無機化合物顯色規(guī)律分析與探究

尹紅果

摘 要：《無機化學》是高等院?；瘜W、醫(yī)藥、生物、環(huán)境和材料等專業(yè)的一門重要的專業(yè)基礎課程，為了讓學生更好的理解無機化合物的基本性質(zhì)，本文歸納和總結了無機化合物的顯色規(guī)律，探究了物質(zhì)的顯色原因及相關影響因素，旨在激發(fā)學生學習無機化學的興趣，對無機化學有更全面更深入的理解，以培養(yǎng)學生科學縝密、靈活高效的學習和思維能力。

關鍵詞：無機物；顯色；電子躍遷；過渡元素

顏色是無機化合物的重要物理性質(zhì)之一，我們在學習無機化學的時候可以通過物質(zhì)呈現(xiàn)的顏色來對物質(zhì)進行識別和區(qū)分，還可以通過觀察物質(zhì)顏色的改變來判斷化學反應進行的程度，另外通過無機化合物的顯色規(guī)律還可以合成新物質(zhì)。由此可見，化學物質(zhì)的顏色在化學的發(fā)展上有著極其重要的作用。下面，我們簡單分析和歸納出無機化合物的顯色規(guī)律，顯色原理和影響因素以供化學工作者和學生參考。

一、無機化合物的顯色規(guī)律

影響無機化合物顏色的因素復雜多樣，下面就個人所學總結出些許顯色規(guī)律以供參考。

1.一般來說，原子軌道最外層含有d電子或f電子的過渡元素、稀土元素都呈現(xiàn)特殊顏色。絕大部分+2、+3價態(tài)的過渡金屬、稀土金屬離子都呈現(xiàn)出特有顏色，只有d5、f7電子組態(tài)的離子顏色相對較淺或呈無色。

2.大多數(shù)金屬的鹵化物都呈現(xiàn)顏色。除了多數(shù)金屬氟化物，鋅、鎘、汞的鹵化物是無色外（注：氟化亞銅、氟化溴、碘化亞汞呈紅色），大多數(shù)金屬的鹵化物來說都呈現(xiàn)特有的顏色。由于金屬鹵化物不同的存在狀態(tài)，一般無色的氣態(tài)和液態(tài)用（無色）表示，無色的固態(tài)用（白色）表示。

3.一般，對于含氧酸根離子來說，主族元素的多數(shù)不顯顏色無色，而過渡元素的大部分有特殊顏色。各主族元素如碳、氮族、鹵素以及硫?qū)?，其含氧酸和含氧酸鹽基本是無色的，其中鉍酸鉀顯紅紫色、鉍酸鈉顯黃色除外。過渡元素由于具有d電子組態(tài)，所以其含氧酸根離子大多數(shù)呈現(xiàn)特殊的顏色，而且隨著原子序數(shù)的增加，同一族的元素含氧酸跟顏色逐漸變淺，如第七副族高錳酸根為紫色，同主族另外兩種元素的含氧酸跟均為淡紅色。另外還需要注意，有些過渡元素的含氧酸根離子的溶液本身無色，但濃縮成晶體或過氧離子被取代后呈現(xiàn)顏色，如過鈦酸呈棕黃色。

4.如果某種元素具有不同的化合態(tài)，那么該種元素組成的多價態(tài)的化合物一般都有顏色。

5.配位化合物的順式異構體的顏色比反式異構體的更偏向短波顏色（紫色），空間構型為四面體和平面正方形的配合物呈現(xiàn)的顏色比八面體的也更偏向短波顏色。例如：氯化二氯四氨合鈷（Ⅲ）的順式結構顯示紫色，偏向短波顏色方向，而其反式結構呈現(xiàn)綠色。

6.無色晶體若含有雜質(zhì)或發(fā)生晶格缺陷一般會顯顏色。例如，鉆石、寶石都是含有雜質(zhì)才會呈現(xiàn)不同的顏色，如果將鐵和鈦元素摻雜在三氧化鋁無色晶體中便是藍寶石，紅寶石也是因為含有三氧化鉻而呈現(xiàn)特有的紅色。

7.一般，常見的金屬都是銀白色，帶有金屬光澤，但金屬粉末一般都是黑色的，金銀銅除外。如金屬鉑塊狀為銀白色，但其粉末呈黑色。

二、無機化合物顯色的原因

（一）物質(zhì)對可見光的選擇性吸收

可見光波長λ的范圍是400-730nm，當可見光作用到物質(zhì)上，物質(zhì)便會選擇性對光線進行吸收、反射、折射和透射，從而呈現(xiàn)與所吸收的可見光互補的部分可見光的顏色。一般來說，若物質(zhì)對可見光發(fā)生全反射時呈現(xiàn)白色，若全部吸收則呈現(xiàn)黑色，如果某一特定波長范圍的光線則對應顯示其他特殊顏色，比如若物質(zhì)吸收400-600nm波長范圍內(nèi)的光則呈現(xiàn)紅色。物質(zhì)對可見光的選擇性吸收是物質(zhì)本身決定的，不同的物質(zhì)具有其特殊的微觀結構。組成物質(zhì)的微觀粒子的結構，例如，電子層結構、最外層電子數(shù)目和構型等等，都對物質(zhì)基態(tài)和激發(fā)態(tài)能量差的大小有極大的影響，可見光能量范圍一般是1.7-3.1eV，當能量差ΔE處于此范圍內(nèi)，物質(zhì)吸收可見光后其電子便可發(fā)生躍遷從而呈現(xiàn)出顏色，在該范圍內(nèi)，能量差ΔE越小越傾向紫色，越大則傾向紅色，若超出該范圍則不顯色。

（二）其他光學現(xiàn)象的影響

無機化合物的顏色顯示不僅決定于上述原因，同時還要受到很多其他光學現(xiàn)象的影響，比如光的散射、光的干涉和衍射等。由于這些現(xiàn)象的存在，我們平時觀察到的光或者看到的物質(zhì)的顏色，并不全是經(jīng)過物質(zhì)吸收、反射或透射以后的現(xiàn)象，而有可能是光與物質(zhì)、光與光相互之間反復作用后的結果，其中大多數(shù)此類光學現(xiàn)象一般和無機物的物理性質(zhì)有關，比如物質(zhì)顆粒大小和表面狀態(tài)，所以，不難想象我們常見的金屬粉末為什么都呈現(xiàn)黑色。

三、影響無機化合物顯色的因素

（一）d-d躍遷和f-f躍遷

過渡金屬離子和稀土金屬離子的配合物多數(shù)都顯顏色，主要是因為這些金屬離子的d軌道和f軌道能分裂成兩組以上的能量不同的軌道，而具有d1-9和f1-13電子組態(tài)的金屬離子便可以在能量不同的d或f軌道之間發(fā)生d-d躍遷和f-f躍遷，選擇性的吸收可見光從而呈現(xiàn)顏色?；衔镆虬l(fā)生d-d躍遷和f-f躍遷而呈現(xiàn)顏色主要由躍遷的分裂能△E決定，分裂能△E如果越大，配合物的顏色就較深。具體的變化規(guī)律如下：金屬離子相同，配位體不同，所形成的配合物顏色一般不同。分裂能△E越大，d-d躍遷的特征吸收峰偏向短波方向，配合物顏色也會逐漸加深。配合物的金屬元素和配位體都相同時，隨金屬元素氧化態(tài)升高，△E增大，顏色變深，如三價鐵為紅棕色，二價鐵則為淺綠色。若配合物中過渡元素屬于同一族，配位體和價態(tài)也相同，隨著周期數(shù)增大，△E也越大，配合物顏色逐漸加深。如果△E過大，物質(zhì)的最大吸收峰超出可見光區(qū)，物質(zhì)便不顯顏色。

（二）電荷躍遷

電子在原子之間轉(zhuǎn)移產(chǎn)生荷移吸收帶所發(fā)生的電子躍遷現(xiàn)象叫做電荷躍遷。這種電子躍遷方式對可見光有很強的吸收能力，所以一般發(fā)生這種躍遷方式的物質(zhì)常常顯現(xiàn)出很深的顏色。發(fā)生電荷躍遷的方式主要有兩種：L→M躍遷和M→L躍遷。L→M躍遷是指無機化合物中的陰離子或配體上的電子躍遷到金屬離子的軌道。如果配合物的中心離子吸引電子的能力越強，而配合物的配體或其中的陰離子越容易失去電子，那么該化合物的顏色便會越深，例如過渡金屬的硫代酸根和過氧酸根常常表現(xiàn)為深色。M→L躍遷是另一種類型的電荷躍遷，主要是指金屬∏成鍵分子軌道的電子向配體上∏*反鍵分子軌道躍遷，一般還原性離子，如亞銅離子和亞鐵離子發(fā)生此類電荷遷移。據(jù)分析統(tǒng)計，一般電荷躍遷主要是指在可見光區(qū)發(fā)生的L→M躍遷?？傊?，配位體相同，金屬離子的氧化性越強，電荷遷移能力越小，配合物顏色越深；金屬離子相同，配位體越易被氧化，電荷遷移能力越小，配合物顏色越深；若配合物中，金屬中心原子以及配位體都相同，那么配合物的顏色主要由中心原子的氧化態(tài)決定，氧化態(tài)越高，配位化合物顏色越深。

（三）∏→∏* 或n→∏* 躍遷

對于含有共軛體系的共價化合物的∏→∏*躍遷和含有O、S、N等雜原子化合物中的n→∏*躍遷是化學中很重要的兩種電子躍遷類型。比如含有亞硝基的化合物，一般都會發(fā)生n→∏*躍遷，從而顯示出一定的顏色，而且化合物顏色深淺和其所含的共軛體系長短有很大聯(lián)系。另外，半徑越大的元素，其形成的共價鍵也越弱，如果發(fā)生∏→∏* 或n→∏* 躍遷，其躍遷吸收譜帶便會移向可見光區(qū)范圍，從而呈現(xiàn)出顏色，比如，氧化物和硫化物的顯色原理便是如此。

（四）帶隙躍遷和晶格缺陷

雖然，一些無機金屬材料的顏色能夠用電荷躍遷機理來解釋，如硫化鋅、硫化鎘和氧化亞銅的顯色原因，但是如果用能帶理論解釋則更簡明。能帶理論將充滿電子的成鍵軌道叫做價帶，一些簡單的硫化物或氧化物中陰離子的軌道和充滿電子的d軌道基本上都屬價帶。理論將空的反鍵軌道稱為導帶，一般導帶主要是陽離子軌道以及一些電子沒有填充完整的d軌道。我們將導帶和價帶之間的能量差Eg稱之為禁帶，如果Eg在可見光能量范圍，那么物質(zhì)吸收可見光后電子可由價帶躍遷到導帶，從而呈現(xiàn)出顏色。我們將電子在價帶與導帶之間的躍遷稱為帶隙躍遷。無色的金剛石摻有B或N時顯藍或黃色，這是因為N比C多一個電子，每個N原子多余一個電子可激發(fā)到C的導帶上，而激發(fā)能怡位于可見光范圍之內(nèi)所以金剛石呈黃色，金剛石摻雜實際上等于減小了Eg。

在離子型晶體中可能由于某種因素使晶體缺少部分陽離子或陰離子，從而造成晶格缺陷，為了保持整體的電中性，空位可能被其它離子占有。如果是陰離子缺陷而陰離子的空位被電子占有，這種電子便可以吸收可見光使物質(zhì)顯現(xiàn)出顏色。

除了以上所述影響無機物顏色變化的因素外，還有很多外界因素，比如物質(zhì)所處的溫度、濕度、光照、晶體的類型、結構和聚集狀態(tài)等等，都會影響物質(zhì)顏色的變化。一般，溫度升高，離子振幅加大，微粒相互間相互作用越強（離子極化作用），有利于電子躍遷，使得物質(zhì)呈現(xiàn)不同顏色。如氧化鋅冷卻時為白色，加熱時為黃色。某些物質(zhì)的晶型不同，物質(zhì)顏色也就不同了。四方晶體氧化鉛為紅色，正交晶體為黃色。另外，有些晶體如氧化亞銅晶體有紅橙黃幾種不同的顏色，主要是因為其大小不同的晶粒對不同波長的散射有差異。

四、結語

無機化合物種類繁多，但學習和研究起來卻是有章可循的，我們在學習過程中應該勤于思考，善于歸納，學會找出其內(nèi)在的聯(lián)系，不管是關于無機化合物的顏色，還是無機酸酸性強度的變化情況和規(guī)律，無機含氧酸的氧化還原能力比較和鹽類的熱分解規(guī)律等等，這類知識通過有效科學的整理，對我們無機化學的學習大有裨益。

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