A színek fizikája és kémiája

Az emberek mindig szerették a színeket.
Színezték a ruhákat, a használati tárgyakat, gyüjtötték a színes virágokat, színes köveket.
Festésre nagyon régen használnak különböző szervetlen és szerves eredetű festékanyagokat. (Már a képen látható 10.000 éves barlangrajzhoz is.)
A színekkel kapcsolatos jelenlegi fizikai és kémiai ismereteink nagyon hosszú megfigyelési és kísérletezési folyamat során alakultak ki.

Ebben a részben megpróbálom egyszerűen, közérthetően összefoglalni a lexikonomban fellelhető, színekre vonatkozó fizikai és kémiai információt és szeretnék egy kis történeti áttekintést is adni.

Ez persze csak egy rövid összefoglaló, köteteket írtak már a témáról.

Színtörténet

A színeknek szinte minden kultúrában szimbolikus jelentése is van.

Az ókori Egyiptomban gyakran mágikus-vallásos eszmék szabták meg a színek alkalmazását.
A színek szimbolikája az orvoslásban is megjelent.
Az ősi Egyiptomban gyakoriak voltak a vörös amulettek. A hit szerint ezek megóvták a katonákat a sebesüléstől és elállították a vérzést.
A sárga szín a Napot, a boldogságot és a gazdagságot jelképezte.
A kék az isteni igazságot jelképezte, az egyik legfontosabb szín volt.

Az észak-amerikai indiánok főleg vörös sárga és kék színeket alkalmaztak eszközeiken, házak előtti védőoszlopaikon.

A festészet korai szakaszában a színek szimbolikáját a praktikum határozta meg. A legfontosabb kérdés a színek minősége és a festékek ára volt.

A reneszánszban és az azt követő időszakokban a színek jelképes értelmet hordoztak, és a színvilág is nyomatékot adott a képnek. Mély tónust alkalmaztak a drámák megjelenítésében, ragyogó váltószínezést a természetfeletti ábrázolásánál és a finom árnyalatokat a naturalista témáknál.

Az évszázadok során sokan foglalkoztak a színek elméletével, és különböző rendszereket dolgoztak ki más-más megközelítésből kiindulva.
Runge német festő 1809-ben létrehozott színgömbjei a színek egymáshoz való viszonyát mutatják be.
Goethe 1810-ben adta ki munkáját, amelyben vitatta Newton színelméletét: szerinte a spektrumnak csak hat színe van.
1839-ben Eugéne Chevreul közreadta a "Színes tárgyak illeszkedésének és színek szimultán kontrasztjának törvényeiről" című könyvét. Lényege, hogy bizonyos színek veszítenek erejükből, ha egymás mellé kerülnek. Ez a szimultán kontraszt meghatározza, hogy milyen elrendezésben érvényesül leginkább a színek tisztasága. Kidolgozta a kiegészítő színek elméletét is, amely szerint egy szín kiegészítője a spektrum azon színmezője, amelyet elnyel, vagyis a színkörön (a képen) egymással átellenben helyezkednek el.
Ezt az elméletet egészítette ki J. C. Maxwell. Eszerint a színek az emberi szemben is vegyülhetnek, nemcsak a palettán.

Az alkimista irodalomban a vörös többnyire az aranyat, a fehér vagy a kék a higanyt vagy az ezüstöt jelöli.

A színekkel kapcsolatos, talán első "természettudományos" elméletet Arisztotelész állította fel. Eszerint a fehér fény a legtisztább forma, és a színezett valahogyan megváltozott.
Ez volt az elfogadott nézet egészen Newtonig.

Newton foglalkozott először "komolyabban" a színekkel. A "hivatalos" álláspont ellenőrzésére a napfény egy nyalábját prizmán bocsátotta át és bemutatta, hogy a spektrum színeire bomlik a falon.
Az emberek már ismerték a szivárványt, természetesen, de azt hitték, hogy az csak valami szép rendellenesség. Newton következtetése valójában az volt, hogy ezek a színek - vörös, narancs, sárga, zöld, kék, ibolya, és a köztük lévő átmenetek - az alapvetőek. Az amit a fehér fénysugárban látunk, ha mélyebben megvizsgáljuk csodálatosan összetett.

 

Később azt is megállapították, hogy a fény, az egyes atomok elektronjainak gerjesztése, illetve az azt követő "visszaállás" során keletkező elektromágneses hullám. Ezt mutatja be az animáció. A képre kattintva az atommag körül mozgó elektron egy nagyobb energiájú pályára ugrik, majd onnan visszazuhanva egy fotont bocsát ki. A képre újra rákattintva visszaáll a kiinduló helyzetbe. A gerjesztés történhet pl. hő hatására, vagy egy másik foton által.

A keletkező foton hullámhossza az energiaszintek különbségétől függ.

Vagyis az egyes színek tulajdonképpen a különböző nagyságú "ugrások" következményei.
Minél nagyobb az "ugrás", annál nagyobb energiájú az elektromágneses hullám.
A nagyobb energiákhoz rövidebb hullámhosszak tartoznak. Vagyis a kis ugrás vörös, a nagyobb ugrás sárga .... a legnagyobb ugrás ibolya színt eredményez. (A vöröshöz szükségesnél kisebb, illetve az ibolyához szükségesnél nagyobb ugrások esetén számunkra láthatatlan elektromágneses hullámok keletkeznek.)

Ezek az ugrások okozzák a lángfestést, a különböző színképeket.

Mi a szín - Színfizika

A lexikon definíciója szerint:
"A látható fény által keltett, összetevőinek hullámhosszától és intenzitásától függően különböző fiziológiai érzet."
Tehát a szín elsősorban érzet és ezért csak a látással kapcsolatban értelmezhető.

A szemünk által észlelhető (vagyis a látható fény) tartománya az elektromágneses hullámokon belül a 380-760 nm közötti hullámhosszakat jelenti. Ez egy nagyon kis része a teljes elektromágneses spektrumnak, de a földi légkör ezt engedi át a legjobban, ezért a legtöbb élőlény szeme ezt a tartományt érzékeli.
Az alábbi táblázat a látható tartományon belül az egyes színek hullámhosszait (illetve frekvenciáit) mutatja.

Mitől látunk tehát valamit mondjuk zöldnek, pirosnak (ábra), vagy más színűnek.
Attól, hogy azt a színt veri vissza, a többit elnyeli.
Tehát (a fentiek és az ábra alapján) akkor látunk valamit a zöld valamilyen árnyalatának, ha a látható fény 470-550 nm közötti hullámhossztartományát, pirosnak pedig akkor látjuk, ha a 620-760 nm közötti hullámhossztartományt veri vissza.

Persze, ha nem fehér fénnyel világítunk meg valamit, akkor a színe más lesz. Egy fehér tárgy mindig olyan színű, amilyen színnel megvilágítjuk. Egy fekete tárgy bármilyen színnel megvilágítva fekete. A többi szín esetén színkeveredések jelentkeznek, illetve a komplementer színével megvilágítva minden szín feketének látszik.

A színkeverés törvénszerűségeit valószínüleg leghamarabb a festékek esetén ismerték fel. Ezt nevezik pigmens keverésnek. Ebben az esetben az alapszínek a kék, a sárga és a piros.
Festékek keverésekor a kapott szín az alkalmazott festékanyagok kémiai összetételétől is függ.
Elvileg a három alapszín feketét ad, a gyakorlatban azonban, a pigmentek tökéletlensége miatt, csak barna állítható elő.

A színes nyomtatás sokkal később alakult ki.
Ott úgynevezett szubsztraktív színkeverést alkalmaznak, aminek a sárga, a bíbor és a kékeszöld az alapszínei. Feketére itt is szükség van a megfelelő színtelítettség előállításához.
Az alábbi ábra egy ofszet nyomdagép esetén mutatja be hogyan áll össze az alapszínekből a kész színes kép.

A színes televízió és a színes monitorok esetén alkalmazott additív keverésnél: a vörös, a zöld és a kék alapszínekből alakul ki a teljes színskála. Ezt mutatja be az alábbi animáció.

Elég régóta ismert jelenség a lángfestés is.
Bizonyos fémek, illetve vegyületeik a lángot jellemző színűre festik.

Néhány jellemző fém lángfestése

Ezt a jelenséget használják az analitikában illetve a tűzijátékok pirotechnikai keverékeiben.
Könnyen kipróbálható otthon is, ha egy kis konyhasót (NaCl) a gázlángba szórunk, jól megfigyelhető a nátrium jellegezetes sárga lángfestése.

Színgyártás - Színkémia

A színek, színes anyagok előállításához nem feltétlenül kell ismerni a "fizikai-kémiai hátteret".
A legegyszerűbben ezt úgy oldották meg, hogy kerestek valamilyen anyagot, ami éppen olyan színű, amilyenre szükségük volt.
Aztán biztosan hamar rájöttek arra is, hogy két különböző színű anyag összekeverésével lehet készíteni egy harmadik színt.

Biztosan ezt a módszert alkalmazta az ősember is barlangrajzokon. Ezek egy része "fekete-fehér" volt, csak faszenet, kormot használtak hozzá. (A korom ma is nagyon elterjedt fekete pigment.)

A festékekkel kapcsolatos legrégebbi írásos anyag időszámítás kezdete előtt 2600 körülről maradt fenn Kínában.

Egyiptomban a legfontosabb vörös pigment a vízmentes vas(III)-oxid volt. A falfestményeken és a festett tárgyakon már a predinasztikus időkben (Kr. e. 5000-3000) megjelent. Később, a Kr. e. II. évezred táján realgárt, (arzén-szulfidot - As₄S₄) is használtak. Ez élénkebb színű volt a vas-oxidnál.
Két természetes fehér pigmentet, krétát (kalcium-karbonátot) és gipszet (kalcium-szulfátot) használtak. Egyes feltevések szerint mesterségesen előállított, fehér ólom-karbonáttal is dolgoztak.
Fekete pigmentként elsősorban kormot használtak.
Sárga pigmentnek eleinte okkert (hidratált vas(III)-oxid) használtak. Később felfedezték, hogy az auripigment (arzén-triszulfid) és az ólom-antimonát sárgára színezi az üveget.
Kék pigmentnek eleinte azurit (bázisos réz-karbonát) ásványt használtak, de ez elég halvány színt ad. Később mesterségesen előállított kalcium-réz-tetraszilikátot (CaCuSi₄O₁₀ vagy CuO, 4SiO₄) használtak.
Zöld pigmentként malachitot, krizokollát (réz-szilikátot) bázisos réz-acetátot, réz-oxidot és vas(III)-oxidot is használtak.

A festők hosszú időn keresztül saját maguk keresték meg a szükséges pigmenteket és azokból keverték ki a megfelelő színű festékeiket.

A kémiát szeretik úgy ábrázolni, hogy mindenféle színes löttyöket öntöget össze, amikből aztán színes füstök törnek elő.
A kémia persze nem csak színes anyagokkal foglalkozik, de a vegyiparnak egy lényeges területe a festékekkel, pigmentekkel foglalkozó szakterület.
Komoly iparág a festékek előállítása, de alapelvében nem változott. Ma is természetes vagy mesterséges vízben (illetve az adott oldószerben) oldahatatlan, megfelelő színű és megfelelő méretű szemcséket használnak a festékek színanyagához (pigmentjéhez).

Bármennyire meglepő a színes oldatok nem alkalmasak színezésre. A színhatás elérésséhez megfelelő méretű szemcsék kellenek. Amennyiben a színes anyag már a kötőanyaggal is úgy keveredik, hogy kicsi részecskéi valamivel nagyobbakká tömörülnek, és ez a méret higítószerben is ilyen marad, akkor festésnél - a higítószer elpárolgása, beszívódása, illetve beszáradása után - az adott anyagot színes réteg vonja be.

A fentebb említett okokból a növényi és állati eredetű színanyagok, amelyeket különböző termésekből, gyökerekből vonnak ki, önmagukban nem alkalmasok festésre.

Festékkészítéshez alkalmas, különböző színű pigmentek

Első lépésként egy rosszul oldódó hordozó anyaghoz kell ezeket kapcsolni, hogy ne alkossanak valódi oldatot, hanem megfelelő méretű részecskéket képezzenek. Már az ókorban is krétát, vagy márványlisztet használtak erre a célra.
Egyes színanyagokat pedig kémiai úton, pl. lúggal alakítottak át rosszul oldódó csapadékká.

A ruházat, textilanyagok festése elsősorban szerves eredetű festékekkel történik.

Moritz, hesseni tartománygróf családjával, August Erich 1630 körül készült képén az akkori ruhaviselet színei láthatók.

Sokáig csak természetes festékeket alkalmaztak. Később egyre több szintetikus festék jelent meg a textiliparban.

A textílanyagok festése is meglehetősen régi eredetű. Időszámítás előtt 700 körül már foglalkoztak gyapjúfestéssel Rómában.
A 2-3. századból már maradtak fenn bíborvörös textilek az indigó használata pedig még ennél is régebbi.
(Indigót használnak a kékfestők is - ez látható a képen.)
1788-ban kezdik el a pikrinsav használatát a gyapjú festésére, sárga festékként.
1856 William Henry Perkin leírja az első szintetikus festéket, a mályvaszínű anilint.

Néhány gyakran használt szerves festékanyag molakulaképe

indigó	anilin	pikrinsav

Nézzük mitől színes egy adott vegyület, vagy mondhatnám azt is nézzük a "színkémia" fizikai alapjait.
A molekulákban az elektronok kötő és nem-kötő molekulapályákon vannak.
A színes szerves molekulák különböző típusaiban lehetnek konjugált kettőskötések.
A molekula lehet lineáris (például a karotin), de a szénatomok gyűrűt is képezhetnek (például a klorofill).

béta-karotin	klorofill-a

Tartalmazhatnak hosszabb lineáris szakaszokat és a láncvégeken záródó gyűrűs elemeket is.
Az ilyen molekulákban vannak olyan delokalizált elektronok, amelyek mozgása a teljes molekulára kiterjedhet. A molekula hosszában mozgó szabad elektronok állapotát befolyásolja a két végén rögzített L hosszúságú húr mérete és állapotai.
A fentiekben már említett okok miatt a hosszabb molekulában az elektronok energiája kisebb adagokban változhat, a molekula kisebb frekvenciájú fény elnyelésére képes.
Például a karotinoidok családjába tartozó, fokozatosan növekvő számú szénatomot tartalmazó molekulák színe a sárgától a vörös felé változik.
A sárgarépa színét, a karotin kék tartományba eső elnyelése, a paradicsom vörös színét, a likopin zöldessárga tartományba eső elnyelésével alakul ki.
A piros paprika színéért felelős kapszorubin molekulában is olyan hosszúságú konjugált lánc található, amely a zöld fény elnyelését teszi lehetővé, a paprikát a zöld szín kiegészítő színében, pirosnak látjuk.

likopin

kapszantin (kapsanthin)	kapszorubin (kapsorubin)

A Szójegyzék keresőjébe beírva a színezékek vagy festékek keresőszót a lexikonomban megtalálható valamennyi vonatkozó címszó legyüjthető.

A természet színei

A természetben talán a kék (az égbolt) és a zöld (növényzet) a két leggyakoribb szín.

A kék szín oka a Lord Rayleigh brit fizikusról elnevezett Rayleigh-szóródás.
Az a fényszóródás, amelyet a fény hullámhosszánál kisebb tárgyak idéznek elő.
Intenzitása arányos a frekvencia negyedik hatványával.
A levegőt alkotó gázok molekuláin a kék fény erősebben szóródik az egyéb frekvenciájú összetevőknél ezért az égboltot kéknek látjuk.

A növények zöld színét a klorofill okozza.
Ez a porfinvázas magnézium-tartalmú komplex vegyület rendkívül fontos az élővilágban.
Ez biztosítja a fotoszintézis során a napfény energiájának az "elraktározását" szőlőcukor formájában, ami az élet alapját jelenti.

Színe azért zöld, mert elnyelése a kék és a vörös tartományban a legerősebb.
A virágok (pl. a képen látható íriszek) színpompáját, illetve a gyümölcsök színeit is számos szerves színezék biztosítja.

Növényi színezékek egyik jelentős csoportját az antocianinok alkotják. Nevük a görög virágkék szóból ered.
Három alap antocianidinre vezethetők vissza:

pelargonidin (narancs)	cianidin (vörös)	delfinidin (kék)

A természetben mindig cukorhoz kötve fordulnak elő.
A látható színt sohasem egyetlen vegyület, hanem különböző arányban jelenlevő, eltérő szerkezetű antocianinok alakítják ki.

Persze számos más színeket adó vegyület is előfordul a növényekben, pl. a karotin.

Az őszi levelek gyönyörű színeit az okozza, hogy a klofill elbomlása után a domináns zöld szín helyett láthatóvá válnak a növényekben található egyéb színes vegyületek pl. karotin, antocianinok.
Az említett színezékek cukorhoz kötődve találhatók a levelekben. Ősszel ezek is elbomlanak a cukrokat a növény elraktározza.
A megjelenő színek az adott levélben megtalálható vegyületektől, a lebomlás mértékétől és a levél pH-jától is függenek. Ha a sejtnedv kellően savas, a pigmentek élénkvörös színt idéznek elő, ha kevéssé savas, a szín inkább lilás.
Ezért alakul ki ezernyi színárnyalat ősszel.

Nagyon szép színeket produkálnak a természet bizonyos jelenségei is (pl. a szivárvány).
Napnyugtakor, napkeltekor, szürkületben érdekes fényviszonyok alakulnak ki és a színek is teljesen másképpen látszanak.
Ha ehhez még különböző vastagságú felhőzet is társul, akkor különösen érdekes szín- és fényjelenségek alakulhatnak ki.

A színpompás naplementék oka szintén a fényszóródás.
Mivel délután nő a beeső napsugarak hajlásszöge, a fény egyre nagyobb levegő- és porrétegen keresztül jut a megfigyelő szemébe.
A napfény ibolya és kék színű sugarai szétszóródnak, a megmaradt zöld, sárga, narancs és vörös színű sugarak "eredőjeként" sárga színt láthatunk.
A fény útjában lévő légréteg vastagodásával a rövidebb hullámhosszak fokozatosan tűnnek el, így a Nap és az ég alja egyre vörösebbé válik, miközben a megfigyelő fölött az égbolt egyre sötétebb kék lesz.

Az "ezerarcú naplemente" néhány arca

(saját fotóim)

Felhasznált irodalom