Хімія кольору

Реферат на тему:
"Хімія кольору"
Виконала: Кекало Катерина
Мінськ, 2004р

Зміст:
Введення
Будова молекул і колір
· Спектри поглинання і колір неорганічних речовин
· Особливості твердого стану неорганічних барвників
· Колір металів
· Атоми ті ж - забарвлення різна
· Молекули безбарвні, а речовина забарвлене
· Колір полярних молекул
· Зв'язок кольору речовини з положенням у періодичній системі
· Різнокольорові іони одного металу
· Середу впливає на колір
· Основи структурної теорії кольоровості органічних молекул
Колориметрія (наука про методи вимірювання і кількісного вираження кольору)
Список літератури

Введення.
Знамениті рядки, що належать перу великого російського поета Сергія Єсеніна:
Ніби я весняної гучній ранню
Проскакав на рожевому коні ...
довгий час здавалися лише чудовим поетичним образом, що не мають ніякого реального підгрунтя. Всім відомо, що рожевих коней в природі не буває. Однак насправді це факт, який не вислизнув від точного погляду поета. На світанку, коли не саме сонце, а лише його промені з'являються над землею, "червоний світло зорі" забарвлює білі кольори в ніжні рожеві тони. Відображати від білої поверхні, "червоні" промені, переважаючі і потоці світла, викликають відчуття рожевого або червонуватого кольору. Такою є одна з особливостей сприйняття нами барвистого світу.
Значить, колір залежить не тільки від того, як забарвлене речовина, але і від того, як воно освітлене. Адже колір у речовини ми розрізняємо лише в тому випадку, коли на нього падає промінь світла. В темноті все здається чорним. Отже, щоб розібратися в природі кольору, треба пам'ятати властивості світлових променів.
Обставини зовсім іншого характеру переконують нас у тому, що вираз "блакитна кров" може мати не алегоричний, а самий прямий сенс. Кров риб, виловлених у морі, нічим не відрізняється за кольором від крові інших великих живих істот. Але в глибинах океану живуть істоти, в тілі яких дійсно кров блакитного кольору. Одними з таких представників є голотурії. У пігменті, що забезпечує колір крові, замість заліза міститься ванадій. Саме його сполуки надають блакитне забарвлення рідини, що міститься в глоуторіях. У тих глибинах, де вони мешкають, кисню у воді дуже мало і їм доводиться пристосовуватися до таких умов. Виникають в організмах сполуки, які "працюють" абсолютно інакше, ніж у мешканців повітряного оточення. Структура утворилися сполук визначає і колір.
Садівників і квіткарів важко здивувати незвичністю забарвлень квітів і листя. Чорні тюльпани, блакитні троянди і найрізноманітніші відтінки бузку можна бачити на всіх виставках квітів. І все ж листя має зелений колір (так як в них утворюється хлорофіл), однак не у всіх рослин. Вам можуть перерахувати цілий ряд таких, у яких листя мають інший колір: ліловий, фіолетовий, приснився або суміш відтінків незелені кольору. Процеси, що відбуваються в листках цих рослин, призводять до утворення не тільки зеленого хлорофілу, але і хімічних структур, що переважають у них і що додають незвичайний колір, здавалося б, звичайним листям. Як тут не згадати інші єсенінські рядки:
Ягнятко кучерявий - місяць
Гуляє в блакитний траві ...
Нікого вже зараз не дивують фарби, що світяться в темряві, кольорові кінофільми та кольорова фотографія, тканини незвичайних забарвлень. Чи давно ми перестали дивитися па кольоровий телевізор як на казкове диво? Сучасна наука і техніка щодня дарують нам здійснення того чи іншого прагнення людини до краси, яскравості і кольору. Успіхи хімічного виробництва, досягнення в цілому ряді суміжних дисциплін: біології, фізики, медицини, а також дію напівпровідників та оптичні процеси в лазерах неможливо зрозуміти без знання основ взаємодії світла з молекулами, результатом якого є колір.
Колір, так само як і практично кожне велике явище природи, має особливості, що відносяться нами до різних областей природознавства. Детально зупиняючись на хімічної сутності кольору, не можна, однак, не згадати тих уроків фізики, на яких розглядалися властивості світлового променя, спектр та інші явища, що відносяться до проблеми кольору, уроки біології, пов'язані з особливостями зору. Адже кольору, які ми сприймаємо, є результат декількох процесів:
1) взаємодії магнітних коливань, з яких складається світловий промінь, з молекулами речовини;
2) виборчого поглинання, зумовленого особливостями структури молекул, що володіють кольором, тих чи інших світлових хвиль;
3) вплив променів, відбитих або пройшли через речовину, на сітківку ока або на оптичний прилад, здатний розрізняти колір.
Без світла все здається темним. Однак видиме світло - це лише невелика частина загального потоку електромагнітних хвиль, доступна безпосередньому спостереженню людиною. Колір може виникати й у тому випадку, коли потік падаючих на речовину електромагнітних хвиль не сприймається оком. Так, деякі фарби і тканини починають приймати різні часом фантастичні забарвлення, коли на них діє ультрафіолетове випромінювання. Електрони, що поглинають енергію падаючих променів, починають віддавати її у вигляді хвиль іншого діапазону, що сприймаються людським оком.
Стан електронів у молекулі - ось основа для пояснення кольору. Рухливість електронів, їх здатність переходити з одного енергетичного рівня на інший, переміщатися від одного атома до іншого - все це створює можливість появи кольору.
Тільки на електронному рівні стають зрозумілі принципи вчення про колір. Користуючись ними, можна успішно розглянути і поява забарвлення у безбарвної солі при розчиненні у воді або інших розчинниках, "вигорання барвника" під дією сонячного світла, дія індикаторів і колірних визначників температури "кольорових градусників". Барвники і фарби не тільки прикрашають наше життя, але і допомагають у техніці і різних галузях народного господарства, захищають метали від руйнування, роблять міцнішими вироби з полімерів та скла, охороняють нас від шкідливих речовин, сигналізуючи своїм забарвленням про небезпеку зараження шкідливими речовинами. Вони знаходять найрізноманітніше застосування не тільки в хімії, але й хімічної технології. У медицині кольорові реакції допомагають вчасно виявити хвороби, що світяться фарбувальні речовини допомагають стежити за приладами в напівтемряві кабіни автомобіля, в космічному кораблі і на капітанському містку океанського лайнера, що перетинає в будь-яку погоду безмежний океан.
Будова молекул і колір.
Єдиної теорії кольору не існує. Однак можна помітити деякі закономірності, що зв'язують забарвлення з будовою молекул. Колір пов'язаний з рухливістю електронів в молекулі речовини і з можливістю переходу електронів при поглинанні енергії кванта світла на ще вільні рівні.
Існують відмінності принципового характеру між механізмами виникнення кольору у металів, неорганічних сполук і в органічних молекулах. Хоча у всіх випадках колір виникає в результаті взаємодії квантів світла з електронами в молекулах речовини, але так як стан електронів у металах і неметалів, органічних і неорганічних сполуках різному, то й механізм появи кольору неоднаковий. У металів для кольору важлива правильність кристалічної решітки і можливість електронам відносно вільно рухатися по всьому шматку металу. Колір більшості неорганічних речовин обумовлений електронними переходами і відповідно перенесенням заряду від атома одного елемента до атома іншого. Основну, вирішальну роль грає в цьому випадку валентний стан елемента, його зовнішня електронна оболонка.
Далеко не всі органічні речовини мають кольором. Однак у тих речовин, які мають забарвлення, в структурі молекул є принципова подібність. Всі вони, як правило, великі молекули, що складаються з десятків атомів. Для виникнення кольори мають значення не електрони окремих атомів, а стан системи електронів, що охоплює всю молекулу цілком. Рухливість такої системи, її здатність легко змінювати свій стан під невеликим впливом світлових квантів і обумовлює виборче поглинання певних хвиль з набору, що становить видиме світло.
Щоб зрозуміти залежність кольоровості від будови, потрібно розглянути, в чому полягають особливості енергетичного стану електронів того чи іншого типу молекул.
Спектри поглинання і колір неорганічних речовин
Той чи інший колір речовини означає, що з усього інтервалу 400-700 нм довжин хвиль Пиляємо світла їм поглинаються якісь певні кванти, енергія яких загалом невелика.
З цього в свою чергу випливає, що в молекулах забарвлених речовин енергетичні рівні електронів досить близько розташовані один до одного. Якщо різниця ДЕ велика, то вживаються інші кванти, що несуть більше енергії, наприклад, ультрафіолетові. Такі речовини, як азот, водень, фтор, благородні гази, здаються нам безбарвними. Кванти видимого світла не поглинаються ними, тому що не можуть привести електрони на більш високий збуджений рівень. Якщо б наші очі здатні були сприймати ультрафіолетові промені, то в такому ультрафіолетовому світлі і водень, і азот, та інертні гази здавалися б ним пофарбованими.
Чим більше електронів в атомі, тим тісніше один до одного електронні рівні. Особливо добре, якщо в атомі є незайняті електронами орбіти. У такому випадку для переходу електрона з одного стану в інший потрібні кванти світла вже з меншою енергією, яку несуть промені видимої частини спектру. Такі багатоелектронних галогени, як хлор, бром, йод, вже пофарбовані. Мають забарвлення оксиди азоту NО _2, N ₂ О ₃ і ковалентні з'єднання, наприклад CuCl _2, AlI _3. Забарвлення молекул (рис. 1.), Що складаються з декількох атомів, залежить від цілого ряду чинників. Якщо дія цих чинників таке, що вони зближують електронні рівні, то це сприяє появі чи поглибленню забарвлення. Так більш тісну взаємодію атомів при переході з газоподібного в рідкий і далі твердий стан може сприяти появі або
поглибленню кольору, особливо в тих випадках, коли у атомів є незайняті електронами орбіти.

Рис. 1. Забарвлення оксиду азоту (IV) зникає при охолодженні (утворюється димер N ₂ O ₄₎ і знову з'являється при нагріванні.
Різниця у характері взаємодії позначається на спектрах. Спектри поглинання найпростіших молекулярних сполук - газів і речовин, у газоподібному стані - складаються з декількох серій вузьких смуг (ліній). Це означає, що з усього потоку білого світла вони вибирають лише деякі фотони, енергія яких якраз дорівнює різниці між основним і "порушеними" станами електронів. У рідкому і особливо твердому стані спектр стає по суті суцільним, так як із-за сильної взаємодії близько розташованих атомів з'являється багато нових енергетичних рівнів електронів і, отже, збільшуються можливості нових електронних переходів, зростає число рівнів енергії молекул та іонів. У спектр входить велика кількість широких смуг, що простягаються на кілька десятків нанометрів. Інтенсивність смуг і їх різне накладення один на одного визначає підсумковий колір речовини. Адже при різних поєднаннях основних кольорів: червоного, синього, зеленого або червоного, жовтого, синього виходять всі інші кольори спектра.
Як правило, смуги поглинання у неорганічних речовин починаються у видимій області, а закінчуються в ультрафіолетовій. Положення найбільш інтенсивних смуг поглинання і визначає колір (табл. 1.).
Таблиця 1.

Колір речовини складається з суми відбитих хвиль (або пройшли речовина без затримки), причому інтенсивність тих чи інших хвиль може бути різна. Тому навіть якщо спектр складається з одних і тих же хвиль, але їх відносна частка в спектрі змінена, то ми бачимо речовини різного кольору. Промені, комбінуючись в спектрі один з одним, дадуть різне забарвлення. Ось приклад. Кадмій і ртуть - елементи однієї і тієї ж підгрупи II групи періодічоской системи. Їх атоми відрізняються один від одного числом внутрішніх електронів. Їх сульфіди HgS і CdS сильно поглинають промені фіолетової частини спектра і значно слабкіше - червоно-помаранчевої (рис. 2.). У результаті, здавалося б, незначній різниці у віддзеркаленні виходить вже інша комбінація: сульфід кадмію виявляється жовтим, а сульфід ртуті - помаранчевим.

Рис.2. Різниця в спектрах поглинання визначає колір.
На діаграмі наведені спектри декількох речовин, у яких різна інтенсивність відбиття хвиль різних ділянок видимого світла. На малюнку 3 зазначено, при яких співвідношеннях ми бачимо той чи інший колір. У тому випадку, якщо криві перетинаються, кольору взаємно "знищують" один одного і ми бачимо тільки той колір, який залишається. При відображенні кольору з довжиною хвилі 480 нм речовина синє, так як взаємно знищені червоний і зелений кольори. При 500 нм - зелене, вище 600 нм - червоне з жовтуватим відтінком. Колірне відчуття від різних забарвлень (отримується, наприклад, при накладенні кольорових стекол) сприймається нами як сумарне.

Рис. 3. Видимий колір є результат накладення основних кольорів, що відповідають трьом нервовим центрам, що створюють відчуття червоного, зеленого і синього.
Особливості твердого стану неорганічних барвників
В першу чергу слід пам'ятати, що неорганічні барвники, як природні, так і синтетичні, - кристалічні тіла. Особливістю їх є впорядковане розташування багатьох сотень і тисяч атомів, іонів або молекул. Розрізняються вони як за типом входять до тверде тіло часток, так і за типом хімічних зв'язків між ними.
Для того щоб зрозуміти їх структуру, розглянемо на знайомих із шкільного курсу хімії прикладах особливості того чи іншого виду побудови агрегатних станів.
У газоподібному стані речовини характеризуються значними відстанями між частинками і малими силами взаємодії між ними. Вони здатні займати будь наданий об'єм, і їх властивості в основному визначаються поведінкою окремих частинок. У рідкому ж стані частки речовин зближені на відстані, співмірні з їхніми розмірами, сили взаємодії між частинками значні. Частинки речовини об'єднуються у великі агрегати, в яких їх взаємне розташування впорядковане й рух носить коливальний характер (ближній порядок). На значних відстанях від центрів агрегатів (далекий порядок) ця впорядкованість порушується. Міцність зв'язків між агрегатами частинок в рідині невелика, тому в рідкому стані речовина займає певний об'єм, але здатен змінювати форму під дією сили тяжіння. Поведінка речовин в цьому стані визначається як властивостями частинок та їх агрегатів, так і взаємодіями між ними.
У твердому стані виникає впорядковане розташування частинок як в ближньому, так і в далекому порядках. Тверде речовина не тільки здатне зберігати певний об'єм, але і незмінність форми під дією сили тяжіння. Властивості речовини визначаються як його елементарним складом, так і структурою. Взаємне розташування частинок у твердій речовині характеризується відстанню між центрами, навколо яких вони здійснюють коливальні рухи. Впорядковане розташування атомів (рис. 4), багато разів повторюється вздовж будь-якої прямої лінії, називається кристалічними гратами.

Іони, що мають незавершені оболонки, в більшості випадків утворюють забарвлені сполуки. При цьому, якщо аніон не здатний до сильної поляризації, то колір речовини визначається катіоном і відповідає забарвленні катіона у водному. розчині: заліза - жовтою, міді - блакитний та ін
У d-елементів IV періоду колір сполук визначається переходами електронів з одного d-орбіталі на іншу і перенесенням заряду на іон металу. Затягуючи електрони з орбіталей аніону, на вакантні орбіталі своїх атомів, катіони хрому, марганцю, заліза, кобальту, нікелю та деяких інших металів надають відповідне забарвлення всім своїм з'єднанням. Цим же пояснюється забарвлення ряду оксидів елементів з перехідними властивостями (металів).
Необхідно, однак, зауважити, що поява можливості того чи іншого переходу визначається впливом атомів, з якими стикається атом даного d-елемента. П'ять d-орбіталей займають в молекулі кілька інше положення, ніж у вільному атомі. Різниця в енергіях цих орбіталей якраз відповідає енергії квантів видимої частини електромагнітного випромінювання й обумовлює колір речовини, що містить іони Gr ^{3 +,} Fe ^{2 +,} Fe ^{3 +,} Co ^{2 +,} Ni ^{2 +,} Mn ^{4 +,} Mn ^{7 +.} Колір деяких речовин, наприклад оксиду заліза (III) Fe ₂ O ₃ та гідроксиду заліза (III) Fe (OH) _3, визначається відразу двома обставинами: електронними переходами з одного d-орбіталі на іншу і перенесенням заряду з аніона на катіон.
Потенціали переносу заряду залежать від міжатомних, міжіонних, межядерних відстаней. Отже, і в з'єднаннях d-елементів більшу роль грає деформованість катіона і аніона.
Елементи великих періодів, розташовані внизу груп елементів, деформуються легко. Особливо якщо у них є багато внутрішніх незавершених шарів або 18-електронні оболонки. Це відноситься як до катіонів металів, так і до аніонів неметалів. Прикладом, що підтверджує таку поведінку, може служити взаємний вплив іонів свинцю Рb ^{2 +} і йоду I ^-. Обидва вони у водному розчині безбарвні і розчин йодиду свинцю теж не має забарвлення.
Коли ж з розчину починає виділятися осад цього з'єднання, то іони cсбліжаются один з одним і випадає красивий золотисто-жовтий осад кристалів РbI _2. Тут і катіон та аніон легко деформуються і відбувається взаємна поляризація. Якщо іон сильно деформує оболонку сусіда, то говорять про його сильну поляризующем дії.
Зростанню деформованості сприяє збільшення радіусу іона і зменшення позитивного заряду ядра. Так як ці величини передбачувані на підставі періодичного закону Д. І. Менделєєва, то в принципі можна прогнозувати наявність кольору у того чи іншого з'єднання, складеного з будь-яких конкретних аніонів та катіонів. Виникнення кольору в оксиду елемента і відсутність забарвлення у фториду можливо тому, що кисневий іон поляризується легше, ніж іон фтору, так як у нього менше позитивний заряд ядра і більше радіус. Аніон сірки деформується ще легше, тому що у нього більше внутрішніх електронних шарів і є {правда, зовсім порожні) d-орбіталі, які він використовує при утворенні хімічних зв'язків. Однак катіони цинку Zn ^{2 +,} алюмінію Al ^{3 +} і кремнію Si ^{4 +,} незважаючи на досить великі радіуси, не здатні до деформацій, так як у них великий заряд іона.
Різнокольорові іони одного металу
Відомо, що колір більшості неорганічних сполук визначається станом окислення входять до нього іонів. Цим широко користуються в аналітичній хімії. Можливості зміни кольору обумовлені як різним станом електронів в залежності від ступеня окислення, так і зміною поляризующего дії цих іонів.
Іон марганцю Мn ^{2 +} не має забарвленням у водному розчині. Видалення двох електронів з 4s-орбіталі не сильно зачіпає стану внутрішніх d-електронів, яких у марганцю саме п'ять і кожен займає одне з п'яти можливих станів. Однак більш високі ступені окислення вже сильно впливають на ці електрони.
Кристали МnSO ₄ або МnСОз безбарвні (іноді МnСОз світло-рожевий), але оксид МnО сіро-зелений, МnСl ₂ і Mn (NO _{3) 2} рожеві. Якщо в морській воді створюється підвищена концентрація марганцю, то це позначається на освіті коралів, перламутру і перлів. У Японії існують спеціальні підводні плантації, де розводять жемчужниц - двостулкових молюсків. У цих організмів на внутрішній поверхні раковин відкладаються пластинчасті шари арагоніта - одна з кристалічних форм карбонату кальцію (про другу - кальцію - згадувалося у зв'язку зі сталактитами). Якщо в ці шари потрапляють іони марганцю, то шари починають набувати рожевий відтінок і виходить рожевий перли. Включення до них інших іонів надає жовтуватий відтінок, а дуже рідко перли буває навіть чорним. Так як перли по состааву - це карбонат кальцію, то він може виникнути і в підземних печерах. У печерах в Новому Афоні був виявлений такий перли в досить значній кількості.
Ступені окислення марганцю +3 відповідає бурий колір Мn ₂ О _з або чорно-коричневий у Мn ₃ O _4. Правда, останнє підключення містить не тільки Мn ^{3 +,} але і Мn ^{4 +,} який і поглиблює колір. У звичайних умовах МnO ₂ - чорні кристали. Іон Мn ^{6 +} може бути присутнім тільки в складі аніона MnO ₄ ^{2 -,} пофарбованого в зелений колір. Кислота Н ₂ МnO _4, відповідна цьому аніоном, у вільному вигляді не виділена, а утворюється з солей при підкисленні розчинів манганатов:

До ₂ МnО ₄ + 2СН ₃ СООН → Н ₂ МnО ₄ + 2СН ₃ Соок
мимовільно розпадається на темно-коричневий МnО ₂ і перманганат КМnO _4:
ЗК ₂ МnО ₄ + 4СН ₃ СООН → МnО ₂ + 2КМпО ₄ +
+ 4СН ₃ Соок + 2Н ₂ O
Аніоном МnО ₄ ^-, де ступінь окислення марганцю найвища + 7, відповідає вже інший - фіолетово-малиновий колір. Кожен його напевно бачив - це колір розчину «марганцівки».
Таке розмаїття квітів з'єднань марганцю різних ступенів окислення і їх одночасне поєднання в розчині дозволило К. Шеєле назвати До ₂ МnO ₄ мінеральним хамелеоном. У 1774 р. цей дослідник отримав манганат калію сплавом:
МnO ₂ + 2КОН + KNO _3, → K ₂ MnO ₄ + KNO ₂ + Н ₂ О
Продукт реакції дал з водою розчин зеленого кольору, але поступово при стоянні на повітрі (під дією кисню) став перетворюватися спочатку в синій, потім у фіолетовий і під кінець почав малиновим (забарвлення МnО ₄ ^-).
Таке розмаїття квітів пояснюється зміною характеру іонів марганцю. Чим вище ступінь окислення, тим більше поляризующей дія марганцю. Справа доходить до того, що Мn ⁺⁶ і Мn ⁺⁷ є одними з сильних окислювачів. Біля води вони відбирають іон кисню, створюючи собі оточення з чотирьох іонів O ^-2. Різниця в змозі лише одного електрона визначає колір - зелений або фіолетово-малиновий, але крім цього - окисні здатності.
Щось схоже відбувається і з іонами хрому. Гідратований іон хрому Сr ² + блакитного кольору. Це один із самих сильних відновників. Він нестійкий ні в розчині, ні у складі твердої речовини. Одне з його відносно стійких (за відсутності повітря) з'єднань - ацетат Сr (СНзОО) _2. Поляризаційні дію іона Сr ^{2 +} таке, що ацетат набуває червоний колір. Іон Сr ^{2 +} прагне перейти в Сr ^{3 +,} який має в розчині вже інший колір - зелений, а деякі з його сполук - фіолетовий (наприклад, СrС1з). Окисленням пероксидом натрію можна перевести хром в його вищу ступінь окислення +6:
2NaCrO ₂ + 3Na ₂ O ₂ + 2H ₂ O → 2Na ₂ CrO ₄ + 4NaOH
зеленуватий жовтий
Такий іон Сr ^{6 +} може входити до складу аніону двох кислот: хромової - Н ₂ СrО ₄ і двухромову - Н ₂ Cr ₂ O _7. Кожному з них властива своя забарвлення: першому - жовта, а другому - помаранчева. Перевести з однієї форми в іншу можна додаванням кислоти або лугу:
2CrO ₄ ^- + 2Н ⁺ → Н ₂ О + Сг ₂ О ₇ ^{2 -}
Cr ₂ O ₇ ^{2 -} + 2OH ^- → 2CrO ₄ ^{2 -} + H ₂ O
Природно, що хром, що знаходиться в вищого ступеня окислення, - сильний окислювач:
До ₂ Cr ₂ O ₇ + ЗC ₂ H _{5 OH} + 4H ₂ SO ₄ → CH ₃ CHO + Cr ₂ (SO _{4) 3} +
+ K ₂ SO ₄ + 7H ₂ O
Ступінь окислення визначається станом валентних електронів. Кожній ступеня окислення відповідає свій колір і свій характер. Від блакитного нестійкого іона +2 з відновними властивостями до Сr ^{6 +} - окислювача проходить ціла гама кольорів. Зміна властивостей іона і зміна кольору мають одну і ту ж основу - певний стан електронів. Перехід від одного ступеня окислення до іншої робить електронну систему іона чутливою до світлових квантам суворо певної енергії, відповідної різниці енергетичних d-підрівнів. Різноманіття кольору іонних станів одного й того ж елемента доводить, що ця відмінність досить тонка. Подібні кольорові гами існують і в інших перехідних елементів. Як приклад наведемо зміна кольору твердих сполук - оксидів і розчинів галогенідів ванадію (табл. 2).
Таблиця 2.

Зміна кольору розчинів у відповідності зі ступенем окислення властиво і неметалів. Так, йод у вільному стані має фіолетовий колір. У 100-відсоткової сірчаної кислоти розчин йоду має рожевий колір, він відповідає комплексному іону I ₃ ^+. Цей комплекс складається з молекули йоду і адсорбованого на ній катіона I ^+, При додаванні окислювача:
2I ₃ ^{+ +} НIO ₃ + 8H ₂ SO ₄ = 7I ^{+ +} ДТ ₃ O ^{+ +} 8HSO ₄ ^-
колір розчину, де присутній в основному іон I ^+, стає темно-синім.
Середовище впливає на колір
Катіони, аніони в розчині оточені оболонкою розчинника. Шар таких молекул, що безпосередньо прилягають до іона, називають сольватний оболонкою (від слова solver - розчиняти). Число входять сюди молекул визначити важко. Нас, втім, цікавить інший ефект сольватації.
У розчинах іони можуть впливати не тільки один на одного, але й на навколишні їх молекули розчинника, а ті в свою чергу на іони. При розчиненні і в результаті сольватації виникає колір у іона раніше безбарвного. Наприклад, безводні CuF ₂ і CuSO ₄ білі, а їх розчини пофарбовані в блакитний колір. Це забарвлення гідратованого іону міді. У його найближче оточення входить як мінімум шість молекул води. Чотири з них пов'язані з ним міцно, а дві - слабо. Заміна оточення іона з погано деформівних іонів F ^- і SО ₄ ^{2 -} на легко поляризованим молекули води призводить до появи кольору. Видалення води (наприклад, випаровуванням) призводить до випадання кристалогідратів того ж кольору. Адже в них містяться молекули води. Так, в кристалогідраті сульфату міді CuSО ₄ • 5H ₂ О чотири з п'яти молекул розміщені навколо іона міді, а п'ята займає проміжне положення і пов'язана як з Сu ^{2 +,} так і з групою SO ₄ ^{2 -} (рис. 11).

Рис. 11. Схема будови кристалогідрату модного купоросу. У рамку укладена одна молекула CuS О ₄ • 5 H ₂ О. Штрих означає, що молекула Н ₂ О пов'язана з двома іонами кисню та іншої молекулою води.
Заміна молекул води на аміак поглиблює колір. Аміачні молекули деформуються легше і інтенсивність забарвлення посилюється. При цьому слід врахувати, що відбувається більш тісну взаємодію катіона Сu ^{2 +} з аміаком - утворюється комплексний іон [Cu (NH _{3) 4]} ^+. На посиленні інтенсивності кольору Сu ^{2 +} заснована і відома реакція на багатоатомні спирти. Блакитний осад Сu (ОН) ₂ переходить в інтенсивний синій при утворенні гліцерата міді. Органічна молекула легко деформується під дією іона міді. У випадку міді деформація, мабуть, впливає на стійкість одного з d-електронів міді. Він стає здатним, поглинаючи вже довгохвильові кванти, пороходах в збуджений стан. Якщо легко деформується аніон витісняється з оточення катіона менш поляризованим, то забарвлення може зникнути зовсім. Наприклад, РbI ₂ в твердому вигляді золотисто-жовтий, а в розчині безбарвний. При розчиненні і подальшої дисоціації іон I ^-, що оточував свинець у твердому з'єднанні, замінюється важче деформуються молекулами води. А раз немає деформації, то зникає і колір.
Ще більш різко, ніж просто розчинення, може позначатися на кольорі з'єднання заміна одного розчинника іншим. Синій розчин CoCl ₂ в етиловому спирті при розведенні його водою стає рожевим. Замість звичного блакитного кольору гідратованих іонів міді з'являється зоління, якщо білий порошок безводної солі СuСl ₂ розчинити але у воді, а в етиловому спирті.
Причиною зміни забарвлення є різна деформованість молекул розчинників і катіонів, що зазнають в свою чергу поляризующей дію з боку молекул води або етанолу. Рухливі легко збуджуються електрони стають здатними поглинати інші кванти видимого кольору. Іон кобальту у воді менш поляризований і для його «кольорових» електронів потрібні більш короткі промені. Він пропускає або відбиває довгохвильові, від чого його водний розчин здається рожевим. У спиртовому розчині міді у відбитих променях зменшується частка синіх променів, і спиртовий розчин стає зеленим. При заміні розчинника забарвлення навіть може зовсім зникнути. Кольоровий іон стає як би невидимкою: у воді безслідно зникає золотисто-жовте забарвлення РbI _2. Зникнення пояснюється тим, що речовина розпадається на окремі іони, кожен з яких безбарвний, будучи разом в осаді, вони обумовлюють колір. Точно так само відбувається з димерной молекулами Аl ₂ Cl _6, які мають синій колір в етанолі і позбавляються забарвлення у воді, тому що при дисоціації вода роз'єднує катіони А1 ^{3 +} ​​і аніони С1 ^-.
Іноді зникнення кольору відбувається і без розпаду речовини на іони.
Яскраво-червона сіль иодида ртуті HgI ₂ стає абсолютно безбарвної при розчиненні в ефірі. Спеціальними дослідженнями встановлено, що молекули знаходяться в розчині в недиссоциированной вигляді. Причиною зникнення забарвлення, як вважають, є зменшення деформації іонів. В ефірі утворюються сольватний комплекси типу [HgI ₂ (ефір) _x]. Число частинок, на яких робить своє поляризующей дію катіон Hg ^{2 +,} зростає: адже поряд з двома легко деформуються іонами I ^{1 -} з'являється кілька молекул ефіру. Силове поле катіона дробиться між частинками. Його дії вже не вистачає, щоб викликати поляризацію всіх часток відразу. Деформація кожної з них мала, а у аніонів I ^{1 -} стає істотно менше, ніж у твердому стані. Наслідком такої зміни взаємодії стає зникнення кольору. Потрібно всього лише наполовину зменшити дію двозарядних катіонів ртуті на аніон йоду, щоб зменшилася їх деформація до такої міри, що молекула стає неокрашена, навіть якщо при цьому зростають її розміри. Саме так йде справа, коли до яскраво забарвленого осаду РbI ₂ або HgI ₂ доливають надлишок розчину йодиду калію. Утворені іони [РbI _4] ^{2 -} і [HgI _4] ^{2 -} забарвлення у видимому світі не мають.
Відомо, що кристалічний йод практично не розчиняється у воді. У 100-відсоткової H ₂ SO ₄ утворюється рожевий розчин, а в 30-процентвом олеум 0,5 М розчин йоду має коричневий колір, такий же, як і в етиловому спирті. Розчинники змінюють стан молекул та іонів. У середовищі концентрованої сірчаної кислоти існують комплекси і іони; рожевий - I ₃ ^+, синій I ^+, коричневий I ₅ ^+.
Основи структурної теорії кольоровості органічних молекул
Спроби зв'язати колір органічної речовини з його структурою робляться виключно давно. Приблизно сто років тому була висунута порвав теорія, що з'єднала забарвлення з наявністю в молекулі сполук певних груп атомів.
Особливе значення для структури пофарбованого з'єднання має ланцюжок атомів С, пов'язаних один з одним чергуються подвійними і одинарними зв'язками:
-СН = СН-СН = СН-и т. д.
У таких ланцюжках проявляється ефект сполучення. Відбувається як би вирівнювання подвійних і одинарних зв'язків:


Перекриття орбіталей, на яких знаходяться π-електрони, таке, що з'являється можливість утворення як би додатковою зв'язки і між тими вуглецевими атомами, які з'єднані одинарної зв'язком; всі атоми охоплюються єдиними молекулярними орбиталями. Електрон отримує можливість пересуватися по всій молекулі в цілому.
З подібним ефектом сполучення ми зустрічаємося при вивченні властивостей бензолу, у якого неможливо розрізнити окремі подвійні та одинарні зв'язку; так їх у молекулі С _б Н _б і ні - всі зв'язки рівноцінні (рис. 12).
Однак утворення таких делокалізовані л-зв'язків накладає обмеження на будову молекули: щоб електронні орбіталі могли перекриватися, атоми в молекулі повинні лежати хоча б приблизно в одній площині.

Рис. 12. Електронна будова молекули бензолу: а - σ-зв'язку; б - π - зв'язку.
Досвідченим шляхом ще до того, як були відкриті закономірності електронної будови і його зміна при взаємодії молекули речовини з променем світла, вдалося помітити найбільш важливе за вплив структурних фрагментів молоекул па колір сполук. Так виявилося, що подовження ланцюжка зв'язаних подвійних зв'язків призводить до переходу від безбарвного або слабозабарвленого до темним кольорам:

Якщо замість простих ароматичних ядер (типу бензольних) з'являються конденсовані (типу нафталіну), то це викликає поглиблення кольору,

Групи С = О, пов'язані один з одним, викликають більш глибокий колір з'єднання:

Більше міцна і більш тісний зв'язок між атомами вуглецю, що відносяться до окремих частин молекули, призводить до більш інтенсивної і більш глибокої забарвленням:

Крім ланцюгів сполучення, відповідальними за колір є й інші групи атомів, між якими теж є ненасичені зв'язки. Такі групи, завдяки яким виникає можливість появи кольору у речовини, отримали назву хромофори від грецьких слів «хрома» - колір та «Форі» - несу, інакше кажучи - «несуть колір». Ось приклади кількох таких груп:

Речовини, що містять хромофори, називаються хромогеном. Самі по собі ці речовини ще не є барвниками, тому що не відрізняються ні яскравістю, ні чистотою кольору. Пояснюється це тим, що хоча й відбувається у таких молекулах перерозподіл електронів і їх енергії, але не настільки, щоб вибірково і в значній кількості поглинати кванти світла тільки однієї певної довжини хвилі. Така можливість з'являється лише після того, як в молекулу з'єднання будуть введені групи, що відрізняються або різко вираженим спорідненістю до електрона, або здатні свої електрони в значній мірі віддавати в загальне користування. Одним словом, такі групи, які різко змінюють стан електронів в хромофорних угрупованнях.
Групи, які посилюють забарвлення речовин, називаються ауксохроми (від грецького слово «аукс» - збільшую). Існує два типи таких груп:

Тільки після введення ауксохромов колір з'єднання стає чистим (починається виборче поглинання променів певної довжини хвилі) і досить інтенсивним (падаюче світло легко зрушує електрони в молекулі). Найбільший ефект досягається, коли в молекулі сполуки присутні одночасно і електронодонорні і електронофільние групи атомів. Одні з них віддають, а інші відповідно притягують електрони загальної електронної системи молекули.
Отже, із структурних особливостей органічних молекул для появи кольору у речовини мають значення такі: 1) ланцюжок з чергуються одинарних і подвійних зв'язків (при цьому в такому ланцюжку можуть брати участь і подвійні зв'язки не тільки між вуглецевими атомами), 2) наявність груп або атомів, сильно притягують або, навпаки, легко віддають свої електрони в загальну електронну систему молекул; 3) атоми в молекулі повинні лежати в одній площині (або дуже близько до цього стану).
Все це підпорядковано одній меті - легкості впливу квантів видимого світла на електронну систему молекул і переведення її в збуджений стан.
Колориметрія
Цветометрія (колориметрія), наука про методи вимірювання і кількісного вираження кольору. Останній розглядають як характеристику спектрального складу світла (у т. ч. відбитого і пропускається несамосветящихся тілами) з урахуванням зорового сприйняття. Відповідно до трикомпонентної теорією зору будь-який колір можна представити як суму трьох складових, так званих основних кольорів. Вибір цих квітів визначає колірну координатну систему, в якій будь-який колір може бути зображений точкою (або колірним вектором, направленим з початку координат в цю точку) з трьома координатами кольору - трьома числами. Останні відповідають кількостей основних кольорів у даному кольорі при стандартних умовах його спостереження.
Фундаментальною характеристикою кольору, його якістю, є кольоровість, яка не залежить від абсолютної величини колірного вектора, а визначається його напрямком в колірній координатній системі. Тому кольоровість зручно характеризувати становищем точки перетину цього вектора з колірною площиною, яка проходить через три точки на осях основних квітів з координатами кольору, рівними 1.
Властивості колірного зору обліковуються за результатами експериментів з великим числом спостерігачів з нормальним зором (так званим стандартним спостерігачем). У цих експериментах зорово зрівнюють чисті спектральні кольори (тобто кольори, що відповідають монохроматичного світла з певною довжиною хвилі) із сумішами трьох основних кольорів. Обидва кольору спостерігають поруч на двох половинках так званого фотометричного поля порівняння. У результаті будують графіки функцій складання квітів, або криві складання квітів, в координатах «співвідношення основних кольорів - довжина хвилі спектрально чистого кольору».
Оскільки, відповідно до закону Г. Грассмана (1853), за даних умов основні кольори роблять у суміші однаковий візуальний ефект незалежно від їх спектрального складу; по кривих складання квітів можна визначити координати кольору складного випромінювання. Для цього спочатку колір останнього представляють у вигляді суми чистих спектральних квітів, а потім визначають кількості основних кольорів, необхідних для отримання суміші, зорово неотличимой від досліджуваного кольору.
Фактично основою всіх колірних координатних систем є Міжнародна колориметрична система RGB (Від англ. Red, Green, Blue - червоний, зелений, синій), в якій основними кольорами є червоний (відповідний випромінювання з довжиною хвилі Х = 700 нм), зелений (Х = 546,1 нм) і синій (Х = 435 , 8 нм). Вимірюваний колір С в цій системі може бути представлений рівнянням: C = R + G + B, де R, G, і В - координати кольору С. Однак більшість спектрально чистих кольорів неможливо уявити у вигляді суміші трьох згаданих основних кольорів. У цих випадках певна кількість одного (або двох) з основних кольорів додають до спектрального кольору і отриману суміш зрівнюють із сумішшю двох, що залишилися кольорів (або з одним залишилися кольором). У наведеному вище рівнянні це враховується перенесенням відповідного члена з лівої частини праворуч. Наприклад, якщо був доданий червоний колір, то C + R = G + B, або C = - R + G + B. Наявність негативних координат для деяких квітів - суттєвий недолік системи RGB.
Найбільш поширена міжнародна система XYZ, в якій основні кольори X, Y і Z - нереальні кольори, вибрані так, що координати кольору не приймають негативних значень, причому координата У дорівнює яскравості спостережуваного забарвленого об'єкту.
Недолік колірної координатної системи XYZ - неравноконтрастность: залежно від області колірного простору на однакові за величиною ділянки доводиться різне число (від 1 до 20) колірних порогів, тобто кордонів розрізнення кольорів. Це істотно ускладнює узгодження вимірювань з візуальною оцінкою.
Тому була запропонована (1976) колірна координатна система Lab, де L - яскравість, або светлота, яка змінюється від 0 (абсолютно чорне тіло) до 100 (біле тіло), координати-а, + а,-b, + b визначають зелений, червоний, синій і жовтий кольори відповідно.
Кольоровість являє собою проекцію даного кольору на площину ab. Система Lab більш однорідна і дає кращу кореляцію з візуальними визначеннями, тому що її параметри - L, кольоровість і координати а і b - близькі звичним суб'єктивним характеристикам кольори: светлоте, насиченості і колірного тону відповідно.
Сприйняття кольору суттєво залежить від умов спостережень. Тому в будь-якій кольоровій координатній системі при зміні умов змінюються координати кольору. Це явище називається метамерізмом. Розрізняють 4 основних види метамерізма, пов'язані зі зміною: 1) джерела освітлення, 2) спостерігача; 3) розміру вимірюваного поля; 4) геометрії спостереження (напр.. Під яким кутом дивляться на об'єкт; види освітлення - дифузне або спрямоване).
Вимірювання кольору лежать в основі інструментальних методів оцінки якості фарбування різних матеріалів барвниками, розрахунку сумішевих рецептур фарбування, оптимізації та автоматизації хіміко-технологічних процесів фарбування і виробництва барвників.
Список літератури.
1. Хімічна енциклопедія в 5 томах. Том 5. Наук. Вид. «Велика російська енциклопедія» Москва, 1999
2. Г.Н. Фадєєв «Хімія і колір», М. «Просвещение», 1977
3. Т. Джеймс «Теорія фотографічного процесу» пров. 4го амер. Вид. Під ред. А.Л. Картужанський, Л. «Хімія» Ленінгр. Відділення, 1980