Waarom methyleenblauw zo blauw is

Wie ooit een druppel methyleenblauw in water heeft zien vallen, weet hoe sterk de kleur is. Binnen enkele seconden trekken er diepblauwe slierten door het glas, en even later is al het water blauw. Die kracht is geen toeval. Ze komt rechtstreeks uit de bouw van het molecuul. In dit artikel leggen we uit hoe dat werkt, zonder dat je scheikunde gestudeerd hoeft te hebben. De algemene introductie staat in Wat is methyleenblauw?.

Kleur is licht dat overblijft

Wit licht bestaat uit alle kleuren van de regenboog. Een stof heeft een kleur omdat hij een deel van dat licht opslorpt, absorbeert, en de rest doorlaat of terugkaatst. Wat er overblijft, zien wij.

Methyleenblauw absorbeert vooral licht in het oranjerode deel van het spectrum, met een piek rond 660 nanometer. Rood en oranje verdwijnen dus grotendeels, en blauw en een deel van het groen blijven over. Daarom zien we een diep, iets groenig blauw. Die absorptiepiek is zo kenmerkend dat laboratoria er de concentratie van een oplossing mee meten, met een fotospectrometer.

Waarom juist dit molecuul

Het methyleenblauwmolecuul is plat en bestaat uit drie aan elkaar geschakelde ringen. Door die ringen loopt een lange reeks bindingen waarin elektronen zich vrij kunnen verplaatsen. Scheikundigen noemen dat een geconjugeerd systeem.

Hoe langer zo'n systeem, hoe minder energie er nodig is om een elektron in een hogere toestand te brengen. Die energie komt uit licht. Bij methyleenblauw past dat precies bij zichtbaar oranjerood licht. Kleinere moleculen met kortere systemen absorberen alleen ultraviolet licht, en die zijn voor ons kleurloos.

Aan de uiteinden van het molecuul zitten twee stikstofgroepen met methylgroepen eraan, en in het midden een zwavelatoom en een stikstofatoom. Samen zorgen ze dat het molecuul positief geladen is en goed oplost in water. Het chloride-ion is de tegenhanger van die lading.

De kleurloze vorm

Methyleenblauw kan elektronen opnemen. Dan verandert de verdeling van de elektronen in het molecuul, en verdwijnt het geconjugeerde systeem zoals het was. Het resultaat heet leukomethyleenblauw, naar het Griekse woord voor wit. Die vorm absorbeert geen zichtbaar licht meer en is dus kleurloos.

Het mooie is dat dit omkeerbaar is. Komt leukomethyleenblauw in contact met zuurstof, dan staat het de elektronen weer af en wordt het opnieuw blauw. Dat heen en weer gaan heet een redoxcyclus.

Een bekend demonstratieproefje maakt dat zichtbaar. In een fles met methyleenblauw, glucose en loog verdwijnt de kleur langzaam doordat de glucose het molecuul reduceert. Schud je de fles, dan lost er zuurstof uit de lucht op en wordt de vloeistof weer blauw. Laat je hem staan, dan verdwijnt de kleur opnieuw. Het staat in scholen bekend als de blauwe-flesproef.

Van kleur naar toepassing

Die redoxeigenschap verklaart veel van waar methyleenblauw voor gebruikt wordt:

• Als indicator. Omdat de kleur verdwijnt bij reductie, laat de stof zien of er zuurstof of reducerende stoffen aanwezig zijn. Vroeger werd zo bijvoorbeeld de bacteriële activiteit in melk getest.
• In het bloed. Bij de behandeling van methemoglobinemie gebruikt het lichaam de kleurloze vorm om een veranderde vorm van hemoglobine terug te zetten. Zie Methyleenblauw in de geneeskunde.
• In de microscopie. De positieve lading maakt dat het molecuul zich hecht aan negatief geladen onderdelen van cellen, zoals DNA. Daardoor kleurt het celkernen en bacteriën.

Licht en zuurstof

Methyleenblauw doet nog iets met licht. Nadat het molecuul licht heeft geabsorbeerd, kan het die energie doorgeven aan zuurstof. Daarbij ontstaat een zeer reactieve vorm van zuurstof. In de wetenschap heet een stof die dat kan een fotosensibilisator, en onderzoekers bestuderen methyleenblauw daarom in de fotodynamische therapie.

Voor wie een flesje thuis heeft, betekent het iets praktisch: licht is niet goed voor een oplossing. Onder invloed van licht kan de stof op den duur veranderen. Daarom zit methyleenblauw in bruin glas en bewaar je het donker. Lees meer in Waarom bruin glas.

Waarom een paar druppels genoeg zijn

Het vermogen van een stof om licht te absorberen wordt uitgedrukt in de molaire absorptiecoëfficiënt. Die is voor methyleenblauw erg hoog, in de orde van tienduizenden per mol per centimeter. In gewone taal: al heel weinig stof kleurt veel water.

Een rekenvoorbeeld. Een druppel uit een pipet is ongeveer 0,05 ml. Uit een 1% oplossing bevat die druppel ongeveer 0,5 mg methyleenblauw. Verdeeld over een glas van 250 ml is dat ongeveer 2 mg per liter. Die concentratie is al duidelijk blauw. Een paar druppels maken het water diepblauw.

Die kleurkracht verklaart ook waarom methyleenblauw zo hardnekkig vlekt. Een onzichtbaar kleine hoeveelheid op een handdoek is al goed te zien. Tips om daarmee om te gaan staan in Bewaren en vlekken verwijderen.

Hoe een laboratorium de concentratie meet

Omdat de kleur zo sterk en zo voorspelbaar is, kun je aan het blauw precies aflezen hoeveel stof er in een oplossing zit. Laboratoria doen dat met een spectrofotometer. Dat apparaat stuurt licht van één golflengte, bij methyleenblauw meestal rond 660 nanometer, door een klein glazen bakje met de oplossing. Een sensor meet hoeveel licht er aan de andere kant uitkomt.

Hoe meer methyleenblauw, hoe minder licht erdoor komt. Het verband tussen concentratie en lichtabsorptie is bij lage concentraties recht evenredig. Dat heet de wet van Lambert-Beer. Wie eerst een paar oplossingen met een bekende concentratie meet, kan daarna van elke onbekende oplossing het gehalte bepalen.

Fabrikanten gebruiken dit soort metingen om te controleren of een oplossing de concentratie heeft die op het etiket staat. Zo'n uitslag vind je terug op een analysecertificaat. Hoe je dat leest, staat in Een analysecertificaat (COA) lezen.

Oplossen in water

Methyleenblauw lost goed op in water, veel beter dan in olie. Dat komt door de lading van het molecuul: water trekt geladen deeltjes aan. Volgens PubChem lost bij kamertemperatuur tientallen grammen per liter op. Een 1% oplossing, 10 gram per liter, zit daar ruim onder en blijft dus helder, zonder neerslag. Houd je zo'n oplossing tegen het licht, dan zie je in een dunne laag een heldere blauwe kleur. In een dikke laag, zoals in een vol flesje, is hij bijna zwart.

Bij sterke koude of als er veel water verdampt, kunnen er in een geconcentreerde oplossing kristallen ontstaan aan de rand van de flessenhals. Dat zie je vooral bij flesjes die lang open hebben gestaan. Een goed gesloten flesje voorkomt dat.

Blauw is niet altijd methyleenblauw

Er zijn meer blauwe kleurstoffen, en ze lijken op het oog op elkaar. Toch zijn het heel verschillende stoffen. Voedingskleurstoffen zoals briljantblauw zijn bedoeld om voedsel te kleuren en hebben geen redoxeigenschappen. Toluïdineblauw is een verwante kleurstof die in laboratoria voor andere kleuringen wordt gebruikt. En azuur B is een stof die ontstaat als methyleenblauw een deel van zijn methylgroepen verliest. Het komt als onzuiverheid in methyleenblauw voor.

Dat laatste is een van de redenen waarom de zuiverheid van methyleenblauw ertoe doet. Welke eisen er bestaan, lees je in Kwaliteitsgraden: USP, Ph. Eur. en technisch.

Samengevat

Methyleenblauw is blauw omdat het vlakke molecuul met zijn lange reeks gekoppelde bindingen oranjerood licht rond 660 nanometer opneemt. Neemt het elektronen op, dan wordt het kleurloos leukomethyleenblauw, en met zuurstof keert de kleur terug. Die redoxcyclus, samen met de gevoeligheid voor licht en de enorme kleurkracht, verklaart zowel de toepassingen als het belang van goed bewaren.