尹紅果

摘 要：《無機(jī)化學(xué)》是高等院?；瘜W(xué)、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(chǔ)課程，為了讓學(xué)生更好的理解無機(jī)化合物的基本性質(zhì)，本文歸納和總結(jié)了無機(jī)化合物的顯色規(guī)律，探究了物質(zhì)的顯色原因及相關(guān)影響因素，旨在激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)無機(jī)化學(xué)的興趣，對(duì)無機(jī)化學(xué)有更全面更深入的理解，以培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)縝密、靈活高效的學(xué)習(xí)和思維能力。

關(guān)鍵詞：無機(jī)物；顯色；電子躍遷；過渡元素

顏色是無機(jī)化合物的重要物理性質(zhì)之一，我們在學(xué)習(xí)無機(jī)化學(xué)的時(shí)候可以通過物質(zhì)呈現(xiàn)的顏色來對(duì)物質(zhì)進(jìn)行識(shí)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(xué)反應(yīng)進(jìn)行的程度，另外通過無機(jī)化合物的顯色規(guī)律還可以合成新物質(zhì)。由此可見，化學(xué)物質(zhì)的顏色在化學(xué)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(jī)化合物的顯色規(guī)律，顯色原理和影響因素以供化學(xué)工作者和學(xué)生參考。

一、無機(jī)化合物的顯色規(guī)律

影響無機(jī)化合物顏色的因素復(fù)雜多樣，下面就個(gè)人所學(xué)總結(jié)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(jià)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(duì)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(duì)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)伲浜跛岷秃跛猁}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(jià)態(tài)的化合物一般都有顏色。

5.配位化合物的順式異構(gòu)體的顏色比反式異構(gòu)體的更偏向短波顏色（紫色），空間構(gòu)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(jié)構(gòu)顯示紫色，偏向短波顏色方向，而其反式結(jié)構(gòu)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(huì)顯顏色。例如，鉆石、寶石都是含有雜質(zhì)才會(huì)呈現(xiàn)不同的顏色，如果將鐵和鈦元素?fù)诫s在三氧化鋁無色晶體中便是藍(lán)寶石，紅寶石也是因?yàn)楹腥趸t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(jī)化合物顯色的原因

（一）物質(zhì)對(duì)可見光的選擇性吸收

可見光波長λ的范圍是400-730nm，當(dāng)可見光作用到物質(zhì)上，物質(zhì)便會(huì)選擇性對(duì)光線進(jìn)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(bǔ)的部分可見光的顏色。一般來說，若物質(zhì)對(duì)可見光發(fā)生全反射時(shí)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(duì)應(yīng)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(duì)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(jié)構(gòu)。組成物質(zhì)的微觀粒子的結(jié)構(gòu)，例如，電子層結(jié)構(gòu)、最外層電子數(shù)目和構(gòu)型等等，都對(duì)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(dāng)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(xué)現(xiàn)象的影響

無機(jī)化合物的顏色顯示不僅決定于上述原因，同時(shí)還要受到很多其他光學(xué)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(shí)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(fù)作用后的結(jié)果，其中大多數(shù)此類光學(xué)現(xiàn)象一般和無機(jī)物的物理性質(zhì)有關(guān)，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(jī)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?yàn)檫@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。化合物因發(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(huì)逐漸加深。配合物的金屬元素和配位體都相同時(shí)，隨金屬元素氧化態(tài)升高，△E增大，顏色變深，如三價(jià)鐵為紅棕色，二價(jià)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(jià)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(duì)可見光有很強(qiáng)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(jī)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(qiáng)，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(huì)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(jì)，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(qiáng)，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(duì)于含有共軛體系的共價(jià)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(xué)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(huì)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(jià)鍵也越弱，如果發(fā)生∏→∏* 或n→∏* 躍遷，其躍遷吸收譜帶便會(huì)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(jī)金屬材料的顏色能夠用電荷躍遷機(jī)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(jià)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(jià)帶。理論將空的反鍵軌道稱為導(dǎo)帶，一般導(dǎo)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(dǎo)帶和價(jià)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(jià)帶躍遷到導(dǎo)帶，從而呈現(xiàn)出顏色。我們將電子在價(jià)帶與導(dǎo)帶之間的躍遷稱為帶隙躍遷。無色的金剛石摻有B或N時(shí)顯藍(lán)或黃色，這是因?yàn)镹比C多一個(gè)電子，每個(gè)N原子多余一個(gè)電子可激發(fā)到C的導(dǎo)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(shí)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(jī)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(jié)構(gòu)和聚集狀態(tài)等等，都會(huì)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(qiáng)（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(shí)為白色，加熱時(shí)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?yàn)槠浯笮〔煌木Я?duì)不同波長的散射有差異。

四、結(jié)語

無機(jī)化合物種類繁多，但學(xué)習(xí)和研究起來卻是有章可循的，我們在學(xué)習(xí)過程中應(yīng)該勤于思考，善于歸納，學(xué)會(huì)找出其內(nèi)在的聯(lián)系，不管是關(guān)于無機(jī)化合物的顏色，還是無機(jī)酸酸性強(qiáng)度的變化情況和規(guī)律，無機(jī)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(shí)通過有效科學(xué)的整理，對(duì)我們無機(jī)化學(xué)的學(xué)習(xí)大有裨益。

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