- Pochodzenie i budowa chemiczna barwników
- Właściwości barwników
- Rodzaje barwników
- Zastosowania barwników
Barwniki są rozpuszczalne wodzie, rozpuszczalnikach organicznych, olejach lub tłuszczach. Barwniki, zależnie od źródła pochodzenia, zróżnicowane są na barwniki naturalne pozyskiwane z roślin i zwierząt (np. chlorofile, indygo, alizaryna, hematoksylina, kwas karminowy) oraz barwniki syntetyczne otrzymywane na drodze syntezy chemicznej (np. barwniki azowe, barwniki trifenylometanowe, barwniki siarkowe). Klasyfikacja barwników opiera się na ich budowie chemicznej (np. barwniki azowe, barwniki trifenylometanowe, antrachinony, indygoidy, porfiryny, antocyjany, karotenoidy) lub właściwościach użytkowych (np. barwniki zasadowe, kwasowe, reaktywne, bezpośrednie, zawiesinowe, zaprawowe, kadziowe). Wykorzystywane są do barwienia włókien, futer, skóry, tworzyw sztucznych, papieru, artykułów spożywczych, kosmetyków i preparatów mikroskopowych; stosowane są także jako wskaźniki chemiczne.
Pochodzenie i budowa chemiczna barwników
Barwniki są organicznymi substancjami chemicznymi odpowiedzialnymi za charakterystyczną barwę organizmów żywych (tzw. barwniki naturalne) lub wykorzystywanymi w celu nadania bądź zmiany zabarwienia materiałów użytkowych. Barwniki, w odróżnieniu od pigmentów (stałych substancji barwiących pochodzenia nieorganicznego lub organicznego), są dobrze rozpuszczalne w wodzie, rozpuszczalnikach organicznych (np. etanolu), olejach i tłuszczach.
Barwniki, w zależności od pochodzenia, zróżnicowane są na dwie podstawowe grupy:
- barwniki pozyskiwane ze źródeł roślinnych lub zwierzęcych (barwniki naturalne):
lub lucerny siewnej (Medicago sativa);
o błękit indygowy (indygo) pozyskiwany z liści urzetu barwierskiego (Isatis tinctoria) lub indygowca
barwierskiego (Indigofera tinctoria);
o henna pozyskiwana z liści i pędów lawsonii bezbronnej (Lawsonia inermis);
o luteina pozyskiwana z kwiatów, liści i łodyg rezedy żółtawej (Reseda luteola);
o alizaryna pozyskiwana z korzeni marzanny barwierskiej (Rubia tinctorum);
o hematoksylina pozyskiwana z drewna modrzejca kampechiańskiego, tzw. drzewa kampeszowego
(Haematoxylon campechianum);
o kartamina pozyskiwana z płatków kwiatowych krokosza barwierskiego (Carthamus tinctorius);
o kwas karminowy (tzw. koszenila, karmina) pozyskiwana z pluskwiaków – czerwców kaktusowych
(Dactylopius coccus);
o dibromoindygo (tzw. purpura tyryjska) pozyskiwana z gruczołów ślimaków morskich – rozkolców
Haustellum brandaris.
- barwniki otrzymywane na drodze syntezy chemicznej (barwniki syntetyczne):
i sprzęgania soli z aminą lub fenolem (np. oranż metylowy);
o barwniki trifenylometanowe otrzymywane w wyniku reakcji utleniania związków aminowych
lub hydroksylowych (np. fuksyna);
o barwniki ksantenowe otrzymywane w wyniku kondensacji fenoli (głównie rezorycyny)
z bezwodnikiem kwasu ftalowego (np. fluoresceina);
o barwniki siarkowe otrzymywane w wyniku stapiania amin aromatycznych (np. difenyloamin) z siarką
lub polisiarczkiem sodu (np. czerń siarkowa).
Barwniki stosowane obecnie w celach przemysłowych obejmują niemal wyłącznie barwniki syntetyczne, w tym odpowiedniki barwników naturalnych (roślinnych i zwierzęcych). Często wykorzystywane są także nierozpuszczalne substancje barwiące (laki barwne) otrzymywane w procesie zlakowania barwników (wytrącenia nierozpuszczalnych soli) lub ich osadzenia na podłożu nieorganicznym (np. wodorotlenku glinu, siarczanie baru, siarczanie ołowiu).
Henna jest naturalnym barwnikiem roślinnym pozyskiwanym z liści i pędów lawsonii bezbronnej (Lawsonia inermis). Źródło: mirzamlk/Shutterstock
Właściwości barwników
Barwniki charakteryzują się selektywną (wybiórczą) absorpcją światła, czyli tendencją do odbijania i pochłaniania określonych długości fali promieniowania elektromagnetycznego w zakresie światła widzialnego (380-750 nm). Są substancjami przezroczystymi, zdolnymi do przepuszczania promieni świetlnych (tzw. transmitancji światła). Barwniki, rozpuszczające się w określonym ośrodku (np. wodzie), wpływają na jego zabarwienie za pośrednictwem dyfuzji, czyli procesu samoistnego mieszania się ich cząsteczek z cząsteczkami tego ośrodka.
Barwa barwników i ich zdolności barwiące wynikają z chemicznej budowy ich cząsteczek, czyli obecności charakterystycznych ugrupowań atomów (np. grup funkcyjnych):
- grupy chromoforowej (chromoforu) – ugrupowania atomów połączonego z układem sprzężonych wiązań wielokrotnych zdolnego do przesunięcia maksimum absorpcji światła, które odpowiada za określoną barwę barwnika (np. grupy azowej, nitrowej, antrachinonowej, indygoidowej);
- grupy auksochromowej (auksochromu) – ugrupowania atomów przyłączonego do chromoforu odpowiedzialnego za przesunięcie maksimum absorpcji światła, wzrost intensywności barwy i aktywne oddziaływanie barwnika z barwionym materiałem (np. grupy hydroksylowej, aminowej).
Cząsteczki barwników organicznych, w odróżnieniu od pigmentów oddziałujących wyłącznie z powierzchnią barwionych materiałów (np. włókien roślinnych i zwierzęcych), mają zdolność do wchodzenia z nimi w reakcje chemiczne (tzw. powinowactwo chemiczne). Barwniki mogą wiązać się z innymi substancjami za pośrednictwem wiązań kowalencyjnych, sił przyciągania elektrostatycznego między jonami, wiązań wodorowych lub oddziaływań van der Waalsa.
Chromofor w postaci długiego łańcucha węglowodorowego z układem sprzężonych wiązań podwójnych odpowiada za żółto-pomarańczową barwę β-karotenu. Źródło: shutterstock
Rodzaje barwników
Barwniki naturalne i syntetyczne klasyfikowane są głównie w oparciu o budowę chemiczną cząsteczek, w szczególności obecność charakterystycznych grup funkcyjnych (chromoforów, auksochromów), ich rozpuszczalność w określonych rozpuszczalnikach (np. wodzie, olejach, tłuszczach) i właściwości użytkowe (walory barwnikarskie) decydujące o możliwościach ich zastosowania w różnych gałęziach przemysłu (np. przemyśle włókienniczym, spożywczym).
Klasyfikacja uwzględniająca budowę chemiczną wyróżnia następujące grupy barwników:
- barwniki azowe – barwniki syntetyczne zawierające chromofor w postaci grupy azowej (–N=N–), np. żółcień metylowa, oranż metylowy, czerwień Kongo, zieleń diamentowa;
- barwniki trifenylometanowe – barwniki syntetyczne zawierające chromofor w postaci pierścienia trifenylometanu związanego z grupami aminowymi i hydroksylowymi, np. fuksyna, fiolet krystaliczny, zieleń malachitowa, fenoloftaleina, eozyna;
- barwniki antrachinonowe – barwniki naturalne lub syntetyczne z chromoforem w postaci pierścieni antrachinonowych, np. alizaryna, błękit indantrenowy, koszenila;
- barwniki indygoidowe – barwniki naturalne lub syntetyczne z chromoforem w postaci dwóch sprzężonych grup karbonylowych, np. błękit indygowy, purpura tyryjska;
- barwniki ksantenowe – barwniki syntetyczne zawierające chromofor w postaci pierścienia ksantenu, np. fluoresceina;
- barwniki tiazynowe – barwniki syntetyczne z chromoforem w postaci pierścienia tiazynowego z dwoma heteroatomami (azotem i siarką), np. błękit metylenowy;
- barwniki siarkowe – barwniki syntetyczne z chromoforem w postaci pierścienia tiazynowego skondensowanego z dwoma pierścieniami benzenu, np. czerń siarkowa;
- barwniki porfirynowe – barwniki naturalne lub syntetyczne z chromoforem w postaci cyklicznego układu sprzężonych wiązań podwójnych, np. chlorofil, ftalocyjaniny;
- barwniki antocyjanowe – barwniki naturalne lub syntetyczne z chromoforem w postaci pierścieniowego układu sprzężonych wiązań podwójnych, np. cyjanidyna, delfinidyna, pelargonidyna;
- barwniki flawonowe – barwniki naturalne lub syntetyczne z chromoforem w postaci pierścienia flawonowego z licznymi grupami hydroksylowymi, np. luteolina;
- barwniki karotenoidowe – barwniki naturalne lub syntetyczne z chromoforem postaci długich łańcuchów węglowodorowych z układem sprzężonych wiązań podwójnych, np. α-karoten, β-karoten, likopen, luteina, wiolaksantyna.
Klasyfikacja uwzględniająca wartości użytkowe wyróżnia następujące grupy barwników:
- barwniki zasadowe (kationowe) – barwniki dysocjujące w roztworze wodnym na barwne kationy wiążące się z anionami grup kwasowych barwionych substancji; używane do barwienia wełny, jedwabiu naturalnego, włókien poliakrylonitrylowych, papieru, drewna lub skóry (np. barwniki azowe, trifenylometanowe, ksantenowe);
- barwniki kwasowe (anionowe) – barwniki dysocjujące w roztworze wodnym na barwne aniony wiążące się z kationami grup zasadowych barwionych substancji; używane do barwienia wełny, włókien poliamidowych lub produktów spożywczych (np. barwniki azowe, trifenylometanowe, antrachinonowe, ksantenowe);
- barwniki reaktywne – barwniki wiążące się trwale z barwioną substancją dzięki obecności reaktywnych grup chemicznych tworzących wiązania kowalencyjne z grupami hydroksylowymi włókien celulozowych lub grupami aminowymi wełny, jedwabiu i włókien poliamidowych (np. barwniki azowe, antrachinonowe);
- barwniki bezpośrednie (substantywne) – barwniki osadzające się bezpośrednio na barwionej substancji przy udziale adsorpcji i dyfuzji oraz oddziaływań chemicznych (wiązań wodorowych, oddziaływań van der Waalsa); wykorzystywane do barwienia bawełny, jedwabiu, wełny, nylonu, papieru lub skóry (np. barwniki azowe);
- barwniki zawiesinowe (dyspersyjne) – barwniki w postaci rozdrobnionych zawiesin wodnych, dobrze rozpuszczające się w barwionej substancji; używane do barwienia jedwabiu octanowego i włókien syntetycznych (np. poliestrowych, poliamidowych, poliakrylonitrylowych) (np. barwniki azowe, antrachinonowe);
- barwniki zaprawowe – barwniki tworzące nierozpuszczalne związki chemiczne (tzw. laki barwne) z zaprawami osadzonymi na barwionym materiale (np. solami glinu, solami chromu, taninami) (np. barwniki antrachinonowe – alizaryna, koszenila; barwniki azowe, flawonowe, ksantenowe);
- barwniki kadziowe – barwniki nierozpuszczalne w wodzie przeprowadzone w sole rozpuszczalne (leukozwiązki) pod wpływem redukującego działania siarczanu (III) sodu (kadziowanie); utleniane do pierwotnej postaci po związaniu się z barwioną substancją; używane do barwienia włókien roślinnych (np. barwniki indygoidowe).
Barwniki cechują się także zróżnicowaną rozpuszczalnością, czyli zdolnością do rozpuszczania się w różnych rodzajach rozpuszczalników. Dobrze rozpuszczają się w wodzie (np. barwniki zasadowe, kwasowe, reaktywne, bezpośrednie) lub rozpuszczalnikach organicznych (etanolu, acetonie, eterze dietylowym), olejach i tłuszczach (np. barwniki zawiesinowe, zaprawowe).
Barwienie bezpośrednie jedwabiu naturalnego z wykorzystaniem czerwonego barwnika roślinnego – kartaminy. Źródło: Benjamas_Photovec/Shutterstock
Zastosowania barwników
Barwniki naturalne i syntetyczne są substancjami wykorzystywanymi w różnych gałęziach przemysłu – przemyśle włókienniczym, skórzanym, papierniczym, spożywczym, tworzyw sztucznych, poligraficznym, chemicznym i kosmetycznym. Barwniki wykorzystywane są do głównie do barwienia naturalnych włókien roślinnych i zwierzęcych (np. bawełny, jedwabiu, wełny) i włókien syntetycznych (np. poliestrów, poliamidów, poliakrylonitryli), futer, skóry, drewna i papieru. Barwniki stosowane są w przemyśle spożywczym do barwienia produktów żywnościowych (np. karotenoidy, chlorofile, antocyjany, koszenila, barwniki azowe – żółcień pomarańczowa, azorubina, amarant, błękit brylantowy). Barwniki używane są również do wybarwiania tworzyw sztucznych (np. barwniki indygoidowe, ksantenowe, porfirynowe), kosmetyków (np. barwniki karotenoidowe, ksantenowe) oraz preparatów mikroskopowych (np. eozyna, zieleń malachitowa, alizaryna, błękit metylenowy). Liczne barwniki syntetyczne są wykorzystywane w analizie chemicznej w charakterze wskaźników kwasowo-zasadowych (pH) (np. oranż metylowy, czerwień Kongo, zieleń malachitowa, fenoloftaleina, alizaryna).
Oranż metylowy zaliczany do grupy barwników azowych jest wskaźnikiem pH stosowanym w analizie chemicznej. Źródło: shutterstock
Bibliografia
- John McMurry; “Chemia organiczna”; Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa 2005.;
- Norman Neill Greenwood, Alan Earnshaw, Butterworth-Heinemann; “Chemistry of the Elements (2nd ed.)”; Oxford 1997. ;
- Andrew Burrows, John Holman, Andrew Parsons, Gwen Pilling, Gareth Price ; “Chemistry³. Introducing inorganic, organic and physical chemistry”; Oxford University Press, 2017.;
- Zdzisława Otałęga (red. nacz.); “Encyklopedia biologiczna T. I, II, III, V, VIII”; Agencja Publicystyczno-Wydawnicza Opres, Kraków 1998-2000.;
- K.-H. Lautenschlager, W. Schroter, A. Wanninger; “Nowoczesne kompendium chemii, ”; Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa 2016. ;
- Adam Bielański; “Podstawy chemii nieorganicznej Tom II ”; Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa 2012.;
- promil
