顏色無比神奇，人們可以用它來形容世間萬物，也可以用它來抒發人最深沉的感悟，它給人類帶來了無窮的樂趣。我們生活在一個色彩斑斕的世界，如晶瑩的水晶、清澈的流水、閃亮的金屬、絢麗的花朵、烏黑的煤、雪白的鹽等，大自然演奏出和諧的色彩交響曲。人類語言中關于色彩的比喻不勝枚舉，無不處處體現著人類與色彩的千絲萬縷的聯系。色彩促使人類接近大自然，色彩豐富人類的生活。然而，物質的顏色問題是一個很復雜的問題，影響因素很多，一些物質的呈色常常有多種起因，因此要想準確地預測某種化合物的顏色往往還是很困難的事情。

 

       1、分子振動產生的顏色

       能夠產生顏色的視覺系統的物理輸入方式有很多，相對而言，單獨由振動吸收導致顏色的現象是不常見的。我們知道，振動和轉動對每一個電子能級提供了附加能級，使得吸收和發射光譜發生一定的變更。比如觀看大體積的冰和水時，有淡藍色或藍色的顏色出現，尤其是觀看湖泊、大海及部分深水游泳池等場所，這種顏色就來自于 H₂O  分子中純正的 H-O 振動。此外，紫色的碘蒸氣、綠色的氯氣及一些火焰的藍色發射等，都屬于這種振動能級躍遷產生顏色的類型。

       水的吸收光譜是很復雜的，如圖所示，在紅外區包括一系列窄的強吸收帶，在接近可見光區域，吸收峰的強度快速減弱，從紅外到可見光區過渡的光譜紅端還有少量的吸收，正是該紅色吸收給出了它的補色——淡淡的藍色。

 

 

       2、簡單激發產生的顏色

       某種顏色的呈現總要涉及能級間的電子躍遷，但下面講述的原子、分子固有能級間的電子直接躍遷與后面章節中討論的多種形式化學鍵的變化產生的能級躍遷有很多不同之處。

       原子是由原子核和若干不斷運動的核外電子形成的體系，原子的能級是量子化的，在正常的情況下，原子處于穩定狀態，它的能量是最低的，這種狀態稱為基態。但當原子受到外界能量（如熱能、電能等）的作用時，原子由于與高速運動的氣態粒子或電子相互碰撞而獲得了能量，使原子核外層的電子從基態躍遷到更高的能級上，處于這種狀態的原子稱為激發態。處于較高能量的軌道上的電子十分不穩定，在極短的時間內會立即發生由高能級向低能級躍遷，釋放多余的能量，以一定波長光的形式發射出來。原子中電子能級之間的躍遷產生光的概念，是氣體激發產生顏色的核心。

       比如所有氣體放電燈的工作原理都是基于放電管內的電子、原子、離子之間的相互碰撞。較為劇烈的氣體放電現象有很多，如中學物理中關于尖端放電的實驗、科技館中進行的電磁屏蔽與放電演示等，由于高的電場作用導致間隙很小區域內氣體的電離，產生火花（電?。?。電在通過空氣時能將空氣加熱，產生光輻射；熱也使空氣膨脹，完成放電之后，已膨脹的空氣收縮并發出爆裂聲，這是夏季易出現雷鳴電閃現象的根本原因。氣體放電光源主要有低壓汞蒸氣放電燈、高壓汞蒸氣放電燈、高壓鈉蒸氣放電燈、金屬鹵化物放電燈、無極放電燈和準分子光源等。1910 年，法國人 Claude 把用直流電激發的 Geissler 管發展成氖管。氖管中心區域很窄，以限制其放電并加強亮度。氖或者氖加氬產生紅光；氬或氬和汞一起產生藍光；氦產生粉紅光，氪產生淺紫色，氙產生藍色。如利用有色玻璃泡，氖的紅光和氬的藍光可以分別轉變為黃光或綠光。氦、氪、氙等價格昂貴，發光強度也不夠大，一般不選用這類氣體。稀有氣體廣泛用于廣告招牌，閃動著迷人色彩的霓虹燈是稀有氣體放電的具體應用。如果霓虹燈燈管內充上氦-氖-氬的混合氣體及微量的汞，通電后則發出亮綠色的燈光。調整或改變稀有氣體的混合比例，可發出亮藍色的光等。

       又比如鈉蒸氣燈在制造時加入少量氖氣，氖觸發氣體放電，其熱量使鈉氣化，因此在通電幾分鐘內，鈉燈的顏色從氖的粉紅色變為鈉的黃色。提高鈉的溫度與壓力，使用氧化鋁管，可以得到近于白色的光，這種鈉蒸氣燈曾用于街道的夜晚照明。由于低壓鈉燈產生的輻射是單色的黃光，因此只能用于分辨率要求不高的場合，如窄街小巷的照明常用低功率的低壓鈉燈；主要干道和公路則多數用高功率的低壓鈉燈；停車場照明、泛光照明、保安照明等，也可選用低壓鈉燈。

       還有稀土三基色熒光燈，發光體的一種重要應用是熒光燈。熒光燈的光線之所以較普通燈強，是因為在熒興燈管內壁涂有一層發光材料，燈管內充有汞蒸氣和氬氣的混合物。當有電流通過此燈管時，汞原子上的價電子將受到激發躍遷到較高電子能態，當它們跳回基態時，同時發射出兩種特征波長為 254.0 nm和 185.0 nm的紫外線。這種光輻射到燈管內壁的發光材料上，隨即發出較強的白光。

 

       3、與能帶及色心相關的顏色

       金屬單質顏色的來源涉及電子在能帶間的躍遷，如金屬銅的紅色、銀的白色、金的黃色、鉍的淡紅色、鉛的淡藍色等，都起因于金屬原子的電子在價帶和導帶間的躍遷。離子晶體顯色與離子間的極化作用相關，色心是離子晶體顯色的另一個重要起因。由于離子晶體中的一些本征缺陷或雜質缺陷使得其電子軌道延伸到周圍基質離子中去，因而可以把這些缺陷及其周圍離子的締合體看作是這類晶體的光吸收或發射的光學活性中心，從而顯示出一定的顏色。如無色的 NaCl 和 CaF₂ 晶體，因 F 色心而使得 NaCl 晶體顯黃色、CaF₂ 晶體顯紅紫色等。色心的類型有多種，如 F 色心、F' 色心、F2 色心、Vk 色心、F2+ 色心等，各種色心在一定條件下是可以相互轉化的。

       金屬的光澤來自于對光的強吸收和高反射，而金屬的態密度圖決定了在光譜的不同區域有不同的吸收狀態，從而產生了不同的顏色。

 

       4、無機物顏色成因

       電子對可見光的選擇吸收是分子化學中化合物呈色的重要起源，不同物質具有不同的分子結構及電子能級，因而發生電子躍遷的類型也就有很大的差異。分子軌道間電子躍遷引起的顏色是物質呈色原因中最為重要的一大類型。

       化合物呈色的本質：無機物之所以能呈現出各種各樣絢麗多彩的顏色，最根本的原因是分子結構中的外層價電子能夠對可見光發生選擇性吸收，且化合物能夠反射和透射某些波長的光。形成化合物時的反應條件（如加料順序與方式、反應溫度、反應物類別、溶劑種類等）、所形成化合物的顆粒大小、表觀狀態、聚集狀態等因素，直接影響到化合物與光作用時發生的一些光學現象，如散射、干涉、衍射等?；衔锏幕瘜W組成、晶型、配位數、各種異構現象、介質和溶劑極性等因素，同樣可影響化合物的最終顏色。

       NaCl 、Na₂S 、NaBr 、KCl 等離子晶體都應是無色透明的，但我們平時見到的實物卻都是白色的，這實際上只是一種光學現象。談到白色，我們總會想到大雪之后，遍地銀裝素裹的潔白世界。但如果取出一小片雪花觀察，就會發現它是形狀非常規則的六面結晶體，是無色透明的。但是為什么一片片雪花堆疊在一起以后，就會變成白色了呢？我們用玻璃來說明這個道理。大塊的玻璃是無色透明的，當光線照射以后，會在上面發生折射和反射。因為折射光和反射光遵守著一定的規律，經過反射和折射的光的成分和原來一樣，我們可以透過它們看到后面的物體。比如，當你隔著玻璃櫥窗看里面的陳列品時，你的視力不自覺地會集中在陳列品上，所以往往察覺不到玻璃的存在。這時，你的自然感覺就是玻璃是透明、無色的。當你把玻璃搗成碎渣，每塊碎渣當然還是無色透明的。但是它們的形狀、大小沒有規則，碎塊之間又夾雜著大量的空氣，所以當光線照射到上面后，經歷了一系列的折射、反射的曲折、復雜過程，不僅使反射光線的方向失去了規則，也使得透射光線的大部分被吸收掉，于是，這堆玻璃渣失去了透明性，也就不再是無色的了。當你觀察這堆玻璃渣時，眼睛聚焦在其表面上，從表面反射出來的光雖然沒有規則的方向，但它們具有原來入射光中的一切成分。所以，你感覺到它們的顏色就是白色。雪花、白糖、粉末狀的食鹽等物質呈現白色的道理與此相同。小粒的食鹽和白糖，在放大鏡下看都是無色透明的，但大量堆積在一起時就變為白色不透明的。所以我們應該將這些物質的白色與滑石粉、白面、可賽銀（涂料中一種常用的白色粉末狀物質）等物質的白色相區別。雖然它們作用于我們眼里的都是白光的一切成分，但前者是光學性質體現的結果，而后者則是物質本身與光作用的結果。

       光散射能力（亦稱分散力）取決于顆粒大小，當顆粒尺寸約為光波長的 1/2 （d＝0.2～0.4 μm）時，光散射的效果最好。對于大多數白色顏料，顆粒尺寸盡量選擇這個范圍，以獲得較好的遮蓋力。對于 TiO₂，當顆粒直徑為 0.2 μm時，對光的散射力達到最大值（Mie 理論），用在香粉等化妝品中顯得潔白細膩，產生很好的視覺效果。分散力也取決于波長，TiO₂ 顆粒越小，較短波長散射光越強，因此顯示出略帶藍色調，而較大顆粒則顯示偏黃的色調。近年來，已制得納米級極細粒度的鈦白粉，其分散性和耐光性都非常好，且具有很強的抗紫外線能力，廣泛用于防曬制劑和遮瑕膏等。顏色濃重的無機顏料，自身已有很高的折射率，對光的吸收與反射足以產生分明的顏色，顏料顆粒需要大些，以減弱散射，一般選擇 1～10 μm，如果研磨很細反而會損失顏色或產生減飽和作用。

 

       5、顏色與有機分子結構

       有機化合物（organic compound）主要指由 C、H、O、N、S、P、X  等元素組成的化合物，是生命產生的物質基礎。早期，有機化合物指由動植物有機體內取得的物質。根據化學鍵理論知，有機化合物分子中有幾種不同性質的價電子：以 σ 鍵相連的電子稱為 σ 電子；以 π 鍵相連的電子稱為 π 電子；氧、氮、硫、鹵素等含有未成鍵的孤對電子，稱為 n 電子（或稱 p 電子）。價電子對可見光的選擇吸收是分子化學中化合物呈色的重要起源，不同物質具有不同的分子結構及電子能級，因而發生電子躍遷的類型也就有很大的差異。

       由于分子在發生電子躍遷時不可避免地要產生振動能級和轉動能級的變動，且電子激發躍遷的過程十分迅速（約 10^－15 s），以致激發時分子來不及改變其幾何構型（Franck-Condon 原理），電子在從基態能級躍遷至各可能的激發態能級時提供了一系列可能的躍遷能，于是形成的是帶狀吸收光譜而不是簡單的線狀吸收光譜。

       德國化學家O N Witt（1853—1915）在 1876 年提出了發/生色團（chromophore）、助色團（auxochrome）等概念。

       發色團一般指各種無色的不飽和基團，它對分子顯示某種顏色起著決定性的作用，發色團越多，化合物的顏色就越深。

       助色團是其本身在 200 nm 以上不具有任何重要的吸收、但帶有雜原子的飽和基團，當它們被連接在發色團或飽和烴上時，卻可以顯著地增長發色團或飽和烴的 λ max。

       發色體（chromogen）是指有色的不飽和體系或與簡單的取代基結合后即轉變成有色的不飽和體系。

       有顏色的有機化合物整體又稱為有機色素，有機色素的多樣性使人類生存的物質世界絢麗多彩、美不勝收。

       下圖是有機色素結構示意。

 

 

有機色素結構示意

 

轉自——網絡

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