对物质颜色的探讨

无机化学课程小论文-1-对物质颜色的探讨赖光艳（2007210305）(华中师范大学化学学院，武汉，430079)摘要：本文介绍了物质颜色的产生的一般原理，并从离子极化，d-d跃迁，f-f路迁，荷移跃迁，∏→∏*或n→∏*跃迁等几方面分析了影响物质颜色的因素。关键词：离子极化d-d跃迁f-f路迁荷移跃迁∏→∏*或n→∏*跃迁五光十色的霓虹灯装点着城市美丽的夜晚；鲜艳夺目的服饰把每个人装扮得楚楚动人；天边晚霞，七彩长虹点缀着苍穹；海的蔚蓝、山的青翠装扮着大地。无论人类还是自然，都在一个色彩缤纷的世界里不停的运动着。物质为什么会呈现不同的颜色呢？老师在课堂上从d-d跃迁和荷移跃迁两个方面对这个问题进行了解释，但是我还是不能很好的理解。怀着对这个问题的好奇，我阅读了一些相关文章，从中总结了一些影响物质颜色的因素，并写了这篇文章。影响物质颜色的因素很多，下面我将先讲述物质颜色的产生原理，再对影响颜色的因素进行解释说明。1颜色的产生1.1光的一般知识光是波长很短的电磁波，其能量随波长的增加而减小，我们所见到的光称可见光，包括红、橙、黄、绿、青、蓝、紫等，其波长范围大约是400mm-760mm，波长小于400mm的光属于紫外光，大于760mm的光属于红外光。白光是由各种光按照一定比例混合成的一种混合光。将两种适当颜色的光按一定比例混合也可以形成白光，这两种色光叫做互补色。如图所示，处于对角的两种颜色的光互补，红光和青光互补，黄光和蓝光互补。1.2物质的颜色物质的颜色和光的吸收、透过、反射有关，由于物质的本性和形态不同，光的吸收、透过反射情况也就不同，物质因而呈现不同的颜色，物质选择性吸收了白光中某种波长的光时，就呈现与之互补的那种颜色，即人们肉眼感知到的颜色。2影响物质颜色的因素红紫紫蓝青蓝绿绿黄绿黄橙红无机化学课程小论文-2-2.1离子极化作用[1]离子极化是指作为带电体的某离子(主要为阳离子)使邻近异号电荷离子电子云发生形变的能力——极化力，或指被异号电荷极化而本身发生电子云变型的能力——变形性或可极化性。由于阴、阳离子的相互极化作用使电子云发生强烈形变，使阴阳离子外层电子云重叠，改变彼此的电荷分布，导致的分子轨道中基态和激发态间的能级差发生改变，一般使△E减小。自然，离子极化作用越强，化合物中价电子越易吸收可见光的能量而发生电子跃迁，从而使其颜色加深。显然，这里说的颜色加深是指物质吸收峰的位置在可见光区产生“浅色位移”——吸收谱带向长波方向移动，而物质呈现的颜色则“深色位移”——向短波方向移动。2.2d-d跃迁[2]过渡元素配合物大都有颜色。配合物的颜色是由于过渡金属离子d轨道未充满电子(d1-9)，在配位体场的作用下，分裂后的5个d轨道上的电子就跃迁到能量空的d轨道，这种d-d跃迁的电子选择性的吸收可见光区内一定波长(其d-d跃迁能量一般在1.99×10-19～5.96×1019J或波数为10000～30000Cm-1)显示特征光谱，而呈现颜色。但这种颜色与d-d跃迁后的分裂能△大小有关。一般产生较大分裂能的配位体形成的配合物，颜色较深。其变化规律是：(1)同一金属离子与不同配位体形成的配合物具有不同的颜色。配位体场强越强(I-Br-Cl-F-H2OC2O42-NH3NO2CN-)，分裂能△越大，d-d跃迁吸收谱带依次向短波方向移动，使配合物颜色依次加深。如CuCl42-(绿)、Cu(H2O)42+(蓝)、Cu(NH3)42-(深蓝)(2)同种配位体的同一金属元素的配合物，随中心离子氧化态升高，分裂能△增大，颜色加深。如过渡元素的三价离子水溶液比二价离子水溶液颜色深，铁(Ⅲ)水溶液一般为红棕色，铁(Ⅱ)一般为浅绿色。(3)同族过渡元素的同配位体、同价态配合物的分裂能随周期数增大而增大，所以从上到下颜色加深。当分裂能太大，使物质的最大吸收峰在紫外光区，物质呈现无色(如表1)。表1几种配离子的分裂能与颜色配离子分裂能(△0)/cm-1颜色Co(NH3)63+23000黄色Rb(NH3)63+33000无色Ir(NH3)63+40000无色2.3f-f跃迁[2]含有自旋平行的电子一般有颜色，有颜色离子形成的化合物都有颜色。这是由于含有自旋平行的电子的离子基态和激发态的能量差较小，易被可见光激发而显色。但因fn和f14-n(n=1～13)自旋平行的电子数一样，致使颜色接近。凡f0、f7和f14比较稳定，不易被可见光激发，所以离子为无色。例如f0(La3+)、f1(Ga3+)、f14(Lu3+)的离子均无色。2.4荷移跃迁[3]荷移跃迁是指原子之间的部分电子的转移。分为电荷从配位体向金属离子迁移(L→M)和电荷从金属离子向配位体跃迁(M→L)[5]。荷移跃迁能通常比d-d跃迁能大，它往往出现在紫外、近紫外无机化学课程小论文-3-区，也有不少出现在可见光区的蓝端，能在可见光区或接近可见光区发生M→L跃迁的配位体比发生L→M跃迁的配位体少得多。对于配位体相同而中心离子不同的配合物，中心离子的氧化性越强，荷移跃迁能越小，配合物吸收移向较长波区，颜色加深；对于相同金属离子而配位体不同的配合物，配位体越易被氧化，跃迁能越小，吸收移向长波区方向，颜色加深；对于配合物的中心元素和配位体相同时，中心元素的氧化态越高，d轨道的能量越低，吸收移向较长波区，颜色加深。表2荷移跃迁与配合物的颜色[2]金属离子氧化物含氧酸根递增规律分子式颜色酸根颜色金属氧化态Mn-配体电子跃迁氧化物或含氧酸根的颜色Ti+4(3d0)TiO2白TiO32-无价态升高氧化力增强电子跃迁更易颜色加深V+5(3d0)V2O5橙VO4-淡黄Cr+6(3d0)CrO3暗红CrO42-黄2.5∏→∏*或n→∏*跃迁[2]对于有机物来讲，共轭体系中的∏→∏*跃迁和含有杂原子的不饱和有机物的P—∏共轭体系中的n→∏*跃迁是重要的电子跃迁。如含有亚硝基、羰基、偶氮基等有机化合物，都具有n→∏*跃迁，一般都显一定的颜色。对于多数有机染料、给电子体——受电子发色体，基于非环多烯及环多烯体系的发色体等，都与共轭体系中的n→∏*跃迁有关，且共轭体系越长，导致物质颜色越深。[5]如Fe(CN)64-显黄色，是因为CN-的∏空轨道和Fe3+的分裂后的d轨道组成∏型分子轨道，中心离子Fe3+的d电子进入成键∏分子轨道，在可见光的激发下，∏成键分子轨道中的电子就向定域在配体CN-上的∏*反键轨道跃迁，并吸收一定波长的可见光而显色。2.6其它一些因素[2]外界条件如温度、晶形、聚集状态等都会影响物质颜色。温度升高，离子振幅加大，相反电荷、离子靠得更近，离子极化作用增强，有利于电子跃迁，使得颜色不同。如ZnO冷却时为白色，加热时为黄色。某些物质的晶型不同，物质颜色也就不同了。PbO四方晶体为红色，正交晶体为黄色。另外，物质的聚集状态不同，晶粒大小不同，对不同波长的散射有所不同，物质颜色也就不同。Cu2O随晶粒大小不同有黄橙红等颜色。3结语综上可知，影响物质颜色的因素是比较多的，颜色的形成也比较复杂。在文中，我只是对一些影响因素做出了解释。在这些因素的解释中，我难免存在很多不足甚至是错误，希望老师能指出。参考文献[1]唐志华.离子极化与化合物的颜色.汉中师院学报，1994，10(1),10～13.[2]杨莉、夏泽吉.对物质颜色变化规律的探讨.达县师专报，1994,4(2),101～104.[3]陈志敏.电荷跃迁与物质的颜色.衡阳师专学报，1995，13(6),91～95.无机化学课程小论文-4-[4]李军、张晓红.无机化合物的颜色与结构.克山师专学报，2002，42(3),42～44.[5]楚建新.浅谈无机物颜色的成因.新疆教育学院学报，1996，12(1),8～13.[6]许莹.无机物颜色与电子光谱的关系.河北理工学院学报，2003，25(2),17～21.[7]张自祥.物质颜色的规律性.成都大学学报，1997，16(4),34～37.[8]范建春、寥森.无机物的颜色及其变化规律探讨.广西师院学报，1995，7(1),82～86.（指导老师：胡宗球）