Теория цветности неорганических соединений

Цвет неорганических соединений является следствием их взаимодействия со светом, в результате которого поглощается часть световых лучей определенной длины волны. Процессы поглощения световых лучей неорганическими соединениями изучаются с помощью теории цветности. Единой теории цветности не существует. Но основные законы, связывающие окраску вещества со структурой его молекул, были четко установлены. Доказано, что цвет связан с подвижностью электронов на атомных орбиталях в молекуле вещества, когда они поглощают энергию кванта света.

Расположение электронов в молекулах различных неорганических соединений различно, следовательно, механизм появления цвета у этих веществ неодинаков. В большинстве неорганических соединений цвет обусловлен электронными переходами от атома одного элемента к атому другого в молекуле. В данном случае определяющую роль в проявлении цвета играют валентные состояния элементов, структура их внешней электронной оболочки. В металлах цвет обусловлен структурой кристаллической решетки и относительной свободой движения электронов по всему куску металла. Окрашенные соединения поглощают свет в видимой области спектра.

Свет, представляющий собой кванты определенной энергии, падающий на молекулу, вызывает изменение энергетического состояния как молекулы в целом, так и отдельных составляющих ее атомных группировок. Цвет вещества в основном обусловлен переходами валентных электронов атомов и молекул из основного в возбужденное состояние. Состояние электронов на общих молекулярных орбиталях изменяется по сравнению с исходными атомами, и для их возбуждения требуются другие кванты видимого света.

Видимый свет соответствует интервалу длин волн примерно от 700 до 400 нм или волновым числам от 14 250 до 25 000 см-1. Переход от одного цвета к другому происходит постепенно. Цвет вещества определяется его спектром поглощения в видимой области. Спектры поглощения окрашенных неорганических веществ в большинстве случаев имеют одну или две широкие полосы поглощения в видимой области; иногда они состоят из нескольких более узких перекрывающихся полос. Спектры поглощения газообразных соединений позволяют обнаружить тонкую структуру. Спектры ионов лантаноидов и актинидов представлены большим количеством узких полос.

Если спектр поглощения вещества состоит только из одной полосы и его положение смещается от инфракрасного к ультрафиолетовому, цвет меняется с бледно-зеленого на синий, фиолетовый, пурпурный, красный, оранжевый, желтый и, наконец, желто-зеленый. Цвет определяется не только положением, но и шириной полосы поглощения. Интенсивность окраски также зависит от ширины полосы. Интенсивность полос и их различное перекрытие определяют окончательный цвет вещества.

[pic 1]

Такие вещества, как азот, водород, фтор, благородные газы, кажутся нам бесцветными. Кванты видимого света ими не поглощаются, так как они не могут вывести электроны на более высокий возбужденный уровень. Если бы наши глаза могли воспринимать ультрафиолетовые лучи, то в таком ультрафиолетовом свете и водород, и азот, и инертные газы казались бы нам окрашенными.

Чем больше электронов в атоме, тем ближе электронные уровни друг к другу. Если в атоме есть орбитали, не занятые электронами, то для перехода электрона из одного состояния в другое требуются кванты света с меньшей энергией, которые переносятся лучами видимой части спектра. Такие многоэлектронные галогены, как хлор, бром и йод, уже окрашены. Оксиды азота ΝΟ2, Ν2Ο3 и ковалентные соединения, например, СuCl2, AlI3, имеют цвет. 

Цвет вещества состоит из суммы отраженных волн (или тех, которые прошли через вещество без задержки), и интенсивность тех или иных волн может быть разной. Поэтому, даже если спектр состоит из одних и тех же волн, но их относительная доля в спектре изменена, то мы видим вещества разных цветов. Лучи, сочетаясь в спектре друг с другом, будут давать другой цвет. Вот пример, кадмий и ртуть являются элементами одной и той же подгруппы группы II периодической системы. Их атомы отличаются друг от друга количеством внутренних электронов. Их сульфиды HgS и CdS сильно поглощают лучи фиолетовой части спектра и значительно слабее — красно-оранжевой. В результате кажущейся незначительной разницы получается иная комбинация: сульфид кадмия оказывается желтым, а сульфид ртути — оранжевым (рис. 1).