对物质颜色的探讨.doc

无机化学课程小论文 - 4 -

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。
红紫
1 颜色的产生
红
紫
1.1 光的一般知识
光是波长很短的电磁波，其能量随波长的蓝
橙
增加而减小，我们所见到的光称可见光，包括青
蓝绿
绿
黄绿
黄
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
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。
2.2 d-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-<H2O<C2O42-<NH3<NO2<CN-)，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
2.3 f-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.
[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）