Книга: Удивительный мир органической химии

12.2. Почему помидор красный, а платье белое?

<<< Назад 12.1. Из истории красителей

Вперед >>> 12.3. Богаче радуги

12.2. Почему помидор красный, а платье белое?

Чтобы ответить на этот вопрос, необходимо познакомиться с такими понятиями, как «свет» и «цвет», а также с тем, как эти понятия связаны между собой.

Обычный солнечный свет — это поток электромагнитных волн. Как и любая волна (например, волны на воде, возникшие на гладкой и спокойной поверхности озера от брошенного камня), электромагнитная волна также характеризуется длиной. Длина волны — это расстояние между соседними «гребнями» (максимумами) или «впадинами» (минимумами). Длину волны света измеряют в нанометрах (нм). 1 нм = 10^-9 м.

Солнечный свет, который мы воспринимаем как бесцветный, является смесью потоков различных длин волн. В этом можно убедиться, если пропустить свет через призму. Тогда мы увидим картину разделения света на отдельные потоки, которые на экране будут окрашены в различные цвета (красный, оранжевый, желтый, зеленый, голубой, синий и фиолетовый). Это напоминает нам радугу. Конечно, между основными цветами существует много переходных тонов. Но эти семь цветов — главные. Таким образом, волны разной длины воспринимаются глазом как свет разных цветов. Если эти цвета сложить вместе (наложить один на другой), то снова получится белый цвет. Теперь проделаем такой опыт: из белого цвета вычтем, например, красные лучи. В результате такого вычитания оставшиеся лучи света будут восприниматься нами как голубовато-зеленый цвет. Можно поступить и наоборот: если из белого цвета вычесть голубовато-зеленый цвет, то мы увидим красный. Между поглощением света и видимой окраской (цветом) существует такая зависимость:

Из этой таблицы видно, что, например, оранжевый и синий цвета при сложении дают белый цвет. То же самое происходит при сложении пурпурного и зеленого цветов. Таким образом, цвета, образующие такие пары, называют дополнительными цветами. В таблице представлено десять таких пар.

Вот теперь, пожалуй, можно ответить на вопрос, помещенный в заголовке. Дело в том, что различные тела могут поглощать из падающего белого (солнечного) света только некоторые лучи, а остальные отражают или полностью поглощают. Так, платье кажется белым потому, что оно отражает все падающие на него лучи. Помидор же красный по другой причине: он поглощает только голубовато-зеленые лучи, а все остальные отражает. А вот черный мрамор поглощает весь падающий на него солнечный свет. Иногда же предметы могут казаться серыми. Происходит это потому, что они хотя и поглощают все лучи света, но не полностью.

Итак, все сводится к вычитанию лучей света. Такое «вычитание» может проделать любое химическое вещество или его раствор. Так, раствор перманганата калия (марганцовка) окрашен в фиолетовый цвет. Почему? Очень просто: раствор этого вещества поглощает желтые и зеленые лучи, а фиолетовые отражает.

Но почему вещество или его раствор поглощает или отражает определенные лучи света?

Опять обратимся к природе солнечного света. Мы уже знаем, что он состоит из смеси потоков самых разных длин волн. Но главное в том, что с длиной волны связана ее энергия. Чем длиннее волна, тем меньше ее энергия и наоборот. Так, фиолетовый свет (коротковолновый) богаче энергией, чем красный свет (длинноволновый). Если на органическое вещество (назовем его красителем) падает какой-то поток света с определенной длиной волны (а значит, энергией!), то возможно взаимодействие световых волн с молекулами этого вещества (красителя). При этом поток света придает электронам молекулы дополнительную энергию. Это приводит к тому, что электроны «возбуждаются» и занимают более высокие энергетические уровни. В результате такой передачи энергии происходит поглощение света. Другими словами, передав свою энергию электронам, поток света (с конкретной энергией) перестал существовать! Но такое поглощение наблюдается не всегда. Чтобы это произошло, необходимо обязательное условие: энергия падающего света должна точно соответствовать разности энергий электрона на нижнем и на верхнем энергетических уровнях. Если такого соответствия нет, то свет молекулой не поглощается. Например, если в молекуле вещества содержатся только ?-электроны (например, в предельных углеводородах), то для их возбуждения и перехода на более высокий энергетический уровень требуется большая энергия, чем та, которой обладает видимый глазом луч. Вот почему соединения, содержащие только ?-электроны (метан, этиловый спирт и др.), всегда бесцветны для человеческого глаза. В то же время ?-электроны легче «раскачать», они легко «возбуждаются». Поэтому молекулы с такими электронами могут легко поглощать энергию видимого света (длины волн от 400 до 760 нм). Но это вовсе не означает, что все вещества, содержащие в своих молекулах ?-электроны, обязательно окрашены. Для этого нужны определенные условия. Какие же?

Поглощение света молекулой связано с числом ее подвижных (т. е. легко «возбуждаемых»!) ?-электронов. Такие электроны содержатся в молекулах, имеющих систему сопряженных связей.

Чем длиннее цепь сопряжения, тем больше ?-электронов и тем легче они «возбуждаются». Следовательно, молекула с таким строением способна поглощать лучи света, видимого нашим глазом. Вот так и появляется окраска. Посмотрите, какое строение имеет молекула ликопина — соединения, которое придает помидору красную окраску.

Как видно из формулы молекулы ликопина, в ней содержится одиннадцать сопряженных двойных связей!

Однако вызывать появление окраски могут не только сопряженные двойные связи. Причиной окраски могут быть азогруппа —N=N—, карбонильная группа

, хиноидная группировка 
 и др. Такие группы атомов называются хромофорами (от греч. chroma — цвет и phoros — несущий). Но вещества, содержащие в молекулах хромофорные группы, хотя и окрашены, но все же не являются красителями, т. е. они не могут окрашивать предметы. Чтобы вещество стало красителем, в его молекулу необходимо ввести другие группы атомов: —ОН, — NH₂, —N(CH₃₎₂, —SO₃H. Их называют ауксохромами (от греч. аихапо — увеличиваю). Роль ауксохромов — увеличить подвижность я-электронов (при поглощении молекулой энергии света) по цепи сопряженных связей. Если все эти группы (хромофоры и ауксохромы) присутствуют в молекуле, то вещество становится красителем.

<<< Назад 12.1. Из истории красителей

Вперед >>> 12.3. Богаче радуги