物质结构与颜色关系浅析.doc

　 物质结构与颜色关系浅析 　　 华南师范大学化学教学与资源研究所 510631 邓　峰　　钱扬义 物质在光源（如太阳光）提供的能量作用下，构成物质元素的原子中的电子，发生了以基态到激发态，又以激发态回到基态的跃迁，导致物质选择性地吸收或发射相应特定的光波，从而显示其特有的颜色。如果物质吸收光能后进行电子跃迁所产生的发射光谱在可见光范围之内，物质的颜色则实际上为其吸收的入射光的互补色与发射光谱产生的光的混合色；若产生的发射光谱不在可见光范围之内，物质的颜色则取决于物质吸收入射光后产生的互补色。 1 单质 金属　从金属键的能带理论看，金属的能带上部存在大量的空轨道，而且相邻轨道之间的能量差值非常小，因此，任何波长的光子进入金属表面时，都能将金属内部的自由电子激发到能带上部的空轨道上，但电子很快便跳回到较低能态而放出光子（但少数光子的能量会转化为热能），所以绝大多数的光子进入反射波中；而由于所射的光一般都包括所有可见波长的光，故大多数金属显银白色。 　　然而少数金属有些特殊，如纯金为赤黄色，纯铜为紫红色。其主要原因在于它们晶体中的金属离子外层的d电子吸收蓝紫色等短波长光后，会跃迁到s能带的空能级上，因而它们表面的反射光中蓝紫色光的成分较少，从而呈现出不同程度的黄色、红色。此外，铅的灰蓝色、铋的淡红色、铯的略带金色，原因基本与前两者相似，只是它们所吸收的光的频率不同。 准金属　具有半导体性能的晶体（如硅），常被称为准金属。许多准金属能像金属一样几乎可以反射所有波长的可见光，有一定的金属光泽。但由于它们必须克服禁带的能量间隙，所以比金属的吸收光多一些，反射光少一些，因此大多数半导体晶体（如锗）经常显灰色。 非金属　第一类：小分子物质（包括稀有气体和双原子分子）。对于稀有气体，其原子的最外层电子数都为8（He最外层电子数为2），均已达到稳定结构，而可见光的能量不足以使其电子激发，即可见光可以完全透过稀有气体，故稀有气体都是无色的气体。对于双原子分子，若两原子之间的化学键强度大（如H2、O2、N2等），它们分子中的外层电子都难以接受能量发生电子跃迁，故一般显无色；若两原子之间的化学键比较弱，即分子中的共用电子对受两原子核的束缚力越小，则分子对能量较小的光的吸收较强，从而呈现出的颜色有变深的趋势，如卤素分子中单质氟为淡黄绿色，氯气为黄绿色，溴为红棕色，碘为紫黑色。第二类：多原子分子物质，如As4、S8等。它们的元素原子因内层电子较多，p轨道倾向于以头碰头的形式形成σ键，故外层电子易于在接受可见光提供的能量后发生电子跃迁，从而使物质显示一定的颜色。如分子晶体砷和单质磷均显黄色。 2　化合物 无机化合物　一般地，s区元素与p区元素形成的化合物，表观为白色物质，溶于水后为无色透明溶液；而d区，d s区元素与p区元素形成的化合物大多数是有色的。这主要是因为前者形成的化合物中以离子化合物居多，即阴、阳离子的最外层电子都已达到8电子稳定构型，难以被激发；后者形成的化合物主要以共价化合物居多，其价电子层上电子数未必达到饱和，且有些还存在成单电子，而且离子之间亦存在极化作用，故一般均为有色物质。 ①　离子极化型化合物[1]　阴、阳离子在自身电场的作用下产生诱导偶极，而导致离子的极化，即离子的正负电荷重心不再重合，从而使分子轨道中的基态和激发态间的能差发生变化。一般地，离子极化作用越强，化合物中的价电子越易吸收可见光的能量发生电子跃迁，从而加深化合物的颜色，如AgI、CuCl2、和PbS等。一般地，离子极化与化合物显色关系可总结为：(Ⅰ)当阳离子相同时，阴离子的变形性越强，所形成的化合物的颜色越深（如卤化银）；(Ⅱ)当阴离子相同时，阳离子的极化力越强，化合物越易显深色（如氧化物）。 ②　结晶水化合物　部分化合物常含有结晶水，而且不含结晶水的盐与含结晶水的盐的颜色往往会不同，可见含结晶水的化合物的颜色主要由物质本身与结晶水两个因素共同决定。常见的结晶水化合物主要有以下三类：(Ⅰ)当物质为无色晶体，其阳离子为稳定的稀有气体元素构型，则形成的结晶水化合物的盐表观上大多为白色，但其盐溶于水后常为无色溶液，如皓矾和明矾等；(Ⅱ)当物质为白色，但其阳离子为过渡元素离子（且含有成单d电子），则形成的结晶水合物的盐的水溶液的颜色与过渡元素的水合离子的颜色相近，如绿矾和胆矾等；（Ⅲ）当物质本身带有一定的颜色，则形成的结晶水化合物的颜色一般会发生改变，如Cr2(SO4)3为桃红色，而Cr2(SO4)3·6H2O为绿色。 有机化合物[2] [3]　有机化合物的分子中主要存在三种价电子，即σ电子、π 电子和n 电子，当分子吸收光能后，某些电子会从低能级跃迁到高能级，并吸收不同的能量，导致化合物显示对应的颜色。有机物分子颜色与结构的关系，