Цветовете са навсякъде около нас, но почти всички чисти съединения са бели. Това не е изненадващо, когато се знае какво е необходимо да се направи нещо цветно, пише Теодор Грей (Theodore Gray).

Само няколко природни вещества имат такава химическа структура, която има свойството да усвоява видимата светлина.

Бялата светлина е смес от всички цветове и когато казваме, че едно съединение е цветно, имаме предвид, че то отразява един цвят от светлината (което съответства на светлина с определена дължина на вълната) по-силно от светлината на други цветове.

Например, ако една молекула поглъща предимно синя светлина, след това тя ще изглежда жълта, защото отразява повече жълта светлина, а синята се поглъща. Но видимата светлина обхваща само една малка част от целия диапазон от възможни дължини на вълните.  

Ние виждаме само тези молекули, които поглъщат светлина от видимия спектър.

Една молекула може да поглъща фотони от целия електромагнитен спектър - от радиовълни до рентгенови лъчи, но тя ще бъде оцветена, само ако има разлика в поглъщането на една видима дължина на вълната спрямо друга.

И това се оказва доста необичайно. Повечето молекули поглъщат светлината само над видимия спектър, в ултравиолетовия диапазон.

Най-ярки, богати и разнообразни оцветители идват от специални органични (т.е. на въглеродна основа) съединения, както естествени, така и синтетични.

Как се получава цвета

През 1913 г. Нилс Бор прилага квантовата идея към класическия планетарен модел на атома. Идеята му е, че атомът по никакъв начин не прилича на класическата механична система, която може да поглъща енергия на произволно малки порции.От факта на съществуването на тесни спектрални линии на апоглъщане и излъчване от една страна и на хипотезата на Айнщайн за светлинни кванти от друга страна, Бор предположил, че атомът може да се намира само в определени дискретни стационарни състояния с енергия E₀, E₁, E₂ …

Когато атомът излъчва или поглъща квант електромагнитна енергия (фотон), електронът прави преход от едно стационарно състояние в друго.

Ако електронът погълне фотон, енергията на електрона се увеличава със стойност, равна на енергията на абсорбирания фотон.

За да стане такова поглъщане, трябва да съществува незаето състояние с по-висока енергия, където електронът може да отиде. Ако това условие не е налице, фотонът не може да се абсорбира и ще продължи движението си. Това обяснява защо някои тела са прозрачни за светлината, а други - не.

Фотоните с енергия AB (стойността на енергията съответства на дължината на отсечката AB) са по-малки от широчината на пролуката между заети и незаети нива и не могат да бъдат погълнати от електрона като няма такива крайни състояния, в които те биха могли да преминат. Такива фотони преминават през веществото. Ако енергията на фотона надвишава ширината на пролуката (CD на схемата), тези фотони се поглъщат от веществото.

Органичните молекули поглъщат светлината, когато един фотон взаимодейства с електроните осигуряващи целостта на молекулата, временно издигайки го на друго енергийно ниво (ако това е възможно). Енергийната стойност на фотона зависи от цвета му и различните електрони може да бъдат поразени от различни цветове на светлината, в зависимост от това колко силно тези електрони са обвързани в молекулата.

Цветът съответства на химията

Червените фотони от видимата светлина имат най-малко енергия, следвани от зелените, след това сините и най-накрая виолетовите фотони, които имат най-много енергия във видимия светлинен диапазон. Ултравиолетовите фотони имат още повече енергия. Рентгеновите лъчи са фотони с толкова много енергия, че често дори не ги наричаме светлина.

Електроните, които са обвързани много здраво могат да се откъснат само от високо енергийна ултравиолетова светлина или дори от рентгенови лъчи. Електроните в повечето съединения са обвързани много здраво, което е и причината повечето съединения да са бели. Но молекулите могат да бъдат построени така, че обвързващата сила да бъде такава, каквато ви трябва, в това число, избирателно да поглъщат конкретни цветове на светлината.

Има няколко особени молекулярни структури с електрони с необходимия диапазон на обвързващата сила. Те са в семейството на оцветителите. Чрез промяна на свързващата сила (и по този начин и на цвета) на атомите, разположени около активния център, дадена молекула може да бъде настроена на определен цвят във видимия спектър.

Естествени багрила - индиго

Едно от първите естествени багрила, индигото (по-горе) придава синьото на дънките. То дължи цвета си на комплект от три двойни връзки в неговия център (O = C, C = C, C = O). Електроните могат да мигрират между тези двойни връзки, когато са ударени с правилното количество енергия, съответстващо на оранжевата светлина. Поглъща се оранжевата светлина и остава синята индиго светлина.

Тартразин

Тартразинът е един от синтетичните хранителни оцветители, отговорни за ярките нюанси на близалките. Азотната двойна връзка в средата му (N = N) поражда неговия ярък оранжев цвят.

Постоянен проблем с много органични багрила като индигото и тартразина е, че те изсветляват с течение на времето, тъй като фактът, че те поглъщат енергията на видимата светлина - вместо да я отразяват, пречупват или изцяло да я игнорират, означава, че са уязвими от светлината. Цветът им се дължи на деликатни химични структури и си отива, ако тези структури се разбият.

Но има и друг начин, с който може да се постигне селективно поглъщане на светлината: чрез нивата на енергия, генерирани от кристалните структури на неорганичните съединения. Те са почти напълно застраховани срещу повреди от светлината. Дори ако светлината измества атоми от където им е мястото, те не могат да отидат далече. Логиката на кристала диктува, че те ще попаднат обратно в мястото, от което идват, така че цветът остава. 

Цветовете на кристалите остават завинаги

Първите пигменти, като охрата са със сигурност са светлоустойчиви - те все още се виждат в пещерните рисунки, направени от първите хора. Тези неорганични пигменти са базирани на кристална структура, наречена железен оксид, по-известен като ръжда. 

Охрата, най-светлият цвят, е почти чист железен оксид. Различни количества магнезиев оксид (MgO), смесен с железен оксид правят цветовете сиена и шоколадовата умбра.

Охрата се добива от естествено оцветени глини, съдържащи минерални оксиди. Тя е сред най-старите багрила, известни на човечеството, използвани от хиляди години за боядисване на тъкани, тяло, декорации, церемониални практики, както и за запазване на животни кожи.

Праисторически рисунки в пещерата Font-de-Gaume в южната част на Франция

Неорганичните пигменти са светлоустойчиви, но само ограничен набор от цветове - специално недостигат ярки, силно наситени цветове. Много от тези, които съществуват, са метални соли и оксиди, получени от смилането на ярко оцветени камъни.

 Камъкът лапис лазурит

Пигментът ултрамарин, добиван от камъка лапис лазурит

Другото име за ярко оцветените камъни е "скъпоценни камъни" или поне "полускъпоценни камъни". Например пигментът ултрамарин, получен от камъка лапис лазурит може да бъде много скъп, което обяснява защо някои цветове са били достъпни само за богатите, докато не е получен пълния спектър от синтетични органични багрила.

Някои от естествените минерални багрила са токсични - като арсеновият и кадмиевият сулфид. Искрящото ярко жълто, т.н. кадмиево жълто на "Слънчогледите" на Ван Гог се дължи на токсичния и тежък метал кадмий.

Традиционните пигменти, използвани от праисторическите пещерни художници и от художниците на Античността, както и багрилата, които се появяват в палитрите на художниците на Ренесанса, Барока, Рококо и импресионистите са предимно минерални.

Хромовото жълто, оранжево и червено са от групата на евтините природни пигменти, направени от оловен хромат, разработени за първи път около 1800г от френски химик. Те стават много популярни поради тяхната непрозрачност, ярки цветове и ниска цена. Въпреки това, склонността им да потъмняват с течение на времето, в съчетание с токсичното им съдържание на олово, е довело до замяната им с кадмиеви съединения.

Минералът живачен сулфид е популярен източник за червено-оранжево. Всъщност термините "цинобър" и "яркочервено" се използват като синоними и се прилагат както към минералите така и за по-късно синтезираната боя около 17-ти век. До края на 18-ти век се използва само смлян естествен минерал като производството на цинобър е почти изцяло контролирано от китайците. Този минерал остава най-добрият метод за получаване на червено над 1000 години. За съжаление, е силно токсичен.

Кобалтовите пигменти първоначално са добивани от мини в Бохемия. Те са наречени кобалти по името "kobolds" - местни духове или призраци, които миньорите вярвали, че обитават Бохемия. Пигментът кобалтово синьо бил скъп, но имал много стабилен чисто син цвят- широко е използван в акварели и е добър заместител на ултрамариновото синьо.

Смарагдовото зелено е красив, но също отровен пигмент, предлаган на пазара под името Парижко зелено като отрова за плъхове. Като багрило е склонен да избледнява на слънчева светлина (ефект, който може да бъде намален в маслените картини чрез изолиране на пигмента в между слоеве лак) и също и реагира химически с други цветове. Например не може да се комбинира със  съдържащи сяра бои като кадмиево жълто, алено или ултрамариново синьо, защото резултатът ще бъде тъмнокафяв цвят. Въпреки това, той е любимата боя на постимпресиониста Пол Сезан. Ван Гог е друг запален негов потребител. 

Азуритът е зеленикаво син пигмент кръстен на персийската дума "lazhward", която означава "синьо", той е химически близо до зеления оцветител малахит. Азуритът е известен още от древността и става изключително популярен в епохата на Средновековието и Ренесанса, като египетско синьо. Използва се в маслената живопис. Заменен е от пруско синьото в началото на 18 век, съвсем изоставен след синтезирането на ултрамарина и кобалтовото синьо.

В миналото са се използвали широка гама от оловни карбонати за бели пигменти, също отровни. 

Обърнете внимание на различните версии на картина на Матис. Едната е боядисана с ограничена палитра от органични (вляво), а другата - с неорганични багрила (вдясно).

От края на 19-ти век, по-голямата част от пигменти, използвани от художниците са заменени от синтетични варианти на старите бои. В днешно време повечето естествени оцветители са остарели, изключение е най-скъпите като ултрамарин, изработен от благородния лапис лазурит. Съвременните изкуствени оцветители са по-трайни, по-ярки и значително по-евтини и по-безопасни за ползване.

Удивително е колко много от по-старите пигменти са били силно токсични съединения, съдържащи олово, живак, хром, арсен - дори цианид. Като се знае колко отдадени към работата си са били много от старите майстори, може само да се учудваме как са оцелявали при постоянния си контакт с отровните химикали. Но, както се казва - изкуството иска жертви.

Източници:

Colour me chemical, Theodore Gray

Почему всё вокруг такое, какое оно есть?, Беллур Сиварамия Чандрасекар

What are Earth and Mineral Pigments?

Fine Art Colour Pigments

Още по темата

30/11/2014

Защо

Как да разложим светлината на спектър?

31/12/2014

Защо

Защо небето е синьо?

28/11/2014

Защо

Защо ледът е прозрачен, а снегът е бял?