Какого это цвета?

Из многих загадок природы явления, связанные со светом, – одни из самых удивительных. Окружающий нас мир окрашен во все цвета радуги. Поразительно многообразно раскрашены цветы, бабочки, птицы. В осеннем лесу – сотни оттенков зеленого, желтого, красного. Но из всех животных лишь немногие воспринимают окружающий мир красочным, большинство же не различает цвета.

Окраска предметов возникает в результате избирательного поглощения красителем отдельных «цветов радуги» из смеси всех цветов, т. е. из белого света. В природе окрашенные вещества образуются или исчезают в результате множества химических реакций. Считается, что у каждого окрашенного вещества свой цвет и любой человек (если он не дальтоник) может достаточно уверенно определить этот цвет. Однако у каждого правила есть исключения.

Прежде всего, однозначно определяются только чистые (так называемые монохроматические – от греч. mono – «один» и chroma – «цвет») цвета, например цвет лазерного луча. Чистые цвета встречаются в жизни не так часто. Поэтому изобретено много слов, обозначающих различные оттенки: бирюзовый, лазоревый, вишневый, бежевый, каштановый, цвета морской волны, слоновой кости… А для непонятного грязноватого оттенка употребляют даже слово «серо‑буро‑малиновый». Кстати, деление видимого спектра на семь цветов – условное. Действительно, кто же видел в радуге все цвета – от красного до фиолетового? Почему же цветов в радуге именно семь? С древних времен число 7 почиталось как магическое. Возможно, это связано с тем, что в старину было известно всего семь металлов (золото, серебро, медь, железо, свинец, олово, ртуть), а также семь движущихся небесных тел (в отличие от так называемых неподвижных звезд), которые сопоставлялись с металлами: Солнце (золото), Луна (серебро), Меркурий (ртуть), Венера (медь), Марс (железо), Юпитер (олово) и Сатурн (свинец): «Семь металлов создал свет по числу семи планет». Как результат – масса пословиц и поговорок, в которых фигурирует семерка (попробуйте вспомнить хотя бы десяток из них).

Древние изображения на современных почтовых марках семи небесных тел, соответствующих им богов и алхимических знаков металлов

Человеческий глаз легко обмануть. Изданы специальные альбомы под названием «оптические иллюзии», в которых прямые кажутся кривыми и наоборот, более длинные отрезки – короткими, а круги – овалами и т. д. Иллюзии бывают и цветовые. Самая известная (в то же время самая удивительная) состоит в том, что смесь всех цветов спектра в определённой пропорции воспринимается нами как белый цвет. Всем известен бурый «цвет йода». На самом деле бурый цвет имеет не сам йод, а йодная настойка. Кристаллический йод имеет серый цвет, а его кристаллы обладают металлическим блеском. Пары́ йода фиолетовые; такой же цвет имеют растворы йода в так называемых инертных растворителях – четыреххлористом углероде, гексане (этот углеводород – один из компонентов бензина) и др. Растворы йода в бензоле или в спирте бурые из‑за того, что йод образует с молекулами этих веществ комплексы. Если капнуть йодной настойкой на ломтик сырого картофеля или белого хлеба, появится синее окрашивание. Это – цвет комплекса йода с крахмалом. Такой же цвет и у дезинфицирующего вещества йодинола, которым полощут горло; в нем йод образует комплекс с поливиниловым спиртом – этот комплекс удлиняет воздействие йода, а также уменьшает его раздражающее действие. Новозеландский преподаватель химии из Палмерстон‑Норта (найдите этот город на карте!) Тревор Китсон любит озадачивать своих учеников таким трюком. Сначала он рассказывает им, что растворимость различных веществ зависит от полярности растворителя. Полярными называется растворители, молекулы которых несимметричны, причем разные их части имеют противоположные заряды. Например, вода – сильнополярный растворитель, поэтому в ней хорошо растворяются многие ионные соединения, например соли. В то же время неполярные симметричные молекулы серы S8 и белого фосфора Р4 в воде не растворяются.

Полярность определяет и возможность взаимного смешения двух жидкостей. Это подметили еще алхимики, сформулировав правило «подобное растворяется в подобном». Например, полярная вода не смешивается с неполярным гексаном. Гексан – очень легкая жидкость (плотность 0,65 г/см3), поэтому, если налить в один сосуд воду и гексан, слой гексана будет вверху. Но так как обе жидкости бесцветны, Китсон сообщает учащимся, что четкая граница между ними будет хорошо видна, если подкрасить воду перманганатом калия (это вещество часто называют «марганцовкой»). Он достает из картонной коробки две колбы – с гексаном и с красно‑фиолетовым раствором перманганата, отливает из каждой понемногу в цилиндр и показывает, что нижний, водный слой, окрашенный в знакомый всем цвет KMnO4, отделен от бесцветного верхнего слоя гексана четкой границей. Оставив цилиндр на столе, он убирает колбы обратно в коробку и продолжает урок. Через некоторое время ему требуется повторить опыт. Снова из коробки достаются две колбы – с прозрачной и красно‑фиолетовой жидкостью, которые наливаются во второй цилиндр. Но на этот раз окрашенный раствор почему‑то оказывается наверху!

Китсон хватается за голову: «Да что же это такое! Почему мне так не везет? Вечно эти химикаты надо мной издеваются!». И лишь самые догадливые ученики понимают, что преподаватель их просто разыгрывает. Но в чем тут дело, они, конечно, объяснить не могут. Тогда Китсон добавляет в первый цилиндр воду из‑под крана, а во второй – гексан. Результат тоже удивительный: в первом цилиндре увеличивается в объеме нижний, бесцветный слой (там и была вода), а во втором – верхний, окрашенный! Становится очевидным, что окрашенный слой во втором цилиндре – вовсе не водный раствор перманганата, а раствор в легком гексане. «Но ведь перманганат калия KMnO4 – это полярная соль, – удивляются ученики. – И вы сами говорили, что в гексане он растворяться не должен!». «А это вовсе и не перманганат, а йод, – сообщает преподаватель. – Молекулы йода неполярные, поэтому йод хорошо растворяется в гексане».

Но почему же раствор йода в гексане перепутали с раствором перманганата в воде? Оказывается окраска у этих растворов почти одинаковая. Происходит так потому, что оба раствора поглощают свет с длиной волны от 400 до 600 нм, причем максимум поглощения в обоих случаях тоже совпадает (около 520 нм). Поэтому если удачно подобрать концентрацию веществ, то на глаз такие растворы невозможно различить! В то же время отличить один раствор от другого очень легко с помощью прибора, регистрирующего спектр, то есть поглощение раствором света с разной длиной волны. Полоса поглощения йода «гладкая», тогда как на полосе перманганата четко видны отдельные зубцы.

Другой «фокус» связан с тем, что некоторые вещества могут иметь одновременно разный цвет! Как же такое возможно? Известно множество соединений, которые могут излучать свет, оставаясь холодными. Такие вещества называют люминофорами (от лат. lumen – «свет» и греч. phoros – «несущий»). Твердые неорганические люминофоры состоят обычно из оксидов, сульфидов, фосфатов и силикатов металлов с активирующими добавками сурьмы, марганца, олова, серебра, меди и других тяжелых металлов. Порошок люминофора светится, когда на него попадает синий или ультрафиолетовый свет – как в ртутных лампах или поток быстрых электронов – как на экранах телевизоров и мониторов компьютеров (не жидкокристаллических).

После возбуждения вещество может излучить свет практически сразу. Такое свечение называют флуоресценцией (или флюоресценцией) – от названия минерала флюорита (CaF2), у которого впервые обнаружено это явление. Химики синтезировали множество соединений, способных светиться разными цветами, оставаясь холодными. Флуоресцируют некоторые шампуни и экстракты для ванн, яркие краски бакенов, цветных афиш, дорожных знаков, деталей одежды. Флуоресценцию можно наблюдать у специальных красок для фломастеров (маркеров), когда их освещают солнечным светом.

Хинин

Все эти флуоресцирующие красители поглощают фиолетовые и синие солнечные лучи, энергия которых высока, а излучают зеленые, оранжевые или красные – с меньшей энергией. Флуоресцируют в ультрафиолете специальные Хинин краски, используемые при изготовлении банкнот; так кассиры проверяют их подлинность. Сильной флуоресценцией обладает хинин – сложное органическое соединение, которое используют не только как лекарство от малярии, но и добавляют к тонизирующим напиткам для придания им чуть горьковатого привкуса; такие напитки ярко светятся под действием ультрафиолетовых лучей.

Флуоресцирующие краски и волокна на бумажных купюрах ярко светятся в ультрафиолетовых лучах. Эти краски – одно из средств защиты денег от подделки

Флуоресценцию используют не только для изготовления красок. Вот только один пример. В США решили посмотреть, как пресная вода реки Гудзон смешивается с соленой водой Атлантического океана. С этой целью в реку вылили бочку (400 литров) флуоресцирующего красителя родамина. А измерять флуоресценцию современные приборы могут с очень высокой чувствительностью. Так, родамин можно заметить при разведении в 100 миллиардов раз – т. е. 1 г, растворенный в 100 000 т воды – это почти 1700 больших железнодорожных цистерн! Флуоресцентное излучение распространяется во все стороны. Если в колбу налить, например, щелочной раствор красителя флуоресцеина, то такой раствор будет обладать одновременно двумя цветами. Если на него смотреть прямо, так чтобы колба находилась между источником света (например, лампой) и глазом, то в проходящем свете этот раствор будет желтоватокрасным. Если же расположить колбу сбоку от лампы (лучше люминесцентной), то раствор будет иметь очень красивый зеленый цвет! Это цвет флуоресцентного излучения с длиной волны 513 нм, которое возникает при поглощении раствором в более коротковолновой части спектра. Во время Второй мировой войны двунатриевую соль флуоресцеина вследствие ее исключительно яркой флуоресценции при дневном свете использовали для покрытия морских опознавательных знаков.

Флуоресцеин

Говоря о флуоресцеине, невозможно не вспомнить знаменитого американского физика Роберта Вуда, любившего пошутить. Вот как описан его «эксперимент» с этим веществом в книге В. Сибрука «Роберт Вуд. Современный чародей физической лаборатории». Флуоресцеин «Даже для свадебной поездки Вуд не упустил возможности химической шутки. Одним из веществ, которые студенты Ремсена [1] приготовляли, был флуоресцеин, то самое удивительное соединение, крупинка которого, величиной с булавочную головку, растворенная в бочке воды, заставляет ее светиться под лучами солнца изумрудно‑зеленым светом. Летчики, сбитые и спустившиеся на воду в теперешней войне, применяют его, чтобы создать огромное зеленое пятно на поверхности воды, которое легко заметить со спасательного самолета. Йеллоустонский парк, который он посетил в предыдущем году, тоже вошел в маршрут путешествия, и Вуду пришло в голову, что гейзер «Старый Верный» будет удивительным зрелищем, если в нем растворить достаточную дозу флуоресцеина. Он приготовил пинту этого вещества, в виде густой темно‑коричневой жидкости, закупорил его как следует в широкогорлую бутылку – этого количества вполне хватило бы, чтобы сделать небольшое озерко светящимся, – и спрятал в свой чемодан. По дороге на восток, после приключений в Калифорнии и Аляске, они сделали большой тур по Йеллоустону, и Вуд приготовил для гейзера свою бутылку флуоресцеина. Об этом эпизоде он рассказывает так: «Мы нашли, что „Старый Верный“ слишком хорошо охраняется сторожами, чтобы там можно было что‑нибудь устроить, но я вспомнил, что есть место еще лучше – знаменитый Изумрудный источник. Большая партия туристов с проводником собиралась отправиться туда пешком, но я уже знал дорогу, и мы вдвоем вышли раньше них, и вокруг знаменитого источника никого не было. Сильный поток воды выходил из туннеля, и как только мы услыхали голоса туристов, я откупорил бутылку с флуоресцеином и бросил ее в середину озерца. Она опускалась глубже и глубже, пока не исчезла из виду, оставляя за собой зеленый хвост. Несколько минут ничего не случилось, а потом из глубины выплыло огромное облако, похожее на грозовую тучу, удивительного зеленого цвета; оно росло и принимало все более сложные формы, приближаясь к поверхности, а когда подошли туристы, все озерко светилось в лучах солнца, как настоящий изумруд. Мы слышали, как гид монотонно бормотал свое описание: „Перед вами, леди и джентльмены, Изумрудный источник, называемые так из‑за зеленоватого цвета… боже мой! Я никогда не видал такой штуки, а я живу здесь уже десять лет!“ Туристы были восхищены, и мы тоже».

Дата добавления: 2014-11-25