无机化合物颜色的成因及影响因素

安琦 王梦 张世鑫

摘 要：颜色是物质的重要物理性质，它与物质的结构、颗粒直径、晶型及温度等因素有关。在这大千世界正式这缤纷多彩的颜色给人们以美的享受，给人以灵感启示，物质颜色对化学领域的研究也起着很重要的作用。例如，自然界中大量的无机和有机化合物通常呈现不同的颜色。化学家经常利用颜色变化来判断或识别某些化学反应的发生，物质中是否含有某些离子等。他们甚至可以用颜色变化来判断化学反应的程度等。然而，物质的颜色变化是一个有趣而复杂的问题。本文主要结合光学知识，讨论了无机化合物颜色与结构的关系和有关无机化合物颜色显现的影响因素。

关键词：无机化合物;颜色;结构;温度;焰色反应

颜色来自光，光伴随着颜色，所以说光与颜色密切相关。根据光的能量波动二象性理论，光是一种波长很短的放射性电磁波，具有类似微观粒子的波粒二象性。它的波长和能量密度公式是E=hγ=hc/λ，从能量密度公式中我们常常可以清楚地看出，能量与浓度和波长的关系呈现正、反比关系，即光的能量密度随波长的增加而有所减小。我们可以用肉眼所能直接见到的光称之为可见光，人们大体上将其按颜色划分为红、橙、黄、绿、蓝、靛、紫七种，其中的波长和范围大约是400nm～760nm，波长范围小于400nm的光一般属于辐射性紫外光，大于760nm的红外光一般称为辐射性红外光。各种颜色的光的波长和范围，可用各种颜色相环来表示。我们将色相环上的全部有色光按一定比例混合，可以得到白光。色相环上任何两个处于相对位置的扇形形状中的一对对称光称为物质的互补光。如果一个物质选择性地吸收白光中的某种特定波长的光，就可能会使其呈现与之互补的光的颜色。

在光的照射下，物质会将吸收光的互补光反射进人眼而在其大脑形成色觉。那么不同物质为什么会有不同的颜色呢？我们都已经知道一个物质的内部结构决定了它的性质，所以我们可以知道物质颜色也是由物质的整体内部结构决定的。比如物质是由分子结构组成的，而物质中分子的结构是由原子结构组成的，而原子又是由原子核和核外电子的结合所构成。正是这一层一层的宏观与微观的关系，电子非常容易受到来自外界的电能、热能和红外辐射能等多种能量的相互影响，电子就这样可以通过吸收更多的能量从基态跃迁至一个激发态，而处于这个激发态的核外电子又不稳定，会通过释放更多的能量跃迁回基态，释放更多能量的跃迁过程中还会伴随着发光、热的产生。而且能量是量子化的，其谱线波长决定于能量差△E。轨道的△E越大，电子跃迁所需吸收能量越高，则容易吸收能量高、波长短的光;反之，轨道的△E越小，物质容易吸收能量低、波长长的光。如跃迁波长处于可见光的范围之内，物质就呈现出特征颜色，即吸收光的互补色。讨论化合物颜色应先考虑离子的颜色。为什么不同的环境下离子显色时可以具有不同的颜色，这主要与离子的电子层和结构的稳定性有关。一般来说，离子的显色必须具备两个基本条件：第一、价层和离子轨道中有不稳定的未成对电子;第二、基态和激发态的离子能量差在可见光的范围内。例如s区、p区金属离子和具有d10、d10结构的过渡金属离子均为无色，这是因为具有d10、d10结构的离子稳定性较大，电子不易激发，而具有d1～9结构的过渡金属离子，电子易激发，所以都显色。其中具有d5结构的离子稳定性也较大，即使显色颜色也很浅。

无机化合物颜色的一般规律主要有以下几种情况：第一、如果组成离子有色，它的化合物就有色。如无色的Ba2+ 和黄色的CrO42-生成黄色的BaCrO4。第二、如果离子无色，形成的化合物有些无色。如无色的Ca2+ 、Sr2+、Ba2+ 和无色的SO42-、CO42-等形成无色的化合物。第三、有些无色离子形成的共价化合物可显示不同的颜色。如无色的离子Ag+和无色的I-可以结合，但是生成的AgI却为一种亮黄色粉末。Hg2+和S2-均為无色离子，但是HgS却为灰黑色粉末。

无机化合物颜色的影响因素有很多，多数与外界条件的改变有关，例如温度的改变、晶型的改变、溶剂的极性等等。

首先，温度对化合物颜色的影响比较大。无机化合物的颜色一般随着外界温度的升高而逐渐加深，这主要是由于随着温度的升高时离子互相振动的机会也增加，阴阳离子互相接触的机会也增加，所以阴阳离子的极化增加，这是就导致了化合物激发态和基态之间能量差的减小，增加了在电子跃迁时所吸收的可见光的波长。因此，提高化合物的温度实际上会有助于加深无机化合物的颜色。其次，一些化学物质的颜色会随着晶型的改变而发生变化。例如，PbO有两种晶体形式——红色四方晶体和黄色正交晶体。红色四方晶体在室温下相对稳定。红色晶体可以通过在水中煮沸黄色PbO获得。又如HgS这种物质有黑色和红色两种晶体类型不同的晶体，HgS通常为黑色晶体沉淀，在695K时，黑色的晶体可转变为比较稳定的红色的晶体。

再次，溶剂不同，物质的颜色也可不同。例如碘，当碘溶于不同溶剂时它所形成溶液的颜色会随溶剂的不同而不同。通常，在诱电率较大的溶剂中，例如在水、乙醇中溶解时，碘会呈现出棕色;而在诱电率较小的溶剂中，如在CO2、CCl4中溶解时，此时碘会呈现出紫色。碘溶液的颜色之所以在不同的溶剂中会出现不同的颜色，是由于碘在具有分子极性的溶剂中会直接发生溶剂化的作用，生成溶剂化物，表现为呈现出淡淡地棕色。而在非极性或者分子极性比较低的溶剂里，碘不会发生溶剂化的作用，故而产生非极性溶剂化物，溶解的碘依旧是以简单分子的状态存在，所以此时溶液的颜色与碘的蒸汽颜色相同，依然为淡淡地紫色

最后，溶液的酸碱性对物质的颜色也有影响。由于物质的存在条件不同，在某条件下能通过化学反应变为另一种物质，也会造成颜色的不同。

总之，无机化合物的颜色是由多种因素影响的，其中一些因素往往是交织在一起的。但是，在掌握上述原因、规律等知识的基础上，我们可以从更好的理解和记忆无机物的颜色、掌握无机物的这一重要的性质。颜色是物质的一个非常重要的属性，广泛应用于日常生活、工业生产和科学研究等各个领域，所以说无机化合物的颜色研究和应用的前景十分广阔，相信将来会有越来越多的专家开始致力于这一领域的研究。

参考文献：

[1]宋天佑等.无机化学（第3版）[M]. 高等教育出版社.

[2]唐宗薰. 中级无机化学.[M]， 高等教育出版社.