发色的化学机理和色料省公共课一等奖全国赛课获奖课件.pptx

教四225.03材料化学第一章第一章光学材料光学材料1.2 发色化学机理和色料发色化学机理和色料 第第1 1页页教四225.03材料化学1.2发色化学机理和色料色化学机理和色料 一、一、原子激发和分子振动原子激发和分子振动1.原子中电子激发跃迁原子中电子激发跃迁当一块固体物质加热时，物质不但热辐射增当一块固体物质加热时，物质不但热辐射增加，而且辐射中短波成份相对增加，逐步地变红加，而且辐射中短波成份相对增加，逐步地变红发光。发光。第第2 2页页表表2加加热温度和温度和热辐射射颜色色温度温度/70070017002500450010000颜色颜色黑色黑色红色红色橙色橙色黄色黄色白色白色蓝白色蓝白色第第3 3页页教四225.03材料化学气气态态原原子子或或分分子子受受到到激激发发，电电子子由由基基态态跃跃迁迁到到激激发发态态。在在激激发发态态不不稳稳定定又又返返回回基基态态并并发发射射出出光。光。当当燃燃烧烧物物质质中中含含有有钠钠原原子子，受受激激至至高高能能态态再再返返回回基基态态时时发发出出波波长长为为589.6和和589.0nm黄黄光光，火焰呈黄色。火焰呈黄色。原子中原子中电子激子激发跃迁迁第第4 4页页表表3火焰颜色火焰颜色元元素素颜颜色色发射波长发射波长/nm锂锂深红深红601，671钠钠黄黄589钾钾紫紫405，767钙钙橙红橙红423，559，616锶锶紫红紫红408，461，606，687钡钡黄绿黄绿487，514，543，553，578第第5 5页页Li一些金属焰色一些金属焰色KCsRbNa第第6 6页页一些金属焰色一些金属焰色CaBaSrCu第第7 7页页教四225.03材料化学利利用用原原子子中中电电子子跃跃迁迁发发射射出出不不一一样样颜颜色色光光，在在化化学学中中可可经经过过焰焰色色识识别别化化学学成成份份。若若定定量量地地测测定定波波长长和和强强度度分分布布，则则发发展展成成原原子子发发射射光光谱谱分分析析。利利用用原原子子发发射射光光颜颜色色，可可制制造造色色彩彩绚绚丽丽焰焰火火，增增添节日喜庆气氛。添节日喜庆气氛。原子中原子中电子激子激发跃迁迁第第8 8页页原子发射光谱分析原子发射光谱分析第第9 9页页色彩绚丽焰火色彩绚丽焰火第第1010页页WHY IS WATER BLUE?J.Chem.Edu.,1993,70(8),612第第1111页页教四225.03材料化学分分子子中中原原子子间间振振动动会会造造成成颜颜色色出出现现。比比如如水水和和冰冰中中，分分子子之之间间有有氢氢键键连连接接。水水吸吸收收光光谱谱是是很很复复杂杂，在在红红外外区区域域有有一一系系列列强强吸吸收收带带，在在靠靠近近可可见见光光区区域域，很很快快减减弱弱，但但仍仍有有吸吸收收，这这种种红红色色吸吸收收余余色色为为蓝蓝色色。清清澈见底深水显淡蓝色，纯净大块冰颜色也是淡蓝。澈见底深水显淡蓝色，纯净大块冰颜色也是淡蓝。和和双双原原子子分分子子振振动动和和转转动动相相关关吸吸收收，也也会会出出现现颜颜色，比如氯气绿色和碘蒸气紫色。色，比如氯气绿色和碘蒸气紫色。分子振动和转动分子振动和转动第第1212页页教四225.03材料化学WHY IS WATER BLUE?The bent water molecule H2O in the free state has three fundamental vibrations:(a)the symmetrical stretch,(b)the symmetrical bend,(c)the antisymmetrical bend.第第1313页页教四225.03材料化学第第1414页页第第1515页页教四225.03材料化学第第1616页页教四225.03材料化学阿根廷冰川国家公园阿根廷冰川国家公园第第1717页页The blue green lightofnaturalgasburningonakitchenburneremittedbyanoxygen-richgasflameasseenonakitchenrangealsoinvolvessuchcombinationvibrational,rotational,andelectronicexcitationsintheunstablemoleculesCHandC2.第第1818页页教四225.03材料化学色色彩彩绚绚丽丽矿矿石石、宝宝石石、涂涂料料和和颜颜料料等等，其其中中许许多多是是由由过过渡渡金金属属化化合合物物形形成成。在在化化合合物物中中，过过渡渡金金属属离离子子处处于于不不一一样样配配位位场场，因因为为配配位位几几何何形形式式不不一一样样、配配位位场场强强弱弱不不一一样样，d轨轨道道或或f轨轨道道能能级级分分裂裂情情况况以以及及能能级级中中电电子子排排布布不不一一样样，电电子子在在能能级级间间跃跃迁迁所所产产生生颜颜色色就就有有差差异异。一样一个元素原子，在不一样条件下产生不一样颜色。一样一个元素原子，在不一样条件下产生不一样颜色。过渡金属原子能渡金属原子能级在配位在配位场中改中改变第第1919页页 Al2O3第第2020页页 Cr2O3第第2121页页红宝石红宝石第第2222页页教四225.03材料化学比比如如，Cr2O3呈呈绿绿色色，当当把把少少许许Cr2O3掺掺入入刚刚玉玉（Al2O3，白白色色粉粉末末）中中，因因为为Cr2O3和和Al2O3结结构构相相同同，Cr3+置置换换Al3+时时，Cr3+周周围围6个个O原原子子配配位位不不变变，但但因因为为Al3+比比Cr3+略略小小一一点点，配配位位场场强强弱弱产产生生改改变变，展展现现了了红红色色，称称为为红红宝宝石石。通通常常将将这这种种掺掺Cr3+刚刚玉用化学式玉用化学式Al2O3：Cr3+表示。表示。过渡金属原子能渡金属原子能级在配位在配位场中改中改变第第2323页页教四225.03材料化学刚玉刚玉刚玉化学成份为Al2O3，可含微量Fe、Ti或Cr等元素，晶体属三方晶系氧化物矿物。晶体普通为蓝灰、黄灰、红和绿色，含少许铬 呈红色，含少许铁和钛呈蓝色，红宝石和蓝宝 石是透明红色和蓝色宝石级刚玉别称。单晶多呈桶状双锥形，或双锥与底板面聚形，较少为厚板状，晶面上常有斜纹或横纹。集合体呈粒状或致密块状。玻璃光泽，无解理，裂剪发育，摩氏硬度9，比重3.98。刚玉常世界著名产地有俄国乌拉尔山脉、南非德兰士瓦、加拿大安大略、土耳其士麦那、希腊纳克索斯。而宝石级砂矿刚玉主要产于缅甸、斯里兰卡、泰国、坦桑尼亚、美国蒙大拿州。刚玉可作为研磨材料及制造精密仪器轴承，颜色鲜艳透明者可作珍贵宝石，如红宝石、蓝宝石等。第第2424页页 红宝石红宝石 红宝石英文名称为Ruby，源于拉丁 文Ruber，意思是红色。红宝石矿物名称 为刚玉。红宝石化学成份为三氧化二铝，因 含微量元素铬（Cr3+）而成红至粉红色。属三方晶系。晶体形态常呈桶状、短柱状、板状等。集合体多为粒状或致密块状。透明至半透明，玻璃光泽。折光率1.76-1.77，双折射率0.008-0.010。二色性显著，非均质体。有时含有特殊光学效应-星光效应，在光线照射下会反射出迷人六射星光，俗称“六道线”。硬度为9，密度3.95-4.10克/立方厘米。无解理，裂理发育。红宝石在长、短波紫外线照射下发红色及暗红色荧光。第第2525页页教四225.03材料化学第第2626页页教四225.03材料化学带带5个个结结晶晶水水硫硫酸酸铜铜（CuSO45H2O）呈呈蓝蓝色色，而而无无水水硫硫酸酸铜铜晶晶体体（CuSO4）为为无无色色物物质质，这这是是因因为为在在这这两两种种晶晶体体中中Cu2+配配位位体体和和配配位位情情况况不不一一样样。类类似似情情况况在在其其它它盐盐类类中中也也常常出出现。现。过渡金属原子能渡金属原子能级在配位在配位场中改中改变第第2727页页教四225.03材料化学第第2828页页教四225.03材料化学硅胶干燥硅胶干燥剂 硅胶干燥剂是一个以细孔硅胶为原料干燥剂，也是最硅胶干燥剂是一个以细孔硅胶为原料干燥剂，也是最惯用干燥剂。细孔硅胶为无色或微黄色透明或半透明型惯用干燥剂。细孔硅胶为无色或微黄色透明或半透明型颗粒颗粒,内部有许多微细孔，表面积达内部有许多微细孔，表面积达700700平方米平方米/克。当其克。当其吸收水分到达饱和状态，不会发生表面和形态改变。含吸收水分到达饱和状态，不会发生表面和形态改变。含有吸湿快，不变形等特点。无毒、无臭、含有较大内表有吸湿快，不变形等特点。无毒、无臭、含有较大内表面积，而且对水蒸汽和其它可冷凝蒸汽含有较高吸附能面积，而且对水蒸汽和其它可冷凝蒸汽含有较高吸附能力。力。第第2929页页教四225.03材料化学硅胶干燥硅胶干燥剂硅胶是一个高活性吸附材料，通常是用硅酸硅胶是一个高活性吸附材料，通常是用硅酸钠和硫酸反应，并经老化、酸泡等一系列后处理钠和硫酸反应，并经老化、酸泡等一系列后处理过程而制得。硅胶属非晶态物质，其化学分子式过程而制得。硅胶属非晶态物质，其化学分子式为为mSiOmSiO2 2.nH.nH2 2O O。不溶于水和任何溶剂，无毒无味，。不溶于水和任何溶剂，无毒无味，化学性质稳定，除强碱、氢氟酸外不与任何物质化学性质稳定，除强碱、氢氟酸外不与任何物质发生反应。发生反应。第第3030页页教四225.03材料化学变色硅胶干燥色硅胶干燥剂 变色硅胶就是在硅胶中加入了一些带有结晶水无变色硅胶就是在硅胶中加入了一些带有结晶水无机盐，如钴盐。无水时就是失去结晶水时状态是蓝色，机盐，如钴盐。无水时就是失去结晶水时状态是蓝色，吸水时就是有结晶水时状态为粉红色。变色硅胶能够吸水时就是有结晶水时状态为粉红色。变色硅胶能够循环使用。当有颜色改变后，能够在干燥箱中烘烤，循环使用。当有颜色改变后，能够在干燥箱中烘烤，使其回到无水状态就能够继续使用了使其回到无水状态就能够继续使用了.蓝色硅胶分蓝蓝色硅胶分蓝胶指示剂、变色硅胶和蓝胶，外观为蓝色或浅蓝色玻胶指示剂、变色硅胶和蓝胶，外观为蓝色或浅蓝色玻璃状颗粒。璃状颗粒。第第3131页页教四225.03材料化学通常使用变色硅胶，是将硅酸凝胶用通常使用变色硅胶，是将硅酸凝胶用CoCl2溶液溶液浸泡，然后经干燥活化后制得。因为无水浸泡，然后经干燥活化后制得。因为无水CoCl2为蓝为蓝色，水合色，水合CoCl26H2O显红色。所以依据变色硅胶颜显红色。所以依据变色硅胶颜色改变，能够判断硅胶吸水程度。变色硅胶常作为色改变，能够判断硅胶吸水程度。变色硅胶常作为干燥剂和吸附剂使用。干燥剂和吸附剂使用。变色硅胶干燥剂变色硅胶干燥剂 第第3232页页教四225.03材料化学变色硅胶干燥色硅胶干燥剂 除蓝色变色硅胶外，还有其它颜色彩色和变色硅除蓝色变色硅胶外，还有其它颜色彩色和变色硅胶及香味硅胶干燥剂，用于不一样用途。如黄色胶及香味硅胶干燥剂，用于不一样用途。如黄色-白白色变色硅胶是在无色硅胶中添加少许铝，分子式为色变色硅胶是在无色硅胶中添加少许铝，分子式为SiO2.nAl2O3.mH2O。第第3333页页教四225.03材料化学有有机机共共轭轭分分子子中中存存在在着着单单键键和和双双键键交交替替排排列列共共轭轭体体系系，原原子子间间形形成成由由多多个个原原子子参参加加离离域域键键。当当单单、双双键键共共轭轭体体系系长长到到一一定定程程度度，比比如如有有十十几几个个或或几几十十个个原原子子参参加加形形成成离离域域键键，这这时时最最高高占占据据轨轨道道(HOMO)和和最最低低空空轨轨道道(LUMO)间间能能级级差差，相相当当于于可可见见波波段段能能量量，这这种种分分子子就就会会产产生生颜颜色色。有有机机染染料料和和一一系系列列带带色色有有机机化化合合物物，其其颜色都是由有机共轭分子中离域颜色都是由有机共轭分子中离域键所引发。键所引发。共共轭效效应和有机染料和有机染料第第3434页页教四225.03材料化学有有机机染染料料品品种种成成千千上上万万，但但它它们们出出现现颜颜色色起起因因都都是分子内存在着一定大小、单双键交替共轭体系。是分子内存在着一定大小、单双键交替共轭体系。最最古古老老有有机机染染料料是是靛靛蓝蓝（两两分分子子羰羰基基吲吲哚哚经经过过双双键键连连接接起起来来对对称称结结构构），四四五五千千年年前前人人们们就就已已经经用用它它染染布布了了。从从前前靛靛蓝蓝是是从从植植物物中中提提取取，现现在在则则由由人人工工合合成成在在化化工工厂厂生生产产出出来来。染染色色时时分分子子中中O原原子子或或NH基团都可和纤维中基团都可和纤维中OH基团形成较牢靠结合。基团形成较牢靠结合。共共轭效效应和有机染料和有机染料第第3535页页靛蓝（靛蓝（Indigo）分子结构式）分子结构式或或2-2-（1,3-1,3-二氢二氢-3-3-氧代氧代-2H-2H-吲哚吲哚-2-2-亚基）亚基）-1,2-1,2-二氢二氢-3H-3H-吲哚吲哚-3-3-酮酮第第3636页页使用靛蓝织物与工艺品使用靛蓝织物与工艺品第第3737页页靛靛蓝蓝结结构构测测定定和和工工业业上上生生产产，经经历历了了漫漫长长道道路路，是有机化学发展史上一项主要史料。是有机化学发展史上一项主要史料。和和靛靛蓝蓝同同属属一一类类而而性性能能更更加加好好、应应用用更更广广染染棉棉织织品品染染料料是是“阴阴丹丹士士林林（RSN：是是由由两两分分子子蒽蒽醌醌和和一一分分子二氢吡嗪骈合而成）子二氢吡嗪骈合而成）”。阴丹士林阴丹士林（indanthrene）分子结构式分子结构式第第3838页页早期阴丹士林广告早期阴丹士林广告第第3939页页教四225.03材料化学共共轭效效应和有机染料和有机染料靛靛蓝蓝和和阴阴丹丹士士林林都都不不溶溶于于水水，染染色色时时先先要要在在碱碱性性溶溶液液中中将将它它还还原原为为可可溶溶性性物物质质，将将要要染染色色织织品品浸浸泡泡入入内内染染色色，然然后后取取出出在在空空气气中中氧氧化化发发色色。因因碱碱液液会会损损坏坏毛毛和和丝丝纤纤维维，不不适适合合于于染染毛毛和和丝丝。能能染染毛毛和和丝丝染染料料品品种种很很多多，孔孔雀雀绿绿是是其其中中一一个个，它它是是由由3个个苯苯环环连连接接在在一一起起共共轭轭分分子。子。第第4040页页教四225.03材料化学孔雀绿孔雀绿分子结构式分子结构式孔雀绿色孔雀绿色工艺品工艺品孔雀绿孔雀绿第第4141页页教四225.03材料化学胡萝卜素是胡萝卜及其它一些植物显胡萝卜素是胡萝卜及其它一些植物显橙红色主要成份。可用作人造黄油和其橙红色主要成份。可用作人造黄油和其它食品色素、药品及化装品，其分子结它食品色素、药品及化装品，其分子结构式为：构式为：胡萝卜素胡萝卜素第第4242页页血红素分子是一个含有卟啉结构血红素分子是一个含有卟啉结构小分子，在卟啉分子中心，由卟小分子，在卟啉分子中心，由卟啉中四个吡咯环上氮原子与一个啉中四个吡咯环上氮原子与一个亚铁离子配位结合，亚铁离子配位结合，第第4343页页教四225.03材料化学叶绿素叶绿素a（Chlorophyll a）叶绿素和血红素叶绿素和血红素是包含卟啉环分子，叶是包含卟啉环分子，叶绿素可用作食品色素和绿素可用作食品色素和皮革、肥皂和蜡等着色皮革、肥皂和蜡等着色剂。剂。第第4444页页花青素分子结构花青素分子结构姜黄素分子结构姜黄素分子结构花青素与姜黄素花青素与姜黄素第第4545页页教四225.03材料化学红曲色素曲色素第第4646页页教四225.03材料化学有有化化合合物物在在溶溶液液中中因因为为酸酸碱碱性性改改变变，分分子子结结构构发发生生改改变变，因因而而显显示示出出不不一一样样颜颜色色。这这类类化化合合物物可可用用作作酸酸碱碱指指示示剂剂，或或称称pH指指示示剂剂。比比如如酚酚酞酞，在在酸酸性性溶溶液液中中分分子子中中心心C原原子子按按sp3杂杂化化轨轨道道形形成成四四面面体体形形分分布布4个个化化学学键键，将将3个个苯苯环环上上共共轭轭体体系系分分割割开开，分分子子没没有有颜颜色色。但但在在碱碱性性溶溶液液中中，pH9时时，中中心心C原原子子以以sp2杂杂化化轨轨道道形形成成平平面面三三角角形形3个个化化学学键键，剩剩下下p轨轨道道和和分分子子中中3个个苯苯环环键键连连接接成成一一个个更更大大共共轭轭体体系系，分分子子显显红红色色，所所以以酚酚酞酞是是惯惯用用一一个个酸酸碱碱指指示剂。示剂。第第4747页页教四225.03材料化学酚酞分子结构改变酚酞分子结构改变第第4848页页教四225.03材料化学包包含含混混合合价价态态化化合合物物轻轻易易经经过过电电荷荷转转移移产产生生颜颜色色，混混合合价价态态化化合合物物又又称称为为同同素素异异形形价价离离子子化化合合物物，它它是是指指在在一一个个化化合合物物中中，同同一一个个元元素素离离子子存存在在着着不不一一样样价价态态。比比如如磁磁铁铁矿矿Fe3O4中中含含有有Fe2+和和Fe3+，标标明明价价态态化化学学式式为为Fe2+Fe3+2O4。当当不不一一样样价价态态离离子子配配位位情情况况不不一一样样，电电子子从从一一个个价价态态离离子子转转移移到到另另一一价价态态离离子子就就要要吸吸收收或或放放出能量，产生颜色。出能量，产生颜色。电荷转移效应和颜料电荷转移效应和颜料第第4949页页教四225.03材料化学电荷荷转移效移效应和和颜料料 Fe3O4中中Fe2+处处于于八八面面体体配配位位，而而Fe3+则则有有二二分分之之一一处处于于八八面面体体配配位位，另另二二分分之之一一处处于于四四面面体体配配位位。电电子子在在不不一一样样配配位位环环境境和和不不一一样样价价态态离离子子间间转转移移，有有能能量量差差异异，造成了吸收光能或放出光能，因而产生颜色。造成了吸收光能或放出光能，因而产生颜色。第第5050页页教四225.03材料化学天然磁铁矿天然磁铁矿天然磁铁矿呈蓝黑天然磁铁矿呈蓝黑色，日惯用菜刀表面呈色，日惯用菜刀表面呈黑色，及钢枪表面经过黑色，及钢枪表面经过“发蓝发蓝”处理呈蓝黑色处理呈蓝黑色这些都是因为存在这些都是因为存在Fe3O4而显现颜色。而显现颜色。第第5151页页教四225.03材料化学普鲁士蓝（普鲁士蓝（Prussianblue）FeIII4FeII(CN)6315H2O是由高铁离子（是由高铁离子（Fe3+）和亚）和亚铁离子铁离子FeII(CN)64-相互作用反应所得产物，在工业上是相互作用反应所得产物，在工业上是主要色料，也是配制蓝墨水和蓝色圆珠笔芯色料。在其结构主要色料，也是配制蓝墨水和蓝色圆珠笔芯色料。在其结构中由中由FeC=NFe为边围成小立方体骨架，因为电荷转移为边围成小立方体骨架，因为电荷转移作用，存在下面过程：作用，存在下面过程：电荷荷转移效移效应和和颜料料 第第5252页页教四225.03材料化学普鲁士蓝分子结构普鲁士蓝分子结构第第5353页页教四225.03材料化学普鲁士蓝晶体结构普鲁士蓝晶体结构第第5454页页普鲁士蓝及类似物晶体结构普鲁士蓝及类似物晶体结构第第5555页页刚玉晶体结构刚玉晶体结构第第5656页页教四225.03材料化学异异核核离离子子间间电电荷荷转转移移而而产产生生颜颜色色现现象象也也广广泛泛地地存存在在。蓝蓝宝宝石石（Al2O3:Fe2+，Ti4+）就就是是经经典典实实例例。当当刚刚玉玉（Al2O3）中中Al3+有有少少许许（普普通通小小于于0.1%）被被Fe2+和和Ti4+所所置置换换，在在结结构构中中相相邻邻Fe和和Ti离离子子距距离离为为265pm，这这些些离离子子dz2轨轨道道之之间间有有一一定定叠叠加加，当当在在白白光光作作用用下下，电电子子从从一一个个离离子跑到另一个离子上，发生上述过程。子跑到另一个离子上，发生上述过程。电荷荷转移效移效应和和颜料料 第第5757页页教四225.03材料化学蓝宝石蓝宝石第第5858页页教四225.03材料化学蓝宝石蓝宝石Fe2+Ti4+Fe3+Ti3+该该过过程程右右方方能能量量大大于于左左方方能能量量，其其增增量量为为2.11eV。这这种种过过程程也也称称为为光光化化学学氧氧化化还还原原作作用用。这这种种作作用用形形成成吸吸收收光光谱谱谱谱带带中中心心位位于于588nm，试试验验证证实实除除蓝蓝色色和和紫紫蓝蓝色色光光以以外外，全全部部其其它它颜颜色色光光都都被被吸吸收收了了，这这是是蓝蓝宝宝石石产产生生蓝色根源。蓝色根源。第第5959页页教四225.03材料化学许多深蓝色、棕色、黑色宝石和矿物颜色都因为其中许多深蓝色、棕色、黑色宝石和矿物颜色都因为其中Fe2+-Si4+电荷转移过程产生。比如，蓝晶石电荷转移过程产生。比如，蓝晶石Al3SiO5和和同分异构褐色红柱石，宝石形式黝帘石同分异构褐色红柱石，宝石形式黝帘石Ca2Al3Si3O12(OH)等。等。电荷转移产生特强吸收，因为选律完全允许这种跃迁电荷转移产生特强吸收，因为选律完全允许这种跃迁过程发生，由这种过程产生颜色通常是棕色、深蓝色或黑过程发生，由这种过程产生颜色通常是棕色、深蓝色或黑色。色。其它类型电荷转移包含金属其它类型电荷转移包含金属配位体、阴离子配位体、阴离子阳离阳离子、施主子、施主受主相互作用。受主相互作用。电荷荷转移效移效应和和颜料料 第第6060页页蓝晶石蓝晶石 Al3SiO5第第6161页页红柱石红柱石 andalusiteAl2(SiO5)O 第第6262页页黝帘石黝帘石zoisite Ca2Al3(SiO4)(Si2O7)O(OH)第第6363页页丹泉石丹泉石 tanzanite Ca2Al3(SiO4)3(OH)可能含有可能含有V V、CrCr、MnMn等元素等元素 第第6464页页电气石电气石Tourmaline(Na,Ca)(Mg,Fe)(Na,Ca)(Mg,Fe)3 3B B3 3AlAl6 6SiSi6 6(O,OH,F)(O,OH,F)碧玺碧玺第第6565页页铬铬黄黄PbCrO4、铬铬酸酸钾钾K2CrO4和和重重铬铬酸酸钾钾K2Cr2O7等等颜色来自下式电荷转移过程：颜色来自下式电荷转移过程：Cr6+O2-Cr5+O-这个过程能够发生，是因为高价正离子（这个过程能够发生，是因为高价正离子（Cr6+）对电子有强）对电子有强烈吸引作用。在外来光照下，轻易产生电荷转移过程。烈吸引作用。在外来光照下，轻易产生电荷转移过程。电荷荷转移效移效应和和颜料料 第第6666页页教四225.03材料化学赤铁矿赤铁矿Fe2O3红褐色来自：红褐色来自：Fe3+O2-Fe2+O-高锰酸钾高锰酸钾KMnO4出现深红紫色也是类似机理。出现深红紫色也是类似机理。电荷荷转移效移效应和和颜料料 第第6767页页电荷荷转移效移效应和和颜料料 由阴离子由阴离子-阴离子电荷转移而产生颜色主要实例是阴离子电荷转移而产生颜色主要实例是群青和天青石群青和天青石。群青是主要蓝色无机颜料，天青石可作宝石。群青是主要蓝色无机颜料，天青石可作宝石。将高岭土将高岭土Al2Si2O73H2O、硫黄、碳酸钠、硫酸钙和木炭混合加硫黄、碳酸钠、硫酸钙和木炭混合加热烧制，可得深蓝色群青热烧制，可得深蓝色群青(Ca2+，Na+)x Al6Si6O24（S3-,SO42-）。群。群青硅（铝）氧骨干青硅（铝）氧骨干Al6Si6O246+结构和方钠石结构相同。群青颜色起结构和方钠石结构相同。群青颜色起源于源于S3-（或S32-），它是由），它是由19个个（或（或13个）价电子组成离子，它奇数个）价电子组成离子，它奇数电子数目，使相邻电子数目，使相邻S3-阴离子之间轻易产阴离子之间轻易产生电荷转移，造成出现相当于生电荷转移，造成出现相当于2.1eV强吸强吸收带收带（600nm），展现带有紫色调深蓝色。，展现带有紫色调深蓝色。第第6868页页教四225.03材料化学固固体体能能带带结结构构能能够够说说明明许许多多物物质质产产生生颜颜色色原原因因。金金属属中中，电电子子占占据据能能级级组组成成连连续续能能带带。因因为为每每一一个个轨轨道道只只能能由由两两个个电电子子占占据据，所所以以金金属属中中必必须须有有很很多多能能级级，它它们们间间隔隔极极小小，故故形形成成能能带带。0K时时，从从最最低低能能级级直直到到费费米米能能级级（电电子子填填充充最最高高能能级级）都都被被电电子子占占据据，费费米米能能级级以以上上是是空空。导导带带中中，填填满满电电子子能能级级和和空空能能级级间间隔隔很很小小，任任何何能能量量输输入入，不不论论它它多多么么小小，都都能能把把1个个电电子子推推到到含含有有较较高高能能量量轨轨道道上上，所所以以任任何何能能量量几几乎乎全全被被吸吸收收，透透射射率率极极低低。处处于于高高能能级级电电子子又又能能快快速速跳跳回回低低能能级级，金金属属能能反反射射光光，含含有有很很高高反反射射率率，金金属属表表面面都都有光泽。有光泽。电子在固体能带间跃迁产生颜色电子在固体能带间跃迁产生颜色第第6969页页教四225.03材料化学不不一一样样金金属属和和合合金金显显示示不不一一样样颜颜色色，是是因因为为费费米米能能级级以以上上在在一一些些特特定定能能量量上上能能态态数数目目不不一一样样。能能态态密密度度不不均均匀匀，一一些些波波长长光光被被吸吸收收，另另一一些些更更轻轻易易有有效效地地重重新新发发射射。除除吸吸收收及及重重新新发发射射外外，不不一一样样金金属属和和合合金金透透射射情情况况也也不不一一样样，所所以以不不一一样样金金属属含含有有各各自自特特色色。金金展展现现金金黄黄色色，银银展展现现银银白白色色，铜展现紫红色。铜展现紫红色。金金在在光光谱谱红红端端吸吸收收最最强强，反反射射也也最最强强。金金在在光光谱谱紫紫端端透透射射多多，金金薄薄片片（厚厚度度约约100nm）透透射射光光呈呈蓝蓝绿绿色色。胶胶体体颗颗粒粒大大小小（直直径径为为10nm左左右右）金金粒粒分分散散在在玻玻璃璃中中，玻玻璃璃显显红色，称为红宝石玻璃。红色，称为红宝石玻璃。电子在固体能带间跃迁产生颜色电子在固体能带间跃迁产生颜色第第7070页页教四225.03材料化学能带能带第第7171页页教四225.03材料化学半半导导体体能能隙隙宽宽度度3eV，比比如如Si为为1.12 eV，Ge为为0.67eV。当当能能隙隙宽宽度度小小于于1.77eV（700nm）时时，全全部部颜颜色都被吸收，因为它是可见光极限。色都被吸收，因为它是可见光极限。能能隙隙宽宽度度小小于于1.7 eVSi，Ge，GaAs等等都都呈呈黑黑色色。CdS能能隙隙宽宽度度为为2.6 eV，使使它它吸吸收收紫紫色色和和蓝蓝色色，而而不不能能吸吸收收其其它颜色，它颜色，CdS显黄色，称为镉黄，用作颜料。显黄色，称为镉黄，用作颜料。金金刚刚石石能能隙隙宽宽度度为为5.4 eV，是是绝绝缘缘体体，它它是是无无色色透透明明晶晶体体。若若在在金金刚刚石石中中掺掺入入少少许许氮氮，使使能能隙隙宽宽度度改改为为2.2 eV，含氮金刚石展现黄色。，含氮金刚石展现黄色。电子在固体能带间跃迁产生颜色电子在固体能带间跃迁产生颜色第第7272页页金刚石金刚石第第7373页页教四225.03材料化学色色心心是是晶晶体体一一个个点点缺缺点点。比比如如，NaCl晶晶体体中中展展现现Cl-空空缺缺位位置置被被e-占占据据，形形成成色色心心。色色心心中中电电子子只只是是被被松松弛弛地地束束缚缚着着，受受到到白白光光照照射射，可可能能吸吸收收其其中中特特定定波波长长而而被被激激发发到到导导带带中中，从从而而使使晶晶体体产产生颜色。生颜色。色色心心晶晶体体是是束束缚缚在在基基质质晶晶格格点点缺缺点点周周围围电电子子或或其其它它离离子子与与晶晶格格相相互互作作用用形形成成发发光光中中心心。可可作作激激光光工工作作物物质质，是是激激光光器器中中借借以以发发射射激光物质激光物质激光基质。激光基质。当当前前，色色心心晶晶体体主主要要由由碱碱金金属属卤卤化化物物离离子子缺缺位位捕捕捉捉电电子子，形形成成色心。如：色心。如：LiF、KF、NaCl、KCl：Na、KCl：Li色心色心第第7474页页教四225.03材料化学宝石中常见色心有两种：宝石中常见色心有两种：电子色心：电子色心：是指电子存在于晶体结构缺点空位时形成是指电子存在于晶体结构缺点空位时形成色心。原因是当阴离子空穴俘获一个电子色心。原因是当阴离子空穴俘获一个电子后，该电子便处于其周围离子所形成晶体后，该电子便处于其周围离子所形成晶体场中，能级发生改变，当可见光照射宝石场中，能级发生改变，当可见光照射宝石时，该电子产生由基态到激发态跃迁，并时，该电子产生由基态到激发态跃迁，并在跃迁中对可见光产生选择性吸收而成色。在跃迁中对可见光产生选择性吸收而成色。经典例子：经典例子：紫色萤石紫色萤石色心色心第第7575页页教四225.03材料化学色心色心紫色萤石紫色萤石第第7676页页空穴色心：空穴色心：因为阳离子缺失而产生电子空位。因为阳离子缺失而产生电子空位。原原 因：当宝石中阳离子空位形成以后，为因：当宝石中阳离子空位形成以后，为 了到达电价平衡，阳离子空穴附近了到达电价平衡，阳离子空穴附近 阴离子在外来能量作用下释放阴离子在外来能量作用下释放 电子，形成未成对电子，这些未成电子，形成未成对电子，这些未成 对电子吸收可见光产生颜色。对电子吸收可见光产生颜色。经典例子：紫晶（经典例子：紫晶（FeFe3+3+）与烟晶）与烟晶(Al(Al3+3+)色心色心第第7777页页教四225.03材料化学紫晶紫晶紫晶紫晶烟晶烟晶烟晶烟晶 黄晶黄晶黄晶黄晶第第7878页页哪类化合物是因为电荷转移致使物质产生颜色？哪类化合物是因为电荷转移致使物质产生颜色？能发生电荷转移条件是什么？能发生电荷转移条件是什么？电荷转移有几个类型？电荷转移有几个类型？课堂练习课堂练习第第7979页页The Nano Graveyard isa thin film of tin(II)sulfidepreparedbyasolutionmethodwithpost-annealingandwasimagedusingscanningelectronmicroscopyatalowincidenceangle.Partofthefilmhasbeenartificiallycoloredtorepresentalumpy ground of moss or grass while the protruding crystals,resemblingtombstones,andhavebeenleftunaltered.ThesecenotaphscommemoratethematerialGrayGoo,who,afteranotoriouscareerofpublicfear-mongering,hasgently been laid to rest.Kindly pay your respects.-Steven Herron,StanfordUniversity第第8080页页Salt Crystals-Water soluble salts have deliquescent points(i.e.a relativehumidityabovewhichtheybegintodissolveinthemoisturethatisadsorbedontheirsurfaces).ThesaltcrystalsinthisSEMimagewerecompactedandsubsequentlyexposed to a controlled relative humidity above their deliquescent point.Newstructuresre-crystallizedattheparticleinterfaces.Maybelifereallyislikeaboxofchocolates!J.M.Anderson,M.W.Fleck,E.R.KuppandG.L.Messing,PennStateUniversity 第第8181页页Nano Garden-SEMimageofhydrothermally grown ZnO nanostructureonthesinteredAgnanoparticles.IwassupposedtogrowZnOnanowire,butIappliedtoomuchpowerwhichinturncausedabubble.Thebubbleaccidentallyconstructedastructurethatresemblesagardenwithastonetable.-SukjoonHong第第8282页页GoodOleFishing-TheSEMimageisoftitaniumdioxide(anatase)filmwithsurfacetexture.-ShirinM.Usmani,SanFranciscoStateUniversity.第第8383页页Flowers in Wonderland-Colorizedscanningelectronmicroscopy(SEM)imageofsilverdendritescreatedthroughafastreductionofsilvernitrate(AgNO3)inthepresenceofcitrate.Theas-obtainedsilverflowerspossesslargesurfaceareaaswellashighcatalyticactivity.-QiaoZhang第第8484页页Single-walled Carbon Nanotubes-ThisisanScanningElectronMicroscopy(SEM)imageofananodeusedinlithiumionbatteries.Thisparticularsampleconsistof95%puresemiconductingsingle-walledcarbonnanotubes.-LailaJaberAnsari第第8585页页教四教四225 .03材料化学材料化学蓝晶石蓝晶石 Al3SiO5第第8686页页教四教四225 .03材料化学材料化学褐色红柱石褐色红柱石第第8787页页教四教四225 .03材料化学材料化学黝帘石黝帘石第第8888页页