¿Por qué los materiales cambian de color cuando se exponen al sol durante mucho tiempo?

Question

Tengo muchos objetos sólidos que estuvieron expuestos al sol durante muchos años y "obviamente" cambiaron su color. Escribo obviamente porque lo sé empíricamente y por otras personas, pero ¿qué está pasando realmente en el material? ¿Los fotones del sol están golpeando a los electrones o qué está pasando a nivel atómico? ¿O el calor está acelerando el proceso de oxidación? ¿Puede alguien ayudarme a entender y visualizar este fenómeno?

Answer 1

El término "objetos sólidos" es una definición bastante vaga. Intentaré dividirlo en categorías e intentaré responder individualmente. Pero de entrada puedo decir que el cambio de color que se observa en los materiales es sobre todo el resultado de cambios químicos inducidos por la luz ultravioleta del sol. Por cambios químicos me refiero a tres mecanismos principales: ruptura de enlaces químicos, formación de radicales o que la luz sea un catalizador de ciertas reacciones. El campo general que puede responder a todas las preguntas de este tipo se llama, fotoquímica .

Metales: La luz del sol por sí sola no puede hacer mucho a los metales puros. Por supuesto, si el metal está pintado (como la mayoría de los metales que vemos en nuestra vida diaria) los pigmentos de la pintura pueden degradarse (cambiar su estructura química) por la luz solar, lo que puede provocar un cambio de color.

Humanos : (asumiendo que los humanos son "objetos sólidos") La mayoría de los humanos cambian de color con la luz del sol como mecanismo de protección del cuerpo. La luz ultravioleta no es buena para la piel (la quema) y, por tanto, la piel humana expuesta al sol produce pigmentos para absorber la luz y proteger la piel de las quemaduras. Los pigmentos producidos dan lugar a un cambio de color.

Plásticos: Los plásticos son uno de los materiales más afectados por la luz solar. No sólo pueden cambiar de color, sino que también pierden algunas otras propiedades de los materiales, como la elasticidad, debido a la ruptura de los enlaces químicos de los polímeros a través de la luz UV. El efecto de la luz solar sobre los plásticos puede ser tan drástico que incluso puede causar problemas de salud. La mayoría de las bebidas que se conservan en botellas de plástico llevan una pegatina que dice "evitar la luz solar directa" porque las reacciones químicas inducidas por la luz ultravioleta pueden hacer que algunos componentes tóxicos (o productos de reacción fotoquímica) se liberen en el líquido.

Papel : El papel se fabrica a partir de madera que está compuesta principalmente por celulosa. La celulosa es en principio incolora, pero debido a su opacidad parece blanca. Aparentemente, la celulosa del papel puede degradarse mediante diferentes reacciones químicas (oxidación e interacciones con los ácidos del papel) y cambiar de color. Pero también se ha comprobado que la celulosa absorbe la luz ultravioleta y, por tanto, se degrada. Sin embargo, los cambios en la estructura química de la celulosa son sólo una de las razones del cambio de color en el papel. Los distintos tipos de papel contienen diferentes impurezas (resultado de un menor esfuerzo de purificación), siendo una de las más comunes la lingina, otro constituyente de la madera. La lingina da el color marrón al papel de periódico y es más propensa a la degradación en comparación con la celulosa, por lo que el papel marrón cambia de color más rápidamente en comparación con el papel blanco.

Una nota al margen sobre la tela : Dado que la celulosa es también el principal componente del algodón, que se utiliza mucho en la producción textil, también se puede esperar que la ropa de algodón se vea afectada por la luz solar.

EDITES: Después de ver que mi respuesta es apreciada por la comunidad, he decidido hacer una pequeña investigación sobre la razón del cambio de color en el papel y he añadido mis conclusiones a mi respuesta.

Me enteré de que hay al menos un científico que dedicó gran parte de su tiempo a entender el cambio de color del papel. Aquí es una de sus principales publicaciones.

También descubrí que hay un responder en Chemistry Stackexchange a una pregunta similar.

Answer 2

Concepto de Fotodegradación que es básicamente una oxidación e hidrólisis debido a la combinación de luz y aire. Una vez más, "objeto soldado" es una descripción imprecisa, ya que los rayos infrarrojos y el calor también podrían ser responsables.

Answer 3

Está causada por la fotoquímica

La mayoría de los "objetos sólidos" contienen algunos tintes o pigmentos que los colorean o sus componentes principales están formados por sustancias coloreadas. Por definición, los objetos coloreados absorben la luz. Esta es la causa de la fotodegradación que da lugar a cambios de color cuando las cosas se exponen a la luz.

La causa del color es la interacción entre los fotones de la luz solar y los electrones del compuesto coloreado. Algunos electrones viven en orbitales moleculares y pueden pasar a orbitales de mayor energía si el fotón de energía adecuada interactúa con ellos. Esto crea el color si la energía absorbida es desigual en el espectro de la luz. Si la absorción es fuerte en todo el espectro visible, el material será gris o negro.

Lo que importa para la degradación de las fotos es lo que ocurre después de absorción de los fotones. Los electrones en los niveles de energía más altos no se quedarán allí. Regresarán al estado de energía inferior a través de una serie de procesos. A veces, esa desintegración es sencilla y los electrones vuelven al estado básico original y no afectan a nada más en la sustancia. Pero, en muchas sustancias, hay rutas de baja probabilidad para disipar la energía extra que resultan en algunos procesos químicos. cambiar en la sustancia coloreada. Para la mayoría de los tintes y pigmentos, la probabilidad de que se produzcan estas transiciones es muy baja, pues de lo contrario serían productos químicos fotográficos y no tintes o pigmentos. Pero la probabilidad de que se produzcan vías que induzcan cambios químicos rara vez es cero. Esta es la causa última de la fotodegradación y los cambios de color cuando las cosas se exponen a la luz solar. Cuando se produce un cambio químico, el nuevo producto químico rara vez será del mismo color que el producto químico original y la exposición prolongada a la luz solar genera muchas oportunidades para que se produzcan incluso vías de baja probabilidad.

Un factor agravante con la luz solar se produce porque ésta contiene mucha luz ultravioleta (cuyos fotones tienen más energía que los de la luz visible). La mayoría de las sustancias químicas que absorben en el visible también tendrán una absorción significativa de los rayos UV. Esto crea electrones en estados de energía aún más altos. Éstos pueden tener más formas de descomponerse que dan lugar a cambios químicos significativos en la sustancia. Pero el mecanismo es el mismo. La energía se absorbe llevando a los electrones a estados de mayor energía y su desintegración puede ocurrir de manera que cause cambios químicos en la sustancia. Incluso cuando esas rutas que causan el cambio químico tienen una probabilidad muy baja, el gran flujo de fotones de la luz solar puede impulsar una cantidad significativa de cambio químico que conduce a cambios de color en la sustancia.