Farbstoffe

Als Farbstoffe werden organische Verbindungen bezeichnet, die die Eigenschaft haben andere Materialien zu färben.

Geschichte

Farbstoffe werden schon in den Urzeiten der Menschheit für die verschiedensten Anlässe und Einsatzgebiete verwendet. Eine der seit Urzeiten verwendeten Farbe war das Weiss und eines der ersten verwendeten Weiss-Pigmente war das Calciumoxid (CaO), welches aus Kalk geglühter Kalksteine gwonnen wurde. In der Malerei war auch lange Zeit das sog. Bleiweiss, ein basisches Bleicarbonat PbCO₃ Pb(OH)₂ die einzige verfügbare weisse Farbe, bis dieses schliesslich Anfang des 19. Jh. durch das Zinkweiss (ZnO) ersetzt wurde, welches wegen seiner geringeren Toxizität dem Bleiweiss vorgezogen wurde. Heute wird fast ausschliesslich das erst im letzten Jahrhundert entwickelte Titanweiss (Titandioxid) verwendet.

Eine der teuersten Farben war bis zum 18. Jh. das Blau, für das es zum damahlichen Zeitpunkt nur den Halbedelstein Lapislazuli als Rohstoff gab, der in einem arbeitsintensiven Prozess dann das Ultramarin ergab.

Der älteste bekannte organische Farbstoff ist das Indigo, welches bereits 2000 v. Chr. in Ägypten verwendung gefunden hat.

Der teuerste Farbstoff aller Zeiten ist der echte Purpur. Er wurde aus den Farbdrüsen der Purpurschnecke gewonnen, die an der Küste des östlichen Mittelmeeres vorkommt. Für ca. 1g des Farbstoffes wurden ca. 8000 Schnecken benötigt.

Erst durch die Entwicklung der sythetischen Farbstoffe in der Mitte des 19.Jh. erhöhte sich die Anzahl der verfügbaren Farben und stieg deren Haltbarkeit stark an.

Wirkungsweise

Weisses Licht (Spektrum in Bereich 380-780 nm) ist eine Mischung von Licht mit verschiedensten Wellenlängen. Das Farbspektrum reicht hierbei von langwelligem Rotlicht (ca. 780 nm) bis zu kurzwelligerem Violettlicht (ca. 380 nm).

Die Wirkungsweise von Farbstoffen beruht nun darauf, bestimmte Teile des Lichtspektrum zu absorbieren. Die Komplementärfarbe der absorbierten Wellenlänge ist die Farbe in welcher der Farbstoff erscheint.

Die Absorption von elektromagnetischer Strahlung, zu der auch Licht gehört, beruht dabei auf der Anhebung des Energieniveaus von Elektronen in [[Molek%FCl|Moleküle]]n oder Atomen (Erhöhung des Abstandes zwichen Elektronen und den Atomkernen). Die hierzu nötige Energie wird der einfallenden elektromagnetischen Strahlung, dem Licht, entnommen.

Da sich diese Vorgänge auf der Quantenebene abspielen, ist diese Absorption nicht mehr kontinuierlich, sondern erfolgt nur in bestimmten Stufen, die dem energetischen Unterschied zwischen dem/den Elektronen vor bzw. nach der Absorption entsprechen. Dieser Energieunterschied ist direkt proportional zu der Absorbierten Wellenlänge des einfallenden Lichts und bestimmt somit die Farbe, in der der Farbstoff erscheint.

Chemisch-Physikalische Eignung von [[Molek%FCl|Moleküle]]n

Treten in den betrachteten [[Molek%FCl|Moleküle]]n oder Atomen nur einfache [[$\sigma$-Bindungen]] auf, so ist die Energie, die benötigt wird um die entsprechenden [[$\sigma$-Elektronen]] auf ein höheres energetisches Niveau zu heben zu gross, als das es zu einer Niveauerhöhung durch den sichtbaren Teil des elektromagnetischen Spekrums kommen könnte. Im Allgemeinen findet hier eine Absorption im Bereich des UV-Lichtes oder der Röntenstrahlung statt, so das diese Art Verbindungen normalerweise als Farbstoff ungeeignet sind. Leichter gelingt die Anregung der Elektronen, die in sog. [[$\pi$-Bindungen]], wie sie z.B. in ungesättigten Bindungen auftreten, diese absorbieren schon elektromagnetische Wellen im Bereich des langwelligen UV-Bereichs. Arangiert man mehrere solche ungesättigten Bindungen (Mehrfachbindungen) abwechselnd mit einfachen Atombindungen, so kommt es zu einer sog. Delokalisierung der [[$\pi$-Elektronen]], wodurch der Abstand zwischen dem angeregten und dem Grundzustand noch einmal verringert wird. Dem entspricht eine Verschiebung der absorbierten Wellenlängen hin zu grösseren Wellenlängen. Im Allgemeinen gilt hierbei, dass, je grösser die Anzahl dieser ungesättigten Bindungen ist, desto mehr wird der Absorptionbereich nach oben verschoben. Eine weitere Anhebung kann erreicht werden, in dem derlei Stoffe mit besonders geeigneten anderen Atomgruppen oder Atomen kombiniert werden, die als Elektronenakzeptoren oder Elektronendonatoren fungieren und/oder mesomeriefähig sind. Als Auxochrome (Elektronendonatoren) oder Antiauxochrome (Elektronenakzeptoren) können beispielsweise folgende funktionelle Gruppen Verwendung finden:

Auxochrome				Antiauxochrome
R-OH	R-NH2	R-SO3H	R-COOH	R-C=O	R-NO2	R-COH	R-C=NR2

Die Wirkung dieser Auxo- bzw. Antiauxochrome beruht dabei auf einer Polarisierung des Moleküls und einer daraus folgenden Verschiebung der vorhandenen delokalisierten Elektronen, die durch die ungesättigten Verbindgunen im Rest des Moleküls zur Verfügung stehen. Die Gruppen, die entsprechende delokalisierte Elektronen zur Verfügung stellen werden auch als Chromophore bezeichnet. Wie aus o.g. Erklärungen abgeleitet werden kann, sind primar die Chromophore und ihre Häufigkeit, mit der sie im betracheten Molekül vorkommen für die Farbgebung eines Farbstoffes verantwortlich. Folgende funktionelle Gruppen können beispielsweise als Chromophore fungieren:

Chromophore
R-C=C-R	R-N=N-R	$R-N^{+}OO^{-}$	R-C=O	R-C=NH	R-N=O

[[$\pi$-Überlagerung]] von Aromatischen Ringen und einer Azogruppe am Beispiel des Aminoazobenzols.

thmb

thmb

Datei:Aminoazobenzol 1.png

Hier dargestellt die [[$\pi$-Gruppen]] der beteiligten Molekülteile als Strukturformel und 3D-Modell.

Datei:Aminoazobenzol e dealokation.png

Polarisation und Ladungsverschiebung im Aminoazobenzol. Die NH₂-Gruppe wirkt mit ihrem freien Elektronenpaar noch farbvertiefend.

Die Bezeichnungen wie Chromophore und Auxochrome stammen aus der Farbstofftheorie von O.Witt.

Einteilung der Farbstoffe

Nach färbetechnischem Verfahren

Substantive Farbstoffe

Substantive Farbstoffe oder auch Direktfarbstoffe werden aus wässriger Lösung direkt auf die Faser aufgetragen.

Auf der Faser erzeugte Farbstoffe

Auf der Faser erzeugte Farbstoffe werden in ihrer wasserunlöslichen Form auf die zu färbenden Fasern aufgebracht. Dies geschied z.B. durch die Behandlung der Faser mit einer alkalischen Lösung, worduch die Farbstoffe gelöst werden. Dort werden sie dann einem Oxidationsprozess unterworfen, z.B. durch Behandlung mit einem Diazoniumsalz in eiskalter Lösung, wodurch sie wieder in einen wasserunlöslichen Zustand versetzt und fixiert werden. Bei diesem Verfahren entsteht erst durch die Oxidation die Farbwirkung.

Eine Sonderform dieser Klasse sind die Küpenfarbstoffe. Diese werden direkt in ihrer reduzierten Form auf die Faser aufgetragen. Durch die Reduktion der Küpenfarbstoffe wird der Farbstoff von einer unlöslichen in eine lösliche Leukoverbindung gewandelt (verküpt). Auch hier wird der Farbstoff durch anschliessende Oxidation wieder in den unlöslichen Zustand überführt und fixiert.

Reaktivfarbstoffe

Reaktivfarbstoffe reagieren über besondere Teile ihrer Struktur mit funktionellen Gruppen der Faser.

Beizenfarbstoffe

Bei den Beizenfarbstoffen werden die zu färbenden Fasern zunächst mit Chromium(III)-, Eisen(III)- oder Aluminiumsalzen behandelt. Durch anschliessendes behandeln mit Wasserdampf bilden sich auf der Faser Metallhydroxide. Diese Hydroxide reagieren dann mit dem (sauren) Farbstoff zu einer fixierbaren Komplexverbindung.

nach der chemischen Struktur

• Azofarbstoffe
• Indigofarbstoffe
• Phthalocyaninfarbstoffe
• Phthalsäurefarbstoffe
• Triphenylmethanfarbstoffe
• Anthrachinonfarbstoffe