读书报告

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——物质的显色及其机理

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化本081孔伟08240122

摘要

从物质颜色及其影响因素出发如离子极化，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，讨论了物质呈色的本质，对物质呈色的3要素及影响物体呈色的主要因素进行了论述，并列举了无机世界里几个有代表性物质或元素的显色机理。通过对这些现象的分析，说明自然界中物质五颜六色的根本原因，以便我们更好地理解物质的呈色。

关键词

颜色可见光无机物离子极化电子跃迁d-d跃迁f-f跃迁荷移跃迁∏→∏*或n→∏*跃迁

正文

世界上成千上万种物质所呈现出的五彩缤纷、千变万化的颜色，为大自然增添了勃勃生机，也给人们的日常工作和生活带来了和谐与美感。颜色也常常是引起人们对化学产生浓厚兴趣的主要原因，它在我们的日常生活中起着相当重要的作用，比如课堂教学、科研工作和工业生产中，经常能够接触到物质的颜色及其种种变化。由于不同颜色会给人们以不同的感觉，加上人们对色调极其精细的分辨能力，颜色已成为各种信号标志的基础和用以传递信息的一种手段，这就使之为微电子学家所重视的缘由所在，也是其用作信息存储和读出的一种基质。人们在应用天然有色材料的同时，大量合成各种染料和颜料，染料和颜料不仅仅是分析化学家和法庭科学家们绝妙的化学珍品，而且也是医生们的诊断药物，生物化学家则利用它进行组织学研究，化学家常利用颜色的变化来判断或鉴别某些化学反应的发生或鉴别试料中是否含有某些离子等。液晶显示系统、高能辐射感受器以及染料激光器等，是合成着色剂在不同领域中应用的近代实例。颜色是物体对可见光选择吸收的结果，因此颜色的产生首先涉及光与物质的相互作用，而光与物质的作用一般情况下主要发生的是吸收、透射、散射和反射等。颜色又是客观存在的电磁辐射作用于人的视觉器官所产生的一种心理感受，眼睛看到的颜色变化决定于物体的物理状态、光源的波长分布等。没有光，万紫千红的春色，姿态优美的舞台艺术都会湮没在黑暗之中；有了光，世界上的物体才显示出五光十色。这些颜色有些是大自然赋予的，有些则是物理学家、化学家和工程师们利用各种各样的物理原理和化学变化“制造”出来的。

物质显色的原因

物质显色的原因是光与物质相互作用的结果通过观察者的视觉系统而产生的印象，可以说，光源、眼睛和物体是物质呈色的3要素。总之，不透明物质的颜色依赖于入射光的颜色和它反射到眼睛内的光的频率，透明物质的颜色依赖于它们的透射光的颜色。物质的结构是影响物质发色的内因，因为结构决定了物质对光线的吸收特性，结构的变化会直接影响物质对光线的吸收、反射或透射，物质所呈现的颜色便随之发生变化。物质显色的根本原因在于物质的基态和激发态能量差。

1.吸收光谱

自然光照射物质，可见部分全通过，则无色透明；全反射，为白色；全吸收，显黑色。当部分波长的可见光被吸收，而其余波长（即与被吸收的光互补）的光通过或反射出来，则形成颜色。这就是吸收光谱的显色原理。各种波长的光之互补关系简示如下：

吸收部分在红外或紫外，则可见光全透过或全反射。

2.离子极化作用

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。

3.d-d跃迁

的3d1电子在分裂后的d轨道中的排列为：

波长的部分，使电子排布变为

在自然光的照射下，吸收了能量相当于△

O

这种吸收在紫区和红区最少，故显紫红色，但这种紫红色极浅。

又如，H

O为弱场，其d5的排布为:

2

吸收部分可见光后，变成:

这类显色机理，是电子从分裂后的低能量d轨道向高能量d轨道跃迁造成的。称为d-d跃迁。组态为d1-d9的配合物，一般有颜色，基本都是由d-

d跃迁造成的。颜色浅是由于这种跃迁受到某些限制，几率小的原因。

4.荷移跃迁

但也有d0和d10的化合物有颜色，如:

无色黄绿色红色

其机理是

（1）有从I-夺回电子的趋势，一般情况下，这是困难的，要吸收紫

外光方可,故可见光全透过,即在可见区无吸收,无色.

（2）当相互极化强烈时，即电子云变形性大，电子则易于从负离子向正离子转移，吸收可见光的一部分，产生颜色。如CdI

2

中，由于半径大，相

互极化程度大于ZnI

2，电荷转移易于ZnI

2

，吸收紫光，显黄绿色。

（3）HgI

2

电荷跃迁更容易，吸收蓝绿色光，显红色。这种显色机理称为电

荷跃迁。

（4）离子极化发生后，使物质的 b.p.，m.p.变低，溶解度较小,颜色发生变化。

（5）温度对极化和电荷跃迁有影响，故影响颜色。

AgI常温下是黄色的，高温下极化作用强，电荷跃迁更容易，吸收比蓝光更低的蓝绿光，显红色。低温时，电荷跃迁变难，吸收紫外光，显白色。

中心均为d0，无d-d跃迁，但高价的V(V)、Cr(VI)、Mn(VII)均有较强的极化能力，使负二价的氧发生电荷跃迁，显色。其中Mn(VII)的极化能力更强，吸收黄绿光，显紫色。

5.f-f跃迁

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f n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。

6.∏→∏*或n→∏*跃迁

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)

6

4-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。