Химия цвета
Химия цвета
Реферат на тему:
"Химия
цвета"
Выполнила:
Кекало Екатерина
Минск,
2004г
Содержание:
Введение
Строение молекул и цвет
- Спектры поглощения и цвет неорганических веществ
- Особенности твердого состояния неорганических красителей
- Цвет металлов
- Атомы те же – окраска разная
- Молекулы бесцветны, а вещество окрашено
- Цвет полярных молекул
- Связь цвета вещества с положением в периодической системе
- Разноцветные ионы одного металла
- Среда воздействует на цвет
- Основы структурной теории цветности органических молекул
Колориметрия (наука о методах измерения и
количественного выражения цвета)
Список литературы
Введение.
Знаменитые строки,
принадлежащие перу великого русского поэта Сергея Есенина:
Словно я весенней гулкой
ранью
Проскакал на розовом
коне…
долгое время казались лишь великолепным
поэтическим образом, не имеющим никакого реального основания. Всем известно,
что розовых лошадей в природе не бывает. Однако на самом деле это факт, который
не ускользнул от точного взгляда поэта. На рассвете, когда не само солнце, а
лишь его лучи появляются над землей, "алый свет зари" окрашивает
белые цвета в нежные розовые тона. Отражать от белой поверхности,
"красные" лучи, преобладающие и потоке света, вызывают ощущение
розового или красноватого цвета. Такова одна из особенностей восприятия нами
красочного мира.
Значит, цвет зависит
не только от того, как окрашено вещество, но и от того, как оно освещено. Ведь цвет у вещества
мы различаем лишь в том случае, когда на него падает луч света. В темноте все
кажется черным. Следовательно, чтобы разобраться в природе цвета, надо помнить
свойства световых лучей.
Обстоятельства совсем другого характера убеждают нас в том, что выражение "голубая
кровь" может иметь не иносказательный, а самый прямой смысл. Кровь рыб, выловленных
в море, ничем не отличается по цвету от крови других крупных живых существ. Но
в глубинах океана обитают существа, в теле которых действительно кровь голубого
цвета. Одними из таких представителей являются голотурии. В пигменте, обеспечивающем
цвет крови, вместо железа содержится ванадий. Именно его соединения придают
голубую окраску жидкости, содержащейся в
глоуториях. В тех глубинах, где они обитают, кислорода в воде очень мало и им
приходится приспосабливаться к таким условиям. Возникают в организмах
соединения, которые "работают" совершенно иначе, чем у обитателей воздушного
окружения. Структура образовавшихся соединений определяет и цвет.
Садоводов и
цветоводов трудно удивить необычностью окрасок цветов и листьев. Черные
тюльпаны, голубые розы и самые разнообразные оттенки сирени можно видеть на
всех выставках цветов. И все же листья имеют зеленый цвет (так как в них образуется
хлорофилл), однако не у всех растений. Вам могут перечислить целый ряд таких, у
которых листья имеют другой цвет: лиловый, фиолетовый, присный или смесь
оттенков незеленого цвета. Процессы, происходящие в листьях этих растений, приводят
к образованию не только зеленого хлорофилла, но и химических структур,
преобладающих в них и придающих необычный цвет, казалось бы, обычным листьям. Как
тут не вспомнить другие есенинские строки:
Ягненочек кудрявый –
месяц
Гуляет в голубой траве…
Никого уже сейчас не удивляют краски, светящиеся в темноте,
цветные кинофильмы и цветная фотография, ткани необычных расцветок. Давно ли мы
перестали смотреть па цветной телевизор как на сказочное чудо? Современная
наука и техника каждодневно дарят нам осуществление того или иного стремления
человека к красоте, яркости и цвету. Успехи химического производства,
достижения в целом ряде смежных дисциплин: биологии, физики, медицине, а также
действие полупроводников и оптические процессы в лазерах невозможно понять
без знания основ взаимодействия света с молекулами, результатом которого
является цвет.
Цвет, так же как и
практически каждое крупное явление природы, имеет особенности, относимые нами
к различным областям естествознания. Подробно останавливаясь на химической
сущности цвета, нельзя, однако, не вспомнить тех уроков физики, на которых
рассматривались свойства светового луча, спектр и другие явления, относящиеся
к проблеме цвета, уроки биологии, связанные с особенностями зрения. Ведь цвета,
которые мы воспринимаем, есть результат нескольких процессов:
1) взаимодействия магнитных колебаний, из которых
состоит световой луч, с молекулами вещества;
2) избирательного поглощения, обусловленного
особенностями структуры молекул, обладающих цветом, тех или иных световых
волн;
3) воздействие лучей, отраженных или прошедших
через вещество, на сетчатку глаза или на оптический прибор, способный различать
цвет.
Без света все кажется
темным. Однако видимый свет — это лишь небольшая часть общего потока
электромагнитных волн, доступная
непосредственному наблюдению человеком. Цвет может возникать и в том случае,
когда поток падающих на вещество электромагнитных волн не воспринимается глазом.
Так, некоторые краски и ткани начинают принимать разные порой фантастические
расцветки, когда на них действует ультрафиолетовое излучение. Электроны,
поглощающие энергию падающих лучей, начинают отдавать ее в виде волн другого
диапазона, воспринимаемых человеческим глазом.
Состояние электронов в молекуле — вот основа для объяснения
цвета. Подвижность электронов, их способность переходить с одного
энергетического уровня на другой, перемещаться от одного атома к другому — все
это создает возможность появления цвета.
Только на электронном уровне становятся понятны принципы
учения о цвете. Пользуясь ими, можно успешно рассмотреть и появление окраски у
бесцветной соли при растворении в воде или других растворителях, "выгорание
красителя" под действием солнечного света, действие индикаторов и
цветовых определителей температуры "цветных градусников".
Красители и краски не только украшают нашу жизнь, но и помогают в технике и
различных отраслях народного хозяйства, защищают металлы от разрушения, делают
более прочными изделия из полимеров и стекла, охраняют нас от вредных веществ,
сигнализируя своей окраской об опасности заражения вредными веществами. Они
находят самое разнообразное применение не только в химии, но и химической
технологии. В медицине цветные реакции помогают вовремя обнаружить болезни, светящиеся
красящие вещества помогают следить за приборами в полумраке кабины автомобиля,
в космическом корабле и на капитанском мостике океанского лайнера,
пересекающего в любую погоду безбрежный океан.
Строение молекул и цвет.
Единой теории
цвета не существует. Однако можно подметить некоторые закономерности,
связывающие окраску со строением молекул. Цвет связан с подвижностью электронов
в молекуле вещества и с возможностью перехода электронов при поглощении энергии
кванта света на еще свободные уровни.
Существуют
различия принципиального характера между механизмами возникновения цвета у
металлов, неорганических соединений и в органических молекулах. Хотя во всех
случаях цвет возникает в результате взаимодействия квантов света с электронами
в молекулах вещества, но так как состояние электронов в металлах и неметаллах,
органических и неорганических соединениях различно, то и механизм появления
цвета неодинаков. У металлов для цвета важна правильность кристаллической
решетки и возможность электронам относительно свободно двигаться по всему
куску металла. Цвет большинства неорганических веществ обусловлен электронными
переходами и соответственно переносом заряда от атома одного элемента к атому
другого. Основную, решающую роль играет в этом случае валентное состояние
элемента, его внешняя электронная оболочка.
Далеко не все органические вещества обладают цветом. Однако
у тех веществ, которые имеют окраску, в структуре молекул есть принципиальное
сходство. Все они, как правило, большие молекулы, состоящие из десятков
атомов. Для возникновения цвета имеют значение не электроны отдельных атомов, а
состояние системы электронов, охватывающей всю молекулу целиком. Подвижность
такой системы, ее способность легко изменять свое состояние под небольшим
воздействием световых квантов и обусловливает избирательное поглощение
определенных волн из набора, составляющего видимый свет.
Чтобы понять
зависимость цветности от строения, нужно рассмотреть, в чем состоят
особенности энергетического состояния электронов того или иного типа молекул.
Спектры
поглощения и цвет неорганических веществ
Тот или иной цвет
вещества означает, что из всего интервала 400-700 нм длин волн пилимого света
им поглощаются какие-то определенные кванты, энергия которых в общем-то невелика.
Из этого в свою
очередь следует, что в молекулах окрашенных веществ энергетические уровни
электронов довольно близко
расположены друг к другу. Если разница ΔЕ велика, то употребляются другие
кванты, несущие больше энергии, например, ультрафиолетовые. Такие вещества,
как азот, водород, фтор, благородные газы, кажутся нам бесцветными. Кванты
видимого света не поглощаются ими, так как не могут привести электроны на более
высокий возбужденный уровень. Если бы наши глаза способны были воспринимать
ультрафиолетовые лучи, то в таком ультрафиолетовом свете и водород, и азот, и
инертные газы казались бы ним окрашенными.
Чем больше
электронов в атоме, тем теснее друг к другу электронные уровни. Особенно
хорошо, если в атоме есть незанятые электронами орбиты. В таком случае для
перехода электрона из одного состояния в другое требуются кванты света уже с
меньшей энергией, которую несут лучи видимой части спектра. Такие
многоэлектронные галогены, как хлор, бром, иод, уже окрашены. Имеют окраску
оксиды азота NО2, N2О3 и ковалентные
соединения, например CuCl2, AlI3. Окраска молекул (рис. 1.), состоящих из
нескольких атомов, зависит от целого ряда факторов. Если действие этих факторов
таково, что они сближают электронные уровни, то это способствует появлению или
углублению окраски. Так более тесное взаимодействие атомов при переходе из
газообразного в жидкое и далее твердое состояние может способствовать появлению
или
углублению цвета, особенно в тех
случаях, когда у атомов есть незанятые электронами орбиты.
Рис.
1. Окраска оксида азота (IV) исчезает при
охлаждении (образуется димер N2O4) и
вновь появляется при нагревании.
Различие в
характере взаимодействия сказывается на спектрах. Спектры поглощения
простейших молекулярных соединений — газов и веществ в газообразном состоянии
— состоят из нескольких серий узких полос (линий). Это значит, что из всего
потока белого света они выбирают лишь некоторые фотоны, энергия которых как раз
равна разнице между основным и "возбужденным" состояниями электронов.
В жидком и особенно твердом состоянии спектр становится по существу сплошным,
так как из-за сильного взаимодействия близко расположенных атомов появляется
много новых энергетических уровней электронов и, следовательно, увеличиваются
возможности новых электронных переходов, растет число уровней энергии молекул
и ионов. В спектр входит большое число широких полос, простирающихся на несколько
десятков нанометров. Интенсивность полос и их различное наложение друг на
друга определяет итоговый цвет вещества. Ведь при различных сочетаниях
основных цветов: красного, синего, зеленого или красного, желтого, синего получаются
все другие цвета спектра.
Как правило,
полосы поглощения у неорганических веществ начинаются в видимой области, а
заканчиваются в ультрафиолетовой. Положение наиболее интенсивных полос поглощения
и определяет цвет (табл. 1.).
Таблица
1.
Цвет вещества
складывается из суммы отраженных волн (или прошедших вещество без задержки),
причем интенсивность тех или иных волн может быть различна. Поэтому даже если
спектр состоит из одних и тех же волн, но их относительная доля в спектре
изменена, то мы видим вещества разного цвета. Лучи, комбинируясь в спектре друг
с другом, дадут разную окраску. Вот пример. Кадмий и ртуть — элементы одной и
той же подгруппы II группы периодичоской системы. Их атомы отличаются
друг от друга числом внутренних электронов. Их сульфиды HgS и CdS сильно
поглощают лучи фиолетовой части спектра и значительно слабее — красно-оранжевой
(рис. 2.). В результате, казалось бы, незначительной разницы в отражении
получается уже иная комбинация: сульфид кадмия оказывается желтым, а сульфид
ртути — оранжевым.
Рис.2. Разница в спектрах поглощения определяет цвет.
На диаграмме
приведены спектры нескольких веществ, у которых различна интенсивность
отражения волн разных участков видимого света. На рисунке 3 указано, при каких
соотношениях мы видим тот или иной цвет. В том случае, если кривые пересекаются,
цвета взаимно "уничтожают" друг друга и мы видим только тот цвет,
который остается. При отражении цвета с длиной волны 480 нм вещество синее, так
как взаимно уничтожились красный и зеленый цвета. При 500 нм — зеленое, выше
600 нм — красное с желтоватым оттенком. Цветовое ощущение от разных окрасок
(получаемое, например, при наложении цветных стекол) воспринимается нами как
суммарное.
Рис.
3. Видимый цвет есть результат
наложения основных цветов, соответствующих трем нервным центрам, создающих
ощущение красного, зеленого и синего.
Особенности твердого состояния
неорганических красителей
В первую очередь
следует помнить, что неорганические красители, как природные, так и
синтетические,— кристаллические тела. Особенностью их является упорядоченное
расположение многих сотен и тысяч атомов, ионов или молекул. Различаются они
как по типу входящих в твердое тело частиц, так и по типу химических связей
между ними.
Для того чтобы
понять их структуру, рассмотрим на знакомых из школьного курса химии примерах
особенности того или иного вида построения агрегатных состояний.
В газообразном
состоянии вещества характеризуются значительными расстояниями между частицами и
малыми силами взаимодействия между ними. Они способны занимать любой
предоставленный объем, и их свойства в основном определяются поведением
отдельных частиц. В жидком же состоянии частицы веществ сближены на расстояния,
соизмеримые с их размерами, силы взаимодействия между частицами значительны.
Частицы вещества объединяются в крупные агрегаты, в которых их взаимное
расположение упорядоченное и движение носит колебательный характер (ближний
порядок). На значительных расстояниях от центров агрегатов (дальний порядок)
эта упорядоченность нарушается. Прочность связей между агрегатами частиц в
жидкости невелика, поэтому в жидком состоянии вещество занимает определенный
объем, но способно изменять форму под действием силы тяжести. Поведение веществ
в этом состоянии определяется как свойствами частиц и их агрегатов, так и
взаимодействиями между ними.
В твердом
состоянии возникает упорядоченное расположение частиц как в ближнем, так и в
дальнем порядках. Твердое вещество не только способно сохранять определенный
объем, но и неизменность формы под действием силы тяжести. Свойства вещества
определяются как его элементарным составом, так и структурой. Взаимное расположение
частиц в твердом веществе характеризуется расстоянием между центрами, вокруг
которых они совершают колебательные движения. Упорядоченное расположение атомов
(рис. 4), многократно повторяющееся вдоль любой прямой линии, называется
кристаллической решеткой.
Рис.
4. Основные типы кристаллических
решеток:
а —
гексагональная плотнейшая; б — кубическая гранецентрированная; в —
кубическая объемноцентрированная; г — кристаллическая решетка типа алмаза.
В природе
встречается значительное число форм кристаллических решеток; их изучением
занимается специальная область науки — кристаллография. По характеру взаимодействия
между частицами в решетках кристаллические вещества можно разделить на
несколько основных групп.
1. Ионные кристаллы. В узлах
решеток расположены разноименно заряженные ионы, электростатическое притяжение
которых определяет характер твердого тела (например, КСl, NaCl).
2. Атомные кристаллы. В
узлах решеток - нейтральные атомы элементов, связанные за счет обобществления
валентных электронов (например, алмаз).
3. Молекулярные кристаллы. В
узлах решеток — нейтральные молекулы, образующие решетку за счет сил
межмолекулярного взаимодействия (например, металлический галлий, газы в
твердом состоянии).
4. Полупроводниковые кристаллы.
По характеру связи занимают промежуточное положение между атомными и
ионными (например, Cu2O).
5. Металлические кристаллы. В
узлах решетки — ионы одного и того же металла, связанные между собой за счет
полусвободных электронов, находящихся в общей для всех ионов зоне проводимости.
Цвет металлов
Цвет металлов
зависит от того, волны какой длины они отражают. Из спектров, приведенных на
рисунке 5, видно, что белый блеск серебра обусловлен равномерным отражением
почти всего набора видимых лучей. Золото красновато-желтое потому, что им
отражается почти полностью длинноволновая часть видимого света и поглощаются
голубые, синие и фиолетовые лучи. А вот тантал и свинец лучше отражают
длинноволновые лучи, поэтому они кажутся синеватыми. К серебристо-белому цвету
висмута и кобальта примешивается розовый оттенок из-за разности в поглощении
коротких и длинных лучей; как можно видеть из рисунка, отражение постепенно
уменьшается от длинных волн к коротким. Убедительными примерами взаимодействия
света с электронами, при которых происходит перевод их на более высокий уровень
и даже полный отрыв, являются полупроводники и фотоэлементы. В первом случае
действие лучей способно вызвать перемещение электронов и появление тока, а во
втором — вырвать их из металла.
Страницы: 1, 2, 3
|
|