Facharbeit einführung in die facharbeit, analyse

. Vorwort Bei der Themenwahl für die Facharbeit habe ich mich schon sehr früh für das Thema Farbstoffe entschieden, vor allem, weil ich mich für die organische Chemie und die Entstehung von Farbe interessiere. Auf die Azofarbstoffe bin ich durch das Chemie-Buch gestoßen, ich hätte gerne auch andere Farbstoffe als Thema für meine Facharbeit genommen, nur leider hat bereits im letzten Jahr ein Schüler die Indigo-Farbstoffe als Thema für seine Facharbeit gewählt. Aber ich denke, dass die Größe der Azofarbstoffgruppe, deren Wichtigkeit zeigt. Zusätzlich kann ich im Rahmen der Facharbeit Kenntnisse über einige chemische Besonderheiten und Sachverhalte gewinnen, die mich ebenfalls schon seit geraumer Zeit interessieren, z.B. das π-Elektronensystem. Mit dem Färbeversuch verbinde ich den theoretischen Teil meiner Facharbeit mit der Anwendung der Azofarbstoffe in der Färbeindustrie.

2. Einführung in die Facharbeit

2.1 Definition von Farbstoffen

Farbstoffe sind organische Verbindungen, die aus dem sichtbaren Teil des Spektrums gewisse Wellenlängen reflektieren, bzw. absorbieren. Es gibt Naturfarbstoffe, die in der Natur vorkommen, und synthetische Farbstoffe, die künstlich hergestellt werden. Heutzutage werden fast ausschließlich synthetische Farbstoffe verwendete. Man unterscheidet Farbstoffe nach chemischen und färberischen Gesichtspunkten.

2.2 Azofarbstoffe

Azofarbstoffe gehören zu der Gruppe der Teerfarbstoffe, die vor allem aus organischen Verbindungen wie Leichtölen und Mittelölen hergestellt werden. Alle Azofarbstoffe werden synthetisch und nach dem gleichen Prinzip hergestellt. In der Natur kommen sie nicht vor. Als erster Azofarbstoff wurde 1861 Anilingelb synthetisiert. Bis heute sind über hunderttausend verschiedene Azofarbstoffe bekannt, von denen jedoch nur ein Bruchteil fabrikmäßig hergestellt wird. Damit sind sie die am meisten hergestellten und verwendeten synthetischen Farbstoffe weltweit.
Der Name leitet sich von der Azogruppe ab, die jeder Azofarbstoff besitzt. Sie besteht aus zwei, über eine Doppelbindung verbundenen Stickstoffatomen. Enthält das Farbstoffmolekül zwei Azogruppen, so entsteht ein Bisazofarbstoff, bei drei Azogruppen ein Trisazofarbstoff usw.


2.3 Unterscheidung von Azofarbstoffen

Die Azofarbstoffe enthalten ein breites Sortiment an unterschiedlichen, nach chemischen Gesichtspunkten unterteilten, Farbstoffarten. Die Wichtigsten sind saure und basische Farbstoffe, sowie Direkt- und Reaktivfarbstoffe. Die sauren, bzw. anionischen Farbstoffe enthalten Sulfongruppen und bilden ionogene Bindungen mit positiv geladenen Teilen einer Faser. Bei den basischen, bzw. kationischen Farbstoffen werden basische Gruppen eingebaut und bilden ionogene Bindungen mit negativ geladenen Teilen einer Faser. Reaktivfarbstoffe reagieren direkt mit Teilen der Faser, sodass Elektronenpaarbindungen zwischen Farbstoff und Faser entstehen.
Direktfarbstoffe haften durch Wasserstoffbrückenbindungen auf der Faser

3. Analyse von Azofarbstoffen

3.1 Chemische Zusammensetzung von Azofarbstoffen

Azofarbstoffe bestehen aus mindestens einer Azogruppe (N=N) und zwei aromatischen Systemen, d.h. ringförmige Strukturgebilden, die an die Azogruppe angebunden werden. Als vereinfachte Strukturformel ergibt sich damit A-N=N-B, wobei A und B zwei verschiedene oder gleiche aromatische Moleküle darstellen. Einige einfache Beispiele für die Atomkomplexe A und B:





3.2 Die Azobindung
Die Azobindung ist ein Chromophor , d.h. die Stickstoffdoppelbindung ist für die Farblichkeit der Azofarbstoffe mitverantwortlich. Sie ist die Verbindung zwischen aromatischen Ringsystemen und aufgrund der konjugierten Elektronendoppelbindungen, die sich sowohl auf aromatischen Systemen, als auch auf die Azobindung erstrecken entstehen delokalisierte Elektronen, die sich aufgrund der freien Beweglichkeit verschieben können.


3.3 Reaktionsdarstellung


2.3.1 Benötigte Chemikalien

Natriumnitrit, Schwefelsäure , aromatische Systeme


3.3.2 Reaktionsbeschreibung

Die Reaktion zur Herstellung von Azofarbstoffen erfolgt in zwei Schritten.
Im ersten Schritt, der Diazotierung, reagiert ein aromatisches Amin mit salpetriger Säure . Es wird durch salpetrige Säure in ein Diazoniumsalz überführt:

Diese Reaktion findet im sauren Milieu statt (s. Schwefelsäure, salpetrige Säure), dabei reduziert die H2SO4 zu HSO4-. Das aromatische Amin oxidiert. Bei dieser Reaktion werden 2 H2O frei. Das Diazoniumsalz liegt nun in dieser Form vor:


Im zweiten Schritt, der Kupplungsreaktion, wird das Diazoniumsalz an ein aromatisches System gekuppelt. Aufgrund der delokalisierten positiven Ladung ist das Diazoniumsalz nur schwach elektrophil und kann nur an stark Elektronen liefernde Stoffe, wie Aromaten gebunden werden, dabei oxidiert HSO4- wieder zu H2SO4, da bei der Kupplung H+ frei wurde.

Azofarbstoffe sind also aus einer Diazokomponente und einer Kupplungskomponente aufgebaut.

3.3.3 Praktische Umsetzung

Für die Durchführung im Labor ergeben sich einige Schwierigkeiten, denn die Edukte, die zur Herstellung von Azofarbstoffen gebraucht werden sind zum Teil giftig, krebserregend, brandfördernd und ätzend und müssen mit besonderer Vorsicht verwendet werden.
Weitere Schwierigkeiten ergeben sich dadurch, dass das Diazoniumsalz eine sehr instabile Verbindung ist. Die Temperatur muss durch Eis soweit herabgesetzt (4°C)werden, damit ein explosionsartiger Zerfall verhindert wird. Bei Raumtemperatur zerfällt das Diazoniumsalz in NO und das aromatische Amin. Abgesehen davon, dass Stickoxide gesundheitsschädlich sind, liegt es sicherlich nicht im Interesse, das Produkt wieder zerfallen zu lassen. Der entstandene Farbstoff ist im Gegensatz zu seinen Edukten in den meisten Fällen nicht giftig. Zur Abtrennung, bzw. Weiterverarbeitung können die Farbstoffe mit Kochsalz ausgesalzen und anschließend abfiltriert werden.








3.4 Löslichkeitsverhalten
Das Löslichkeitsverhalten der Azofarbstoffe ist besonders für die Färbung von Bedeutung, da geeignete aromatische Komplexe gefunden werden müssen, die die gewünschten Eigenschaften des Azofarbstoffes hervorrufen, möglich ist aber auch, ein geeignetes Lösungsmittel zu finden. Allgemein sind auch das zu färbende Gewebe und sein Einsatzort zu berücksichtigen.
Als organische Verbindungen lösen sich Azofarbstoffe mehr oder weniger gut in vielen organischen Lösungsmitteln, teilweise auch in wässriger Umgebung. Die Löslichkeit von Farbmitteln lässt sich auf zwei Arten verringern:
1. durch Vergrößerung des Moleküls
2. durch die Einführung von gegenüber dem Lösungsmitteln gegenüber dem Lösungsmittel inerten Gruppen.


3.5 Farblichkeit der Azofarbstoffe

Wie alle Farbstoffe absorbieren, bzw. reflektieren auch Azofarbstoffe aus dem sichtbaren Teil des Spektrums gewisse Wellenlängen.
"Die Farbigkeit der Azofarbstoffe kommt durch die Ausbildung eines mesomeren Doppelbindungselektronensystems zustande, das sich über Benzolkerne und Azogruppe erstreckt" . Das bedeutet, dass für den Farbeffekt im Grunde delokalisierte Elektronen verantwortlich sind.
Delokalisierte Elektronen am Beispiel von Benzol:
Der Benzolring hat eine ganz besondere Eigenschaft, jedes C-Atom besitzt nach den drei Einfach-Bindungen noch ein freies p-Orbital. Diese p-Orbitale sind somit gleich weit voneinander entfernt; aus der Sicht eines einzelnen p-Orbitals sind die beiden benachbarten p-Orbitale also völlig gleichberechtigt. Um den energetisch günstigsten Zustand zu erreichen springt das Elektron, bei der Absorption von Licht (=Energie), in ein energetisch höher liegendes unbesetztes Orbital und verschmilzt mit beiden benachbarten p-Orbitalen. Wenn alle sechs p-Orbitale so reagieren dann entsteht eine ringförmig geschlossene Elektronenwolke, in der sich die einzelnen Elektronen, die man jetzt π-Elektronen nennt völlig frei bewegen können. Die Elektronen sind delokalisiert und Verbindungen dieser Art sind besonders stabil.


Benzol
Nach dem gleichen Prinzip, bilden die Azogruppe und die aromatischen Systeme im Azofarbstoff ein delokalisiertes Elektronensystem.
Wie bei den meisten Azofarbstoffen der Fall, befinden sich an den aromatischen Systemen verschiedene Substituenten , wie -NH2, -COOH, -SOH, -OR und andere, die das System aus delokalisierten Elektronen beeinflussen. Ein Substituent des Benzolrings übt entweder einen aktivierenden Effekt aus, indem er Elektronendichte auf den Ring überträgt, oder er deaktiviert diesen, indem er Elektronendichte abzieht, das Abziehen oder Liefern von Elektronen kann entweder durch Induktive - oder durch Resonanz-Effekte zustande kommen.
Aktivierende und deaktivierende Substituenten am Benzolring: s. Material
Beispiel für eine Elektronendichteverringerung/Deaktivierung:

Durch die, durch die Azogruppe verbundenen aromatischen Systeme können erhöhte, bzw. verringerte Elektronendichten über die Azogruppe ausgeglichen werden, weil die Azogruppe eine π-Elektronen-Verschiebung ermöglicht. Besitzt das aromatische System eine höhere Elektronendichte, so bezeichnet man es als Auxochrom, besitzt es dagegen eine verringerte Elektronendichte, heißt es Antiauxochrom. Sind beide Gruppen im Azofarbstoff vertreten (Auxochrom-N=N-Antiauxochrom), so verschiebt sich die Elektronendichte zur Seite des Antiauxochroms.


3.6 Besondere Azofarbstoffe

Besondere Azofarbstoffe sind unter anderem die Indikatoren. Der im praktischen Teil verwendete Azofarbstoff ist ein Indikator. Indikatoren ändern bei pH-Wert Erhöhung, bzw. Senkung ihre Farbe. Bei Methylorange, dem von mir verwendete Indikator, lagert sich, wenn sich die Lösung im Sauren befindet, das H+ an den Azofarbstoff an, genauer gesagt an das Stickstoffatom, das der antiauxochromen Gruppe näher ist. Der Umschlagsbereich ist pH 3,0 - 4,4 (Farbwechsel von Rot nach Gelborange). Durch Addition eines Protons an ein N-Atom der Diazogruppe wird das p -System stärker delokalisiert und je ausgedehnter das π-Elektronensystem eines Azofarbstoffes ist, desto größer ist die Wellenlänge des absorbierten Lichtes (Gelborange: λ=473nm; Rot: λ=510nm .