無機(jī)化合物顏色的成因及影響因素

安琦 王夢 張世鑫

摘 要：顏色是物質(zhì)的重要物理性質(zhì)，它與物質(zhì)的結(jié)構(gòu)、顆粒直徑、晶型及溫度等因素有關(guān)。在這大千世界正式這繽紛多彩的顏色給人們以美的享受，給人以靈感啟示，物質(zhì)顏色對化學(xué)領(lǐng)域的研究也起著很重要的作用。例如，自然界中大量的無機(jī)和有機(jī)化合物通常呈現(xiàn)不同的顏色。化學(xué)家經(jīng)常利用顏色變化來判斷或識別某些化學(xué)反應(yīng)的發(fā)生，物質(zhì)中是否含有某些離子等。他們甚至可以用顏色變化來判斷化學(xué)反應(yīng)的程度等。然而，物質(zhì)的顏色變化是一個有趣而復(fù)雜的問題。本文主要結(jié)合光學(xué)知識，討論了無機(jī)化合物顏色與結(jié)構(gòu)的關(guān)系和有關(guān)無機(jī)化合物顏色顯現(xiàn)的影響因素。

關(guān)鍵詞：無機(jī)化合物;顏色;結(jié)構(gòu);溫度;焰色反應(yīng)

顏色來自光，光伴隨著顏色，所以說光與顏色密切相關(guān)。根據(jù)光的能量波動二象性理論，光是一種波長很短的放射性電磁波，具有類似微觀粒子的波粒二象性。它的波長和能量密度公式是E=hγ=hc/λ，從能量密度公式中我們常常可以清楚地看出，能量與濃度和波長的關(guān)系呈現(xiàn)正、反比關(guān)系，即光的能量密度隨波長的增加而有所減小。我們可以用肉眼所能直接見到的光稱之為可見光，人們大體上將其按顏色劃分為紅、橙、黃、綠、藍(lán)、靛、紫七種，其中的波長和范圍大約是400nm～760nm，波長范圍小于400nm的光一般屬于輻射性紫外光，大于760nm的紅外光一般稱為輻射性紅外光。各種顏色的光的波長和范圍，可用各種顏色相環(huán)來表示。我們將色相環(huán)上的全部有色光按一定比例混合，可以得到白光。色相環(huán)上任何兩個處于相對位置的扇形形狀中的一對對稱光稱為物質(zhì)的互補(bǔ)光。如果一個物質(zhì)選擇性地吸收白光中的某種特定波長的光，就可能會使其呈現(xiàn)與之互補(bǔ)的光的顏色。

在光的照射下，物質(zhì)會將吸收光的互補(bǔ)光反射進(jìn)人眼而在其大腦形成色覺。那么不同物質(zhì)為什么會有不同的顏色呢？我們都已經(jīng)知道一個物質(zhì)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)決定了它的性質(zhì)，所以我們可以知道物質(zhì)顏色也是由物質(zhì)的整體內(nèi)部結(jié)構(gòu)決定的。比如物質(zhì)是由分子結(jié)構(gòu)組成的，而物質(zhì)中分子的結(jié)構(gòu)是由原子結(jié)構(gòu)組成的，而原子又是由原子核和核外電子的結(jié)合所構(gòu)成。正是這一層一層的宏觀與微觀的關(guān)系，電子非常容易受到來自外界的電能、熱能和紅外輻射能等多種能量的相互影響，電子就這樣可以通過吸收更多的能量從基態(tài)躍遷至一個激發(fā)態(tài)，而處于這個激發(fā)態(tài)的核外電子又不穩(wěn)定，會通過釋放更多的能量躍遷回基態(tài)，釋放更多能量的躍遷過程中還會伴隨著發(fā)光、熱的產(chǎn)生。而且能量是量子化的，其譜線波長決定于能量差△E。軌道的△E越大，電子躍遷所需吸收能量越高，則容易吸收能量高、波長短的光;反之，軌道的△E越小，物質(zhì)容易吸收能量低、波長長的光。如躍遷波長處于可見光的范圍之內(nèi)，物質(zhì)就呈現(xiàn)出特征顏色，即吸收光的互補(bǔ)色。討論化合物顏色應(yīng)先考慮離子的顏色。為什么不同的環(huán)境下離子顯色時可以具有不同的顏色，這主要與離子的電子層和結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性有關(guān)。一般來說，離子的顯色必須具備兩個基本條件：第一、價(jià)層和離子軌道中有不穩(wěn)定的未成對電子;第二、基態(tài)和激發(fā)態(tài)的離子能量差在可見光的范圍內(nèi)。例如s區(qū)、p區(qū)金屬離子和具有d10、d10結(jié)構(gòu)的過渡金屬離子均為無色，這是因?yàn)榫哂衐10、d10結(jié)構(gòu)的離子穩(wěn)定性較大，電子不易激發(fā)，而具有d1～9結(jié)構(gòu)的過渡金屬離子，電子易激發(fā)，所以都顯色。其中具有d5結(jié)構(gòu)的離子穩(wěn)定性也較大，即使顯色顏色也很淺。

無機(jī)化合物顏色的一般規(guī)律主要有以下幾種情況：第一、如果組成離子有色，它的化合物就有色。如無色的Ba2+ 和黃色的CrO42-生成黃色的BaCrO4。第二、如果離子無色，形成的化合物有些無色。如無色的Ca2+ 、Sr2+、Ba2+ 和無色的SO42-、CO42-等形成無色的化合物。第三、有些無色離子形成的共價(jià)化合物可顯示不同的顏色。如無色的離子Ag+和無色的I-可以結(jié)合，但是生成的AgI卻為一種亮黃色粉末。Hg2+和S2-均為無色離子，但是HgS卻為灰黑色粉末。

無機(jī)化合物顏色的影響因素有很多，多數(shù)與外界條件的改變有關(guān)，例如溫度的改變、晶型的改變、溶劑的極性等等。

首先，溫度對化合物顏色的影響比較大。無機(jī)化合物的顏色一般隨著外界溫度的升高而逐漸加深，這主要是由于隨著溫度的升高時離子互相振動的機(jī)會也增加，陰陽離子互相接觸的機(jī)會也增加，所以陰陽離子的極化增加，這是就導(dǎo)致了化合物激發(fā)態(tài)和基態(tài)之間能量差的減小，增加了在電子躍遷時所吸收的可見光的波長。因此，提高化合物的溫度實(shí)際上會有助于加深無機(jī)化合物的顏色。其次，一些化學(xué)物質(zhì)的顏色會隨著晶型的改變而發(fā)生變化。例如，PbO有兩種晶體形式——紅色四方晶體和黃色正交晶體。紅色四方晶體在室溫下相對穩(wěn)定。紅色晶體可以通過在水中煮沸黃色PbO獲得。又如HgS這種物質(zhì)有黑色和紅色兩種晶體類型不同的晶體，HgS通常為黑色晶體沉淀，在695K時，黑色的晶體可轉(zhuǎn)變?yōu)楸容^穩(wěn)定的紅色的晶體。

再次，溶劑不同，物質(zhì)的顏色也可不同。例如碘，當(dāng)?shù)馊苡诓煌軇r它所形成溶液的顏色會隨溶劑的不同而不同。通常，在誘電率較大的溶劑中，例如在水、乙醇中溶解時，碘會呈現(xiàn)出棕色;而在誘電率較小的溶劑中，如在CO2、CCl4中溶解時，此時碘會呈現(xiàn)出紫色。碘溶液的顏色之所以在不同的溶劑中會出現(xiàn)不同的顏色，是由于碘在具有分子極性的溶劑中會直接發(fā)生溶劑化的作用，生成溶劑化物，表現(xiàn)為呈現(xiàn)出淡淡地棕色。而在非極性或者分子極性比較低的溶劑里，碘不會發(fā)生溶劑化的作用，故而產(chǎn)生非極性溶劑化物，溶解的碘依舊是以簡單分子的狀態(tài)存在，所以此時溶液的顏色與碘的蒸汽顏色相同，依然為淡淡地紫色

最后，溶液的酸堿性對物質(zhì)的顏色也有影響。由于物質(zhì)的存在條件不同，在某條件下能通過化學(xué)反應(yīng)變?yōu)榱硪环N物質(zhì)，也會造成顏色的不同。

總之，無機(jī)化合物的顏色是由多種因素影響的，其中一些因素往往是交織在一起的。但是，在掌握上述原因、規(guī)律等知識的基礎(chǔ)上，我們可以從更好的理解和記憶無機(jī)物的顏色、掌握無機(jī)物的這一重要的性質(zhì)。顏色是物質(zhì)的一個非常重要的屬性，廣泛應(yīng)用于日常生活、工業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)研究等各個領(lǐng)域，所以說無機(jī)化合物的顏色研究和應(yīng)用的前景十分廣闊，相信將來會有越來越多的專家開始致力于這一領(lǐng)域的研究。

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