Sharing Chemistry with the Community

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. Thiên 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 tượng trưng cho tuổi học trò đầy mơ mộng. 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 rực rỡ của màu vàng, cam và đỏ. Trong bài viết này, chúng ta sẽ tập trung vào lý do tại 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 xuất phát từ lượng năng lượng khác nhau trong photon của chúng. Thí dụ như photon của ánh sáng tím có năng lượng gần gấp đôi của ánh sáng đỏ. Tất cả các vật liệu hấp thụ photon của một số năng lượng. Nhưng chỉ những chất hấp thụ 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 vật liệu. Màu của bất kỳ màu vật thể nào đến từ ánh sáng chúng không hấp thụ. Thí dụ, ánh sáng trắng xuyên qua một ly rượu vang đỏ trông đỏ vì rượu đã hấp thụ 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 cả các màu khác màu đỏ đều tan biến. Điều này là do giấy bóng kính hấp thụ ánh sáng với tất cả 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 thay đổi màu sắc

Các phân tử rất chọn lọc về những gì photon năng lượng chúng sẽ và không sẽ hấp thụ. Trong thực tế, năng lượng photon mà một phân tử sẽ hấp thụ là đặc trưng đến mức chúng có thể được sử dụng như một “dấu vân tay” để xác định phân tử đó trong hỗn hợp.

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

Vì các phân tử khác nhau có màu sắc khác nhau, theo cấu trúc phân tử có liên quan đến kích thước của sự chuyển đổi năng lượng liên quan đến sự hấp thụ 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 cần 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 không thể xuyên qua.

Mô hình “hạt trong hộp” này cho thấy việc giam cầm các electron trong một không gian nhỏ hơn có xu 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 liên kết cộng hóa trị hấp thụ trong vùng tử ngoại. Do đó chúng xuất hiện không màu. Electron có thể lan rộng trên nhiều nguyên tử trong một phân tử hấp thụ các photon năng lượng thấp hơn, và nếu chiều dài hộp chỉ hơn 0,6nm một chút và ít hơn 0,8nm, theo mô hình, chúng sẽ hấp thụ ánh sáng nhìn thấy được.

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

Sau đây, chúng ta hãy xem nguồn gốc 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 hấp thụ ánh sáng đỏ và xanh từ ánh sáng mặt trời tiếp xúc trên lá. Do đó, ánh sáng phản chiếu bởi những chiếc lá bị giảm đi màu đỏ và màu xanh, vì thế 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 hấp 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, vì thế năng lượng của ánh sáng được hấp thụ 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 sản xuất hạt giống.

Chất diệp lục không phải là một hợp chất rất ổn định; ánh mặt trời 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 mặt trời 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 hấp 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 mặt trời trên lá. Ánh sáng phản chiếu bởi chiếc lá xuất hiện màu xanh lá cây.

Carotene có chức năng như một chất hấp thụ “trung gian”. Năng lượng của ánh sáng được hấp thụ bởi carotene được chuyển sang chất diệp lục sử dụng 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, hoa hồng, dâu tây và nước ép nam việt quất. Chúng làm quả việt quất, hoa ngô và hoa violet, màu xanh. Ngoài ra, 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 nhất thiết là do sự khác biệt trong các phân tử sắc tố. Thí dụ như hoa hồng đỏ và anh túc xanh cả hai đều chứa cùng một sắc tố (tức là cyanidin) nhưng có hoa màu khác nhau.

Vậy làm sao cấu trúc phân tử có thể chịu trách nhiệm cho tất cả những màu sắc? Người ta đã chỉ ra rằng màu sắc của một dung dịch sắc tố hoa trong ống nghiệm phụ thuộc theo độ pH của dung dịch. Khi độ pH được thực hiện axit hơn, màu trở nên đỏ hơn. Như vậy cấu trúc của cyanidin thay đổi 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 đầu 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. Vì vậy, bổ sung màu (đỏ) đang được hấp thụ. 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 nên ít hạn chế hơn, màu xanh lam trở nên xanh hơn vì ánh sáng bị hấp thụ trở nên 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 tự nhiên của phân tử, các hydrogen trên ít nhất 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 trách nhiệm 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 nhất định 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 tại 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 sản xuất 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 sử dụng cho tăng trưởng và phần còn lại được lưu trữ.

Những ngày ngắn ngủi và đêm mát mẻ của thay đổi 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 trở dòng chảy của chất dinh dưỡng vào chiếc lá. Bởi vì dòng chảy dinh dưỡng bị gián đoạn, việc sản xuất 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 thay đổi 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 phong cảnh mùa thu. Phạm vi 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 mặt trời rực rỡ 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 sản xuất 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 tự nhiên

Các chỉ số là axit yếu hoặc bazơ thể 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 liên quan 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 chú ý. Thí 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 là thêm các ion H +, phản ứng với các ion tạo thành HIn và dung dịch trở nên vàng hơn. Thêm một giọt bazơ thì chuyển đổi HIn thành In-, và dung dịch trở nên màu xanh hơn.

Khi một ion hydro kết hợp với dạng bazơ của một phân tử chỉ thị, nó sẽ giam giữ hai electron di động trước đây thành một liên kết cộng hóa trị duy nhất với hydro, làm dịch chuyển ánh sáng hấp thụ về phía cuối màu xanh của quang phổ. Các cấu trúc chỉ thị thường trải qua các thay đổi bổ sung khuếch đại sự thay đổi trong sự giam cầm điện tử. Chúng ta hãy dùng phenolphthalein như một thí 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. Thí dụ như các chỉ thị azo (như methyl cam) có cấu trúc hoàn toàn khác với phthalein, nhưng một lần nữa, sự thay đổi trong cấu trúc điện tử xung quanh một nguyên tử quan trọng dẫn đến sự thay đổi điện tử giam cầm.

Trong tự 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 chính xác các phân tử giống nhau cho sắc tố. Các sự khác biệt giữa các bông hoa là độ pH của chất lỏng trong các mô sắc tố; kiềm cho hoa ngô, và axit cho hoa 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 vậy, không phải lúc nào hoa hồng cũng có màu đỏ và hoa violet có màu xanh. Thực tế thì hiện nay người ta đã sản xuất thành công hoa hồng rainbow là một thí dụ điển hình cho sự thay đổi màu sắc này.

Wow, bài viết khá dài nhưng phần nào cũng đề cập khá cơ bản về hóa học của màu sắc. Hi vọng sẽ giúp ích cho các bạn phần nào trong tương lai. 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.

Leave a Reply