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无机化合物显色规律分析与探究

发布时间:2020-04-22 07:10:45 浏览数:

摘 要:《无机化学》是高等院校化学、医药、生物、环境和材料等专业的一门重要的专业基础课程,为了让学生更好的理解无机化合物的基本性质,本文归纳和总结了无机化合物的显色规律,探究了物质的显色原因及相关影响因素,旨在激发学生学习无机化学的兴趣,对无机化学有更全面更深入的理解,以培养学生科学缜密、灵活高效的学习和思维能力。

关键词:无机物;显色;电子跃迁;过渡元素

颜色是无机化合物的重要物理性质之一,我们在学习无机化学的时候可以通过物质呈现的颜色来对物质进行识别和区分,还可以通过观察物质颜色的改变来判断化学反应进行的程度,另外通过无机化合物的显色规律还可以合成新物质。由此可见,化学物质的颜色在化学的发展上有着极其重要的作用。下面,我们简单分析和归纳出无机化合物的显色规律,显色原理和影响因素以供化学工作者和学生参考。

一、无机化合物的显色规律

影响无机化合物颜色的因素复杂多样,下面就个人所学总结出些许显色规律以供参考。

1.一般来说,原子轨道最外层含有d电子或f电子的过渡元素、稀土元素都呈现特殊颜色。绝大部分+2、+3价态的过渡金属、稀土金属离子都呈现出特有颜色,只有d5、f7电子组态的离子颜色相对较浅或呈无色。

2.大多数金属的卤化物都呈现颜色。除了多数金属氟化物,锌、镉、汞的卤化物是无色外(注:氟化亚铜、氟化溴、碘化亚汞呈红色),大多数金属的卤化物来说都呈现特有的颜色。由于金属卤化物不同的存在状态,一般无色的气态和液态用(无色)表示,无色的固态用(白色)表示。

3.一般,对于含氧酸根离子来说,主族元素的多数不显颜色无色,而过渡元素的大部分有特殊颜色。各主族元素如碳、氮族、卤素以及硫属,其含氧酸和含氧酸盐基本是无色的,其中铋酸钾显红紫色、铋酸钠显黄色除外。过渡元素由于具有d电子组态,所以其含氧酸根离子大多数呈现特殊的颜色,而且随着原子序数的增加,同一族的元素含氧酸跟颜色逐渐变浅,如第七副族高锰酸根为紫色,同主族另外两种元素的含氧酸跟均为淡红色。另外还需要注意,有些过渡元素的含氧酸根离子的溶液本身无色,但浓缩成晶体或过氧离子被取代后呈现颜色,如过钛酸呈棕黄色。

4.如果某种元素具有不同的化合态,那么该种元素组成的多价态的化合物一般都有颜色。

5.配位化合物的顺式异构体的颜色比反式异构体的更偏向短波颜色(紫色),空间构型为四面体和平面正方形的配合物呈现的颜色比八面体的也更偏向短波颜色。例如:氯化二氯四氨合钴(Ⅲ)的顺式结构显示紫色,偏向短波颜色方向,而其反式结构呈现绿色。

6.无色晶体若含有杂质或发生晶格缺陷一般会显颜色。例如,钻石、宝石都是含有杂质才会呈现不同的颜色,如果将铁和钛元素掺杂在三氧化铝无色晶体中便是蓝宝石,红宝石也是因为含有三氧化铬而呈现特有的红色。

7.一般,常见的金属都是银白色,带有金属光泽,但金属粉末一般都是黑色的,金银铜除外。如金属铂块状为银白色,但其粉末呈黑色。

二、无机化合物显色的原因

(一)物质对可见光的选择性吸收

可见光波长λ的范围是400-730nm,当可见光作用到物质上,物质便会选择性对光线进行吸收、反射、折射和透射,从而呈现与所吸收的可见光互补的部分可见光的颜色。一般来说,若物质对可见光发生全反射时呈现白色,若全部吸收则呈现黑色,如果某一特定波长范围的光线则对应显示其他特殊颜色,比如若物质吸收400-600nm波长范围内的光则呈现红色。物质对可见光的选择性吸收是物质本身决定的,不同的物质具有其特殊的微观结构。组成物质的微观粒子的结构,例如,电子层结构、最外层电子数目和构型等等,都对物质基态和激发态能量差的大小有极大的影响,可见光能量范围一般是1.7-3.1eV,当能量差ΔE处于此范围内,物质吸收可见光后其电子便可发生跃迁从而呈现出颜色,在该范围内,能量差ΔE越小越倾向紫色,越大则倾向红色,若超出该范围则不显色。

(二)其他光学现象的影响

无机化合物的颜色显示不仅决定于上述原因,同时还要受到很多其他光学现象的影响,比如光的散射、光的干涉和衍射等。由于这些现象的存在,我们平时观察到的光或者看到的物质的颜色,并不全是经过物质吸收、反射或透射以后的现象,而有可能是光与物质、光与光相互之间反复作用后的结果,其中大多数此类光学现象一般和无机物的物理性质有关,比如物质颗粒大小和表面状态,所以,不难想象我们常见的金属粉末为什么都呈现黑色。

三、影响无机化合物显色的因素

(一)d-d跃迁和f-f跃迁

过渡金属离子和稀土金属离子的配合物多数都显颜色,主要是因为这些金属离子的d轨道和f轨道能分裂成两组以上的能量不同的轨道,而具有d1-9和f1-13电子组态的金属离子便可以在能量不同的d或f轨道之间发生d-d跃迁和f-f跃迁,选择性的吸收可见光从而呈现颜色。化合物因发生d-d跃迁和f-f跃迁而呈现颜色主要由跃迁的分裂能△E决定,分裂能△E如果越大,配合物的顏色就较深。具体的变化规律如下:金属离子相同,配位体不同,所形成的配合物颜色一般不同。分裂能△E越大,d-d跃迁的特征吸收峰偏向短波方向,配合物颜色也会逐渐加深。配合物的金属元素和配位体都相同时,随金属元素氧化态升高,△E增大,颜色变深,如三价铁为红棕色,二价铁则为浅绿色。若配合物中过渡元素属于同一族,配位体和价态也相同,随着周期数增大,△E也越大,配合物颜色逐渐加深。如果△E过大,物质的最大吸收峰超出可见光区,物质便不显颜色。

(二)电荷跃迁

电子在原子之间转移产生荷移吸收带所发生的电子跃迁现象叫做电荷跃迁。这种电子跃迁方式对可见光有很强的吸收能力,所以一般发生这种跃迁方式的物质常常显现出很深的颜色。发生电荷跃迁的方式主要有两种:L→M跃迁和M→L跃迁。L→M跃迁是指无机化合物中的阴离子或配体上的电子跃迁到金属离子的轨道。如果配合物的中心离子吸引电子的能力越强,而配合物的配体或其中的阴离子越容易失去电子,那么该化合物的颜色便会越深,例如过渡金属的硫代酸根和过氧酸根常常表现为深色。M→L跃迁是另一种类型的电荷跃迁,主要是指金属∏成键分子轨道的电子向配体上∏*反键分子轨道跃迁,一般还原性离子,如亚铜离子和亚铁离子发生此类电荷迁移。据分析统计,一般电荷跃迁主要是指在可见光区发生的L→M跃迁。总之,配位体相同,金属离子的氧化性越强,电荷迁移能力越小,配合物颜色越深;金属离子相同,配位体越易被氧化,电荷迁移能力越小,配合物颜色越深;若配合物中,金属中心原子以及配位体都相同,那么配合物的颜色主要由中心原子的氧化态决定,氧化态越高,配位化合物颜色越深。

(三)∏→∏* 或n→∏* 跃迁

对于含有共轭体系的共价化合物的∏→∏*跃迁和含有O、S、N等杂原子化合物中的n→∏*跃迁是化学中很重要的两种电子跃迁类型。比如含有亚硝基的化合物,一般都会发生n→∏*跃迁,从而显示出一定的颜色,而且化合物颜色深浅和其所含的共轭体系长短有很大联系。另外,半径越大的元素,其形成的共价键也越弱,如果发生∏→∏* 或n→∏* 跃迁,其跃迁吸收谱带便会移向可见光区范围,从而呈现出颜色,比如,氧化物和硫化物的显色原理便是如此。

(四)带隙跃迁和晶格缺陷

虽然,一些无机金属材料的颜色能够用电荷跃迁机理来解释,如硫化锌、硫化镉和氧化亚铜的显色原因,但是如果用能带理论解释则更简明。能带理论将充满电子的成键轨道叫做价带,一些简单的硫化物或氧化物中阴离子的轨道和充满电子的d轨道基本上都属价带。理论将空的反键轨道称为导带,一般导带主要是阳离子轨道以及一些电子没有填充完整的d轨道。我们将导带和价带之间的能量差Eg称之为禁带,如果Eg在可见光能量范围,那么物质吸收可见光后电子可由价带跃迁到导带,从而呈现出颜色。我们将电子在价带与导带之间的跃迁称为带隙跃迁。无色的金刚石掺有B或N时显蓝或黄色,这是因为N比C多一个电子,每个N原子多余一个电子可激发到C的导带上,而激发能怡位于可见光范围之内所以金刚石呈黄色,金刚石掺杂实际上等于减小了Eg。

在离子型晶体中可能由于某种因素使晶体缺少部分阳离子或阴离子,从而造成晶格缺陷,为了保持整体的电中性,空位可能被其它离子占有。如果是阴离子缺陷而阴离子的空位被电子占有,这种电子便可以吸收可见光使物质显现出颜色。

除了以上所述影响无机物颜色变化的因素外,还有很多外界因素,比如物质所处的温度、湿度、光照、晶体的类型、结构和聚集状态等等,都会影响物质颜色的变化。一般,温度升高,离子振幅加大,微粒相互间相互作用越强(离子极化作用),有利于电子跃迁,使得物质呈现不同颜色。如氧化锌冷却时为白色,加热时为黄色。某些物质的晶型不同,物质颜色也就不同了。四方晶体氧化铅为红色,正交晶体为黄色。另外,有些晶体如氧化亚铜晶体有红橙黄几种不同的颜色,主要是因为其大小不同的晶粒对不同波长的散射有差异。

四、结语

无机化合物种类繁多,但学习和研究起来却是有章可循的,我们在学习过程中应该勤于思考,善于归纳,学会找出其内在的联系,不管是关于无机化合物的颜色,还是无机酸酸性强度的变化情况和规律,无机含氧酸的氧化还原能力比较和盐类的热分解规律等等,这类知识通过有效科学的整理,对我们无机化学的学习大有裨益。

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