Bei der additiven Farbmischung addieren sich Lichtfarben. Rotes, grünes und blaues Licht ergeben zusammen Weiß, Rot und Grün ergeben Gelb. So arbeiten Bildschirme. Bei der subtraktiven Farbmischung entziehen Farbmittel dem weißen Licht Anteile. Je mehr Farbmittel sich mischen, desto mehr fehlt und desto dunkler wird es.

Das Absorptionsspektrum trägt die Absorption eines Stoffs gegen die Wellenlänge $\lambda$ auf. Das Maximum liegt bei $\lambda_{\max}$. Das Auge sieht die Farbe, die übrig bleibt, die Komplementärfarbe zum absorbierten Bereich:

Die Grenzen sind je nach Quelle um 10 bis 20 nm verschoben.

Die Elektronen eines Moleküls besetzen Molekülorbitale. Das energiereichste besetzte heißt HOMO (highest occupied molecular orbital), das energieärmste unbesetzte LUMO (lowest unoccupied molecular orbital). Ein Photon wird absorbiert, wenn seine Energie dem Abstand $\Delta E$ zwischen HOMO und LUMO entspricht. Dabei springt ein Elektron vom HOMO ins LUMO. Ein kleiner Abstand bedeutet eine große Wellenlänge:

Polyene haben mehrere C=C-Doppelbindungen im Wechsel mit Einfachbindungen (konjugiert). Die $\pi$-Elektronen sind über die ganze Kette delokalisiert. Je länger die konjugierte Kette, desto kleiner ist $\Delta E$ und desto größer ist $\lambda_{\max}$. Man nennt die Verschiebung zu längeren Wellenlängen bathochrom, die zu kürzeren hypsochrom.

Ethen absorbiert bei etwa 165 nm, Buta-1,3-dien bei 217 nm, Hexa-1,3,5-trien bei 258 nm und Octa-1,3,5,7-tetraen bei 290 nm. Alle liegen im Ultravioletten, die Stoffe sind farblos. Erst β-Carotin mit 11 konjugierten Doppelbindungen absorbiert bei etwa 450 nm im sichtbaren Bereich.

Ein Chromophor ist die Atomgruppe mit konjugiertem $\pi$-System, die sichtbares Licht absorbiert, etwa die Azogruppe –N=N– zwischen aromatischen Ringen oder eine lange Kette aus C=C-Bindungen. Auxochrome sind Gruppen mit freiem Elektronenpaar am Chromophor, wie –OH, –NH$_2$ oder –N(CH$_3$)$_2$. Ihr Elektronenpaar wird in das $\pi$-System einbezogen, die Delokalisation wächst, $\Delta E$ sinkt, und die Absorption verschiebt sich bathochrom und wird stärker. Elektronenziehende Gruppen wie –NO$_2$ am anderen Ende des Systems verstärken den Effekt. Anilin ist farblos, 4-Nitroanilin mit Donor und Akzeptor ist gelb.

Azofarbstoffe enthalten die Azogruppe zwischen zwei aromatischen Ringen und sind die größte Gruppe synthetischer Farbstoffe. Sie entstehen in zwei Schritten:

• Diazotierung: Ein aromatisches Amin reagiert bei 0 bis 5 °C mit salpetriger Säure (aus Natriumnitrit und Salzsäure) zum Diazonium-Ion.
• Azokupplung: Das Diazonium-Ion ist ein schwaches Elektrophil. Es greift einen stark aktivierten Aromaten an (Phenol, Naphthol, Anilin), meist in para-Stellung zur OH- oder Aminogruppe. Das ist eine elektrophile Substitution wie bei der Bromierung.

Methylorange entsteht aus diazotierter Sulfanilsäure und N,N-Dimethylanilin. Sicherheit: Diazonium-Salze zersetzen sich oberhalb von etwa 5 °C und sind trocken explosiv. Man stellt sie nur gekühlt in Lösung her. Einige Azofarbstoffe lassen sich zu krebserregenden aromatischen Aminen spalten, solche Amine sind in Textilien reguliert.

Im Triphenylmethanfarbstoff trägt ein zentrales Kohlenstoffatom drei aromatische Ringe. Es ist als Carbenium-Ion positiv geladen, und die Ladung ist über alle drei Ringe delokalisiert (Mesomerie). Auxochrome wie –N(CH$_3$)$_2$ in para-Stellung vergrößern das System. Kristallviolett (drei solche Gruppen) absorbiert bei etwa 590 nm und ist violett, Malachitgrün (zwei Gruppen) absorbiert bei etwa 620 nm und ist grün. Auch Phenolphthalein und Bromthymolblau haben diese Grundstruktur.

Ein Farbstoff muss an der Faser haften. Das Verfahren hängt von der Faser ab.

Indigo ist ein Küpenfarbstoff. Er ist in Wasser unlöslich, wird mit Natriumdithionit in alkalischer Lösung zur löslichen, gelblichen Leukoform reduziert und färbt so die Faser. An der Luft oxidiert er zurück zum blauen Pigment, das in der Faser eingeschlossen bleibt.

Ein Indikator ist eine schwache Säure HInd, deren Säureform und Basenform verschieden gefärbt sind. Das Abspalten des Protons verändert das konjugierte System und damit $\Delta E$. Ein Farbwechsel ist sichtbar, wenn das Verhältnis $c(\mathrm{Ind^-}) : c(\mathrm{HInd})$ zwischen etwa 1 : 10 und 10 : 1 liegt. Mit der Henderson-Hasselbalch-Gleichung ist das der Bereich $\mathrm{pH} = \mathrm{p}K_s \pm 1$.

Beim Phenolphthalein öffnet sich in der Lauge ein Ring. Das zentrale Kohlenstoffatom wird eben, es entsteht ein konjugiertes System über drei Ringe, und dieses absorbiert sichtbares Licht.