LA CHIMICA DEL COLORE

In modo molto semplicistico, possiamo affermare che i coloranti funzionano come dei filtri; a seconda della loro struttura chimica assorbono alcune lunghezze d’onda, e ne riemettono altre che arrivando ai nostri occhi, il nostro cervello rielabora come colore.

Per capire come fanno a comportarsi da filtri, dobbiamo tornare al concetto già visto nell’articolo di cos’è il colore, e cioè che le radiazioni elettromagnetiche trasportano una quantità di energia ben definita che dipende dalla loro lunghezza d’onda;

Vediamo il colore perché l’energia associata al range di lunghezze d’onda del visibile è quella «giusta» per far reagire le molecole del colore.

L’assorbimento delle λ della regione del visibile (ma anche le λ del vicino UV) avviene quando la loro energia associata è in grado di provocare delle transizioni energetiche negli elettroni esterni (elettroni di valenza) della molecola del colore. 

Quando un fotone colpisce la molecola di un colorante, se la sua energia è uguale alla differenza di energia tra i due livelli energetici (stato fondamentale e stato eccitato*) l’elettrone si sposta sul livello di energia più elevato assorbendo l’energia del fotone.

*   lo stato fondamentale è uno stato in cui gli elettroni di un sistema si trovano nei livelli di energia più bassi possibili mentre lo stato eccitato è qualsiasi stato del sistema che ha un’energia più alta dello stato fondamentale.

Lo stato eccitato, a causa della sua alta energia è molto instabile, e la sua durata molto breve. Gli elettroni di un sistema (un atomo, una molecola o uno ione) tendono sempre a tornare al loro stato fondamentale e a un livello di energia più basso possibile. Questo ritorno ai livelli energetici inferiori, provoca l’Emissione di parte dell’energia precedentemente assorbita. Se questa energia risulta associata alle λ del range del visibile (tra 390 e 760 nm) e arriva ai nostri occhi percepiremo un colore.

L’effetto filtro

Nella luce visibile, essendo formata da un range di lunghezza d’onda (da 390 a 760nm), sono presenti fotoni che trasportano quantità diverse di energia. Siccome gli elettroni vengono eccitati solo da esatte quantità di energia (quella necessaria per la loro transizione), ogni colorante in base alla sua struttura assorbe solo un determinato range di lunghezze d’onda. 

Gli atomi risultano energeticamente più stabili quando presentano l’ultimo livello elettronico completo (regola dell’ottetto). Pertanto gli atomi dei vari elementi si legano tra loro cedendo, acquistando o mettendo in comune gli elettroni di valenza, così da arrivare al loro stato più stabile. Gli elettroni di valenza che sono i più esterni della molecola, si trovano coinvolti in differenti tipologie di legame; possono essere coinvolti in legami singoli, doppi, o tripli ed è proprio per questo che necessitano di diverse quantità di energia per la loro transizione energetica. 

Le lunghezze d’onda assorbite dipendono dal gap di energia coinvolto nella transizione. Per esempio le molecole con legami singoli assorbono lunghezze d’onda che cadono nel campo dell’ultravioletto, cioè quelle associate a lunghezze d’onda più corte perchè la transizione richiede più energia, mentre per esempio ai doppi legami coniugati (tipici di alcuni coloranti), necessitano di una bassa energia per effettuare la loro transizione e quindi assorbiranno radiazioni con lunghezze d’onda più lunghe come quelle dello spettro del visibile.  Riprenderemo il discorso più avanti, dopo aver affrontato i cromofori.

I Cromofori

Viene definito cromoforo quella parte della molecola colorante che è in grado di assorbire lunghezze d’onda del campo del visibile e dell’ultravioletto e di emetterne altre del visibile che il nostro sistema visivo percepisce come colore. A tal proposito, i cromofori sono portatori di vari elettroni che, una volta stimolati dall’energia della luce visibile, riflettono la gamma dei colori.

Più specificamente, i cromofori sono gruppi funzionali, legami chimici o sistemi di legame, in grado di emettere una data banda spettrale a seguito di una transizione elettronica.

I gruppi funzionali e i legami chimici caratteristici dei coloranti, sono, i doppi e i tripli legami e i sistemi di risonanza, , in particolare :

o ancora i gruppi insaturi, gli idrocarburi alifatici insaturi, gli anelli aromatici, i sistemi polienici ecc.

La specifica quantità di energia necessaria ad ogni sistema colorante, per assorbire ed emettere colore, dipende:

⊃ dalla struttura chimica del Cromoforo 

⊃ dalla struttura dell’intera molecola colorante

⊃ dalle condizioni dell’ambiente circostante (pH, polarità del solvente, ecc.),

cioè da tutti quei fattori che possono influenzare  la configurazione elettronica esterna della molecola. Nella figura sotto, alcuni gruppi cromofori.

 

Esistono due tipi di SISTEMI CROMOFORO :

Legami dei COMPLESSI METALLICI

sono costituiti da un metallo (generalmente uno ione metallico) di transizione coordinato (legato) da uno o più “leganti” (molecole polari o anioni). Esempi tipici di complessi metallici li si trovano nelle molecole delle clorofille magnesiache e rameiche.

Legami π coniugati

I legami coniugati sono doppi legami intervallati da un legame singolo. Se in una molecola sono presenti doppi legami coniugati, si verifica una delocalizzazione elettronica con conseguente diminuzione energetica tra un livello e l’altro; per effettuare transizioni occorreranno quindi radiazioni di minor energia. Nei legami coniugati, gli elettroni saltano tra livelli di energia in orbitali più estesi dove, maggiore è il numero dei doppi legami coniugati minore è l’energia richiesta per la transizione dei suoi elettroni. L’esempio più tipico di legami coniugati è la lunga catena polienica (fitoene) che caratterizza i carotenoidi.

Il sistema di doppio legame coniugato è fondamentale per il colore dei carotenoidi; sono necessari almeno 7 doppi legami coniugati affinché un carotenoide abbia un colore percettibile, e il colore aumenta all’aumentare del sistema coniugato, quindi, più il sistema coniugato è esteso tanto più il suo assorbimento si sposta verso lunghezze d’onda più alte. In altre parole, aumentando la lunghezza della coniugazione, cioè estendendo il sistema coniugato con legami multipli insaturi (doppi legami tra gli atomi di carbonio C=C)  il colore riflesso si sposta dal giallo al rosso. Per esempio i carotenoidi  fitoene e fitofluene con rispettivamente 3 e 5 doppi legami coniugati sono incolori;  il ζ-carotene, con 7 doppi legami coniugati, è giallo chiaro, mentre il licopene, con 11 doppi legami coniugati, è rosso.

Nei cromofori, l’eccitazione degli elettroni è facilitata sia dalla presenza di anelli aromatici che causano una maggiore delocalizzazione degli elettroni, sia per la presenza di particolari gruppi funzionali chiamati auxocromi. Gli auxocromi sono attaccati al cromoforo, e sono in grado di modificare la capacità di assorbire la luce, alterando sia la lunghezza d’onda sia l’intensità dell’assorbimento. Un auxocromo da solo, non può produrre colore, ma insieme a un cromoforo ha la capacità di intensificarne il colore. In natura, gli auxocromi più comuni sono i gruppi ossidrile (-OH), gruppo aldeidico (-CHO), e il gruppo amminico (-NH2)

Occorre tenere sempre presente che le molecole dei coloranti, la loro struttura e i loro legami chimici non sono statici, ma vanno incontro a una varietà di  conformazioni che modificano le loro caratteristiche di assorbimento e di trasmissione del colore. Nella pratica questo lo si osserva per esempio negli antociani quando cambiano la loro tonalità in base al pH, nella curcumina quando la sua tonalità diventa più brillante a pH acidi, ma anche durante la degradazione di tutti i coloranti a seguito per esempio di trattamenti termici. 

Adesso che sappiamo qualcosa in più su come i coloranti filtrano alcune lunghezze d’onda, mentre ne emettono altre, una domanda parrebbe spontanea: esiste una correlazione tra la luce assorbita e quella riflessa? In parole più semplici se un colorante ci appare verde, quali lunghezza d’onda deve assorbire e riflettere per apparirci tale?

Ti ricordi?

 

Per capirlo, o meglio per avvicinarci a capirlo dobbiamo affrontare due teorie, chiamate Sintesi Additiva e Sintesi Sottrattiva, che riguardano rispettivamente i colori luce e i colori pigmento.

Personalmente trovo che queste due teorie siano un tantino ostiche, ma probabilmente è solo un mio limite. E’ stato complicato comprenderle, e ancor più lo è stato spiegarle, comunque, ho cercato di fare del mio meglio, se vuoi, le trovi qui.

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ROBERTA LAMERA

ROBERTA LAMERA

Da oltre 25 anni lavoro con i colori alimentari e conosco le sfide legate alla colorazione in molteplici applicazioni. Problem Solving e soluzioni efficaci tramite l'utilizzo consapevole del colore.

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