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Farbmittel und Färbeverfahren - Referat
Farbstoffe und Färbeverfahren
Der Mensch hatte schon von früher her das Bedürfnis seine Umwelt mit Farben zu schmücken. Archäologische Funde belegen, dass bereits in der Steinzeit Farbmittel zum Schminken, zum Färben von Stoffen oder auch für die Höhlenmalerei verwendet wurden. Die Farbpigmente wurden damals zum Teil mit härtenden Ölen angerührt, woraus sich dann langsam die Ölfarben entwickelt haben.
Seit dem Altertum ordnete man den Farben eine symbolische Wirkung zu. Rot war z.B. für die Ägypter Symbol der Zerstörung, für die Römer andererseits, war es das Sinnbild für die Liebe oder die Farbe der Kaiser und des Adels.
Die Kunst des Färbens gilt als eines der ältesten Kunsthandwerke in der Menschheitsgeschichte.
Einen vorläufigen Höhepunkt erreichte das Färberhandwerk durch das Aufblühen der Zünfte im Mittelalter und durch die Entdeckung neuer Seewege.
Mit dem Beginn der Industrialisierung entstanden aber Manufakturen und Betriebe, die mit technischen Maschinen arbeiteten und das traditionelle Handwerk verdrängten. Die entscheidende Grundlage für die Entwicklung der modernen Farbstoffchemie bildete die Entdeckung des Phenols und des Anilins im Steinkohleteer durch den deutschen Chemiker Friedlieb Ferdinand RUNGE im Jahre 1834.
Heutzutage werden Farbstoffe und Pigmente allgemein sehr häufig in der Industrie eingesetzt um Lebensmittel, Textilien, Anstrichstoffe, Druckfarben oder kosmetische Artikel zu färben oder evtl. Farbverluste auszugleichen.
Aber vor allem die Lebensmittelindustrie benützt unter anderem auch künstliche Farbstoffe um Lebensmittel verlockender zu gestalten. Doch vor allem diese künstlichen Farbstoffe sind sehr bedenklich und man sollte sie nach Möglichkeit immer vermeiden.
Farbstoffe sind im Gegensatz zu den wasserunlöslichen Pigmenten oft löslich in Wasser oder anderen Lösungsmitteln. Dadurch können sie Textilmaterialien wie Baumwolle, Seide und Wolle anfärben. Bei diesem Färbevorgang gehen die Farbstoffe chemische Verbindungen mit Atomen oder Atomgruppen der Stofffasermoleküle ein, ohne dass jegliche Arten von Bindemittel benötigt werden. Viele der heutigen Textilfarbstoffe werden künstlich aus Erdölprodukten hergestellt.
Kurze Einführung warum Gegenstände farbig erscheinen
Alle Gegenstände absorbieren Wellenlängen von Licht. Ein Gegenstand erhält die Farbe, deren Wellenlänge er nicht absorbiert, sondern reflektiert. Das bedeutet dass, ein roter Gegenstand rot erscheint, weil er eben genau diese Wellenlänge von Licht nicht absorbiert. Die dabei entstehende Farbe bezeichnet man als Komplementärfarbe zur absorbierten Farbe.
Wenn Gegenstände Licht von einer bestimmten Wellen absorbieren, gehen die Elektronen der Moleküle einer Verbindung von einem bestimmten Grundzustand durch Energieerhöhung in einen angeregten Zustand über.
Die Elektronen nicht bindender Elektronenpaare, besonders aber die der Doppelbindungen können durch geringe Lichtmengen angeregt werden. Die Farbigkeit eines Gegenstands ist also an das Vorhandensein leicht verschiebbarer Elektronen gebunden.
Mit wachsender Molekülgröße steigt auch die Wellenlänge des absorbierenden Lichts. Und das bedeutet, dass sich das Absorptionsmaximum immer mehr in den Bereich des sichtbaren Lichts verschiebt. Die Farbintensität eines Gegenstands nimmt daraufhin zu.
Das menschliche Auge registriert nur einen sehr kleinen Teil der gesamten elektromagnetischen Strahlen. Obwohl wir z.B. wissen, dass es auch infrarotes und ultraviolettes Licht gibt, kann unser Auge das nicht wahrnehmen.
Gelangt das sichtbare Licht mit hinreichender Intensität ins Auge, so werden dem Gehirn Signale übermittelt, die zu Farbeindrücken führen.
Einteilung der Farbmittel
Farbmittel werden in zwei Gruppen eingeteilt: anorganische und organische Farbmittel, wobei die anorganischen Farbmittel jedoch nicht auf Naturfasern haften und somit praktisch unbrauchbar sind.
Bei den organischen Farbmitteln unterscheidet man noch zwischen den organischen Farbstoffen und den organischen Pigmenten. Diese beiden Gruppen lassen sich wiederum in natürliche und synthetische Farbstoffe und Pigmente gliedern.
Eine weitere Gruppe bilden noch die naturidentischen Farbstoffe. Das sind synthetische Nachahmungen von in der Natur vorkommenden Substanzen.
Naturfarben werden jedoch heutzutage immer mehr von synthetischen Farbstoffen verdrängt.
Natürliche Farbstoffe
In der Natur spielen Farben und Farbstoffe bei Tieren und Pflanzen eine bedeutende Rolle. Das grüne Chlorophyll ermöglicht in der Pflanze die Fotosynthese, oder verschiedene Tierarten können sich an ihrem Färbemuster gegenseitig erkennen. Ein weiteres Beispiel wäre der rote Blutfarbstoff Hämoglobin, der die Fähigkeit besitzt Sauerstoff zu binden und abzugeben.
Farbe ist außerdem auch bei der Tarnung und bei der Balz von großer Bedeutung.
Zu den Naturfarbstoffen bzw. -pigmenten gehören Produkte aus pflanzlicher oder tierischer Herkunft wie Pflanzenteile, Blüten, Tierschalen, Indigo, Krappwurzel, Vitamin B2, Safran, das aus Läusen gewonnene Cochenille oder das kostbare Purpur, welches aus der Drüse der Purpurschnecke gewonnen wird.
Purpur war deshalb so wertvoll, da man nirgendwo anders in der Natur ein solch feuriges Rot finden konnte. Doch für das Färben einer römischen Toga benötigte man 100 000 Purpurschnecken! Das erklärte auch warum nur der römische Cäsar oder andere Kaiser oder Könige Purpurgewänder tragen durften (deshalb auch "Königspurpur" genannt).
Synthetische Farbstoffe
Die wichtigste Klasse synthetischer Farbstoffe ist die der Azofarbstoffe (franz. Azote = Stickstoff und griech. azotikos = das Leben nicht unterhaltend). Azofarbstoffe zeichnen sich durch große Farb- und Lichtechtheit aus und sind daher sehr beliebte Färbemittel.
Alle Moleküle der Azofarbstoffe lassen sich von der folgenden Formel ableiten: R-N=N-R´
Die Entwicklung des ersten synthetischen Farbstoffs geschah eher zufällig. Im Jahre 1856 versuchte der engl. Student William PERKIN durch die Oxidation von Anilin Chinin, ein fiebersenkendes Mittel herzustellen. Er erhielt eine schwarzviolette Masse aus der er durch Extraktion mit Alkohol einen violetten Farbstoff isolieren konnte, den er Mauvein nannte. PERKINS Farbstoff war der erste künstlich hergestellte Anilinfarbstoff, der im Gegensatz zu den Naturfarbstoffen leuchtend und dauerhaft gefärbte Stoffe ergab. (Strukturmerkmal ebenfalls N=N Bindung)
Heute sind mehr als 5000 synthetisch hergestellte Verbindungen als Farbstoffe im Handel.
Indigo und Küpenfärbung
In der Geschichte der Farbmittel spielte nämlich der Indigo eine große Rolle, denn er ist einer der ältesten und wichtigsten organischen Farbpigmente mit dem schon vor Jahrtausenden weltweit Kleider und Teppiche gefärbt wurden. Heutzutage findet er auch bei der Jeansfärberei Verwendung.
Indigo ist im reinen Zustand ein dunkelblaues, kupferrot schimmerndes Pulver, das weder in Wasser noch in Alkohol löslich ist.
Bis im Jahre 1878 Adolf v. Baeyer die Synthese von Indigo gelang, wurde er aus den Blättern der asiatischen Indigopflanze oder aus dem europäischen Färberwaid gewonnen.
Die Pflanzen wurden während der Blütezeit geerntet und in Holzkübeln, den sog. Küpen (von lat. cuba = Tonne), mit Wasser und fauligem Urin vermengt und einer Gärung unterworfen. Nach einer Lagerzeit von mehreren Wochen wiederholte man diesen Vorgang. Dabei bildet sich aus dem farblosen Indican durch enzymatische Spaltung das ebenfalls farblose Indoxyl, das erst später durch Oxidation an der Luft zum blauen Indigo wird. Bei der Oxidation verbinden sich zwei Indoxyl-Moleküle zu einem Indigo-Molekül.
Da Indigo selbst nicht wasserlöslich ist, kann es noch nicht zum Färben benutzt werden. Durch Reduktion erhält man das wasserlösliche Leukoindigo (griech. leukos = weiß), das in die Faser eindringen kann. Als Reduktionsmittel wird meist Natriumdithionit (Na2S2O4) in alkalischer Lösung verwendet.
Die erhaltene Brühe wurde als Küpe und die Färbetechnik als Küpenfärbung bezeichnet.
In diese Küpe tauchte man die Textilien für eine Stunde. Diese waren nach der Färbung zunächst schwach gelblich gefärbt, nahmen aber durch Oxidation an der Luft die blaue Farbe des Indigos an.
Daher stammt auch das Sprichwort "Blau machen" ab, denn die Indigo-Färber konnten sozusagen mit den Händen in der Tasche zuschauen, wie sich ihr Stoff blau färbt. Sie hatten also "blau gemacht".
Ebenso 2. Sprichwort: Sein blaues Wunder erleben.
Baumwolle lässt sich allgemein mit vielen Küpenfarbstoffen ausgezeichnet färben. Neben Indigo existieren weitere wasserunlösliche Farbstoffe, wie z.B. die Indanthrenfarbstoffe. Auch diese werden erst durch Reduktion in lösliche, meist farblose Verbindungen, die Leukoformen, gebracht. Hierbei werden die Carbonylgruppen der Moleküle in alkalischer Lösung reduziert. Die Lösungen bezeichnet man dann wieder als Küpe.
(siehe auch Versuche zur Küpenfärbung)
Versuch 1: Küpenfärbung - Indanthrenfarbstoffe
Chemikalien:
Indanthrengelb
Natronlauge (32%)
Hydrosulfit (Reduktionsmittel)
Natriumperbonat (Oxidationsmittel)
Geräte:
weißes Baumwolltuch
Waage
Spatel
2 Bechergläser
Messpipette
Thermometer
Bunsenbrenner
Schutzbrille
Durchführung:
- gebe 400 ml heißes Wasser (50°C) in ein
Becherglas
- löse darin 0,6 g Indanthrengelb (nun ensteht
eine Suspension) und füge 6 ml Natronlauge
(Lösung wird alkalisch) und 2 g Hydrosulfit
hinzu
- lasse diese Lösung ca. 10 min stehen
- gebe das Baumwollstück hinein und färbe 30
min bei 50°C; anschließend wird gespült
- gebe in das zweite Becherglas 400 ml warmes
Wasser (50°C)
- füge 1 g Natriumperbonat hinzu und gebe das
gespülte Baumwollstück hinein
- nach 15 min wird wieder gespült
Ergebnis: das Baumwolltuch wurde gelb gefärbt.
Versuch 2: Küpenfärbung - Indigo
Chemikalien:
Indigo
Natriumhydrosulfit (Reduktionsmittel)
Natriumhydroxid
Geräte:
weißes Baumwolltuch
Waage
2 Bechergläser
Spatel
Bunsenbrenner
Dreifuß
Drahtnetz
Thermometer
Schutzbrille
Durchführung:
- rühre 1 g Indigo, 10 g Natriumhydrosulfit und
7,5 g Natriumhydroxid (beides im Becherglas
aus Plastik; Vorsicht siedet stark!) in 40 ml
warmes Wasser (80°C)
- gib die Lösung in ein Becherglas mit 1 Liter
heißem Wasser (evtl. Blaufärbung an der
Oberfläche da hier schon Oxidation
stattgefunden hat)
- gib nun das Baumwolltuch hinein und erhitze
zum Sieden
- nach etwa 5 min wird das Tuch wieder
herausgenommen, gründlich gespült und zum
Trocknen aufgehängt
Ergebnis: Baumwollstoff wurde blau gefärbt.
Zusatz: Reibe den trockenen Stoff auf einem Blatt Papier
Beobachtung: Indigo-Farbstoff ist zwar licht- und wasserfest, es besteht aber keine Reibeechtheit! Deshalb Verblassung des Farbtons an stark beanspruchten Stellen (siehe Jeans)
Quelle(n) für dieses Referat: Bücher:
- Chemie, Schroedel Verlag (1998), Kapitel 18,
S. 338-353
- Elemente-Chemie II Gesamtband, Ernst-Klett
Verlag, Stuttgart 2000
Internet:
http://www.seilnacht.tuttlingen.com/Lexikon/Farbstof.html
http://www.2k-software.de/ingo/farbe/sorg.html
http://www.gym1.at/chemie/matura/lebensm/farbst.htm
http://www.rossleben2001.werner-knoben.de/doku/kurs72web/node4.html
http://home4u.de/bg/ch-farb.htm
http://www.rossleben2001.werner-knoben.de/doku/kurs72web/node5.html
http://www.2k-software.de/ingo/farbe/faerben.html
Kommentare zum Referat Farbmittel und Färbeverfahren:
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