhau đáng để ý. ví dụ như màu xanh lá cây bromocresol có dạng HIn màu vàng và In- màu xanh lam. Khi có lượng HIn và In- bằng nhau, dung dịch có màu xanh tươi. Thêm một giọt axit tức thị thêm các ion H +, phản ứng với các ion tạo thành HIn và dung dịch trở thành vàng hơn. Thêm một giọt bazơ thì chuyển đổi HIn thành In-, và dung dịch trở thành màu xanh hơn.

Khi một ion hydro kết hợp với dạng bazơ của một phân tử chỉ thị, nó sẽ giam hai electron di động trước đây thành một liên kết cộng hóa trị độc nhất vô nhị với hydro, làm dịch chuyển ánh sáng tiếp thụ về phía cuối màu xanh của quang phổ. Các cấu trúc chỉ thị thường sang trọng các thay đổi bổ sung khuếch đại sự đổi thay trong sự nhốt điện tử. Chúng ta hãy dùng phenolphthalein như một ví dụ để hiểu những thay đổi. Phenolphtalein không màu trong môi trường axit và hồng / đỏ trong môi trường bazơ.

Nhiều chỉ thị khác hoạt động về cơ bản theo cùng một cách. ví dụ như các chỉ thị azo (như methyl cam) có cấu trúc hoàn toàn khác với phthalein, nhưng một lần nữa, sự đổi thay trong cấu trúc điện tử xung quanh một nguyên tử quan yếu dẫn đến sự thay đổi điện tử giam giữ.

Trong thiên nhiên, nhiều sắc tố thực vật đóng vai trò là chỉ số axit-bazơ. Hai loài khác nhau với hoa khác nhau. màu sắc có xác thực các phân tử giống nhau cho sắc tố. Các sự dị biệt giữa các bông hoa là độ pH của chất lỏng trong các mô sắc tố; kiềm cho hoa ngô, và axit cho hoả hồng. Các nghiên cứu đã tiết lộ rằng việc can thiệp vào các gen quy định độ pH trong hoa đã chuyển màu cây dã yên thảo từ đỏ sang xanh. vì thế, không phải lúc nào huê hồng cũng có màu đỏ và hoa violet có màu xanh. thực tại thì bây chừ người ta đã sinh sản thành công huê hồng rainbow là một ví dụ điển hình cho sự đổi thay màu sắc này.

Wow, bài viết khá dài nhưng phần nào cũng đề cập khá cơ bản về hóa học của màu sắc. coi sẽ giúp ích cho các bạn phần nào trong ngày mai. Lần sau nếu có ai hỏi về chúng thì hãy nhớ về hóa học đằng sau nhé!

Tham khảo Jayanthi Chandrasekaran , Wikibooks và tổng hợp.