第三章染料的顏色和結(jié)構(gòu)

第三章染料的顏色和結(jié)構(gòu)第一頁，共四十三頁，編輯于2023年，星期一第一節(jié)引言染料應(yīng)當(dāng)具備兩大特性：（1）具有各類顏色（2）可以上染纖維染料的顏色和染料分子本身結(jié)構(gòu)有關(guān)，也和照射在染料上光線的性質(zhì)有關(guān)，光線照射在不同結(jié)構(gòu)的染料分子上出現(xiàn)不同的顏色。第二頁，共四十三頁，編輯于2023年，星期一一、發(fā)色團和助色團理論維特最早提出的該理論，認為有機化合物的顏色是由發(fā)色團引起的。同時，分子機構(gòu)中還應(yīng)當(dāng)具有助色團來加強發(fā)色團的作用。有色物質(zhì)有顏色的原因是其分子結(jié)構(gòu)中帶有一些不飽和基團。這些基團稱為發(fā)色團。如：-N=N-、C=C、-N=O、-NO2、

C=O等。有機物質(zhì)要有顏色，發(fā)色團必須連在足夠長的共軛體系上，或者有幾個發(fā)色團連成共軛體系。含有發(fā)色團的分子共軛體系稱為發(fā)色體。1.發(fā)色團第三頁，共四十三頁，編輯于2023年，星期一物體要有顏色，分子中除了發(fā)色團外，往往還要有一些助色團。一些供電子基團，常含有未共用的電子對。如-NH2，-OH，-NHR等。助色團作用：加強發(fā)色團的發(fā)色作用，產(chǎn)生深色效應(yīng)，提高吸收強度。提高染料的染色性能。如：-SO3Na可增加染料水溶性。2.助色團第四頁，共四十三頁，編輯于2023年，星期一酸性橙Ⅱ（C.I.酸性橙7，15510）偶氮結(jié)構(gòu)母體為發(fā)色體；-SO3Na、-OH為助色團。還原深藍BO（C.I.還原藍20，59800）只有發(fā)色體，不含助色團第五頁，共四十三頁，編輯于2023年，星期一應(yīng)當(dāng)說基本上只是經(jīng)驗的總結(jié)，缺乏理論基礎(chǔ)。不能完全解釋有色物質(zhì)的發(fā)色機理，有例外。有含有發(fā)色體、發(fā)色團、助色團但沒有顏色的化合物；有無發(fā)色體，但有顏色的化合物（碘仿CHI3，黃色）?？兹妇G隱色體（無色）3.發(fā)色團和助色團理論的缺點第六頁，共四十三頁，編輯于2023年，星期一二、量子理論光是電磁波，具有波動性和微粒性（波粒兩象性）。光是由無數(shù)個具有不同能量的光量子組成的，光量子的能量與頻率、波長之間的關(guān)系為：ν越大，λ越短，能量越大。第七頁，共四十三頁，編輯于2023年，星期一人們感覺到的光的顏色是不同波長的可見光照射到人眼中，刺激人的眼神經(jīng)，而引起的一種生理現(xiàn)象。第二節(jié)吸收現(xiàn)象和吸收光譜曲線一、顏色和吸收

光是一種電磁波，頻率與波長的關(guān)系為υ=c/λ光的顏色和光的波長是相互對應(yīng)的?？梢姽獾牟ㄩL范圍在380~780nm。紅色光的波長最長：640~770nm；紫色光的波長最短：400~440nm。太陽光(白光)：是由一個包含所有波長范圍的混合光組成的光。1.光與色的物理概念第八頁，共四十三頁，編輯于2023年，星期一

白光是由各種單色光組成的。太陽光和其它光源的光都是由單色光組成的復(fù)色光。復(fù)色光可以分成單色光的現(xiàn)象叫做光的色散現(xiàn)象。

圖1-1白光經(jīng)棱鏡后分成光譜

按照紅、橙、黃、綠、青、藍、紫順序形成彩帶。這樣的光帶稱為光譜。赤橙黃綠青藍紫，

誰持彩練當(dāng)空舞？

-毛澤東詩詞第九頁，共四十三頁，編輯于2023年，星期一無色透明——光線全部透過物體；物體呈白色——光線全部被物體反射；物體呈黑色——照射到物體上的光線全部被吸收；物體呈灰色——各波段的光部分成比例地被物體吸收；物體呈現(xiàn)一定的顏色——白光中的某一段或某幾段光有選擇地被物體吸收。2、物體的顏色

結(jié)論：物體的顏色是物體對可見光中某一波長的光選擇性吸收后，反射回來的其他波長的光在我們視覺上產(chǎn)生的反應(yīng)。當(dāng)太陽光或其他白光照射在物體上，可以看到幾種情況：第十頁，共四十三頁，編輯于2023年，星期一3、補色一種色的補色可以是單色光，也可以是除去這個顏色光后白光剩余的顏色。在顏色盤（環(huán)）上能很清楚地看到光譜色的補色就是它的對角所表示的顏色。即物體的顏色實際上就是物體吸收光的補色。兩種不同顏色的光混合起來成為白光，這兩種光的顏色稱為補色。第十一頁，共四十三頁，編輯于2023年，星期一紅光紫紅紫橙藍黃綠光藍黃光綠藍光綠綠400nm435nm595nm480nm580nm490nm560nm500nm顏色環(huán)605nm700nm明確一個概念??！物體的顏色是物體吸收光后反射回來的補色。不是說這個物體是什么顏色就吸收什么顏色的光！第十二頁，共四十三頁，編輯于2023年，星期一呈現(xiàn)幾種顏色的物質(zhì)在可見光區(qū)的吸收曲線分別為：

第十三頁，共四十三頁，編輯于2023年，星期一第十四頁，共四十三頁，編輯于2023年，星期一二、吸收定律Lambert-Beer定律D：光密度；I0：入射光強度；I：透射光強度；c：溶液濃度；l：光程；ε：摩爾吸光系數(shù)ε與有色物質(zhì)的結(jié)構(gòu)、光的λ有關(guān)。第十五頁，共四十三頁，編輯于2023年，星期一三、吸收光譜曲線以ε和可見光的波長λ作圖，得到的光譜圖，稱為吸收光譜。橫坐標：λ(nm)；縱坐標：ε。從ε-λ圖中可以得到物質(zhì)的結(jié)構(gòu)與其吸收光譜的關(guān)系?？梢源砟骋晃镔|(zhì)的結(jié)構(gòu)特性。每種物質(zhì)的吸收光譜在同一入射光下的譜圖是不變的，但是相同的譜圖不能一定證實結(jié)構(gòu)。第十六頁，共四十三頁，編輯于2023年，星期一吸收帶：有機有色物質(zhì)對光的吸收有一寬的區(qū)域，形成一個吸收峰，稱為吸收譜帶，簡稱吸收帶。第一吸收帶：波長最長的吸收帶。第十七頁，共四十三頁，編輯于2023年，星期一最大吸收波長：每一吸收帶都有一個與最高摩爾吸光度ε對應(yīng)的波長，稱為λmax；與λmax相對應(yīng)的ε為εmax。積分吸收強度：整個吸收帶的吸收采用積分吸收強度表示?！谑隧?，共四十三頁，編輯于2023年，星期一第三節(jié)吸收光譜曲線的量子概念光是電磁波，具有波動性和微粒性（波粒兩象性）。光是由無數(shù)個具有不同能量的光量子組成的，光量子的能量與頻率、波長之間的關(guān)系為：對于時間的平均值，光表現(xiàn)為波動對于時間的瞬間值，光表現(xiàn)為粒子性

h,普朗克常數(shù)第十九頁，共四十三頁，編輯于2023年，星期一根據(jù)量子理論，原子和分子的能量是量子化的。物質(zhì)分子中，存在電子相對于原子核的運動，以及原子核間的相對振動和整個分子所存在的一定的轉(zhuǎn)動。各運動狀態(tài)都有相應(yīng)的能量，分別為電子能級、振動能級、轉(zhuǎn)動能級。分子的能量狀態(tài)稱為分子能級。各能級都是量子化的，分子能量為各運動狀態(tài)能量之和：第二十頁，共四十三頁，編輯于2023年，星期一當(dāng)分子處于不同狀態(tài)時，所有這些能量都不是連續(xù)的，而是量子化的。分子處于不同狀態(tài)時的能量，稱為能級。能級之間的間隔就是它們之間的能級差。

分子能級示意圖第二十一頁，共四十三頁，編輯于2023年，星期一當(dāng)分子的運動狀態(tài)發(fā)生變化時，能級也隨之發(fā)生變化。這種運動狀態(tài)的變化叫做躍遷，電子運動狀態(tài)的變化稱為電子躍遷。在電子躍遷的同時，常常伴隨著振動能級和轉(zhuǎn)動能級的變化，因此，躍遷時總能量的變化應(yīng)是三種能量變化之和。在一般情況下，分子總是處于能量最低的電子狀態(tài)，即最低電子能級，稱為電子基態(tài)，簡稱基態(tài)。同樣，在這種情況下，分子的振動能級和轉(zhuǎn)動能級往往也處于最低能級狀態(tài)，稱為零振動能級和零轉(zhuǎn)動能級。電子躍遷時的能量變化也不是連續(xù)的，而是量子化的。第二十二頁，共四十三頁，編輯于2023年，星期一當(dāng)分子吸收某種能量后，分子中的電子從較低能級（基態(tài)）躍遷到較高能級，而使整個分子的能量升高，處于較高能量狀態(tài)。通常把分子能量增高后的電子能態(tài)稱為激發(fā)態(tài)，而把能量增高的過程稱為激發(fā)。基態(tài)和激發(fā)態(tài)之間的能級差稱為激發(fā)能。由于一個分子具有很多不同的高能級狀態(tài)，因此可以吸收不同的能量，達到不同能級的激發(fā)態(tài)。能量最低的激發(fā)態(tài)稱為第一激發(fā)態(tài)，隨著能量的升高可以稱為第二激發(fā)態(tài)，第三激發(fā)態(tài)等。一般來說第一激發(fā)態(tài)對于染料的顏色形成最為重要。

第二十三頁，共四十三頁，編輯于2023年，星期一根據(jù)能量守恒定律，物質(zhì)在光的作用下，只有當(dāng)物質(zhì)分子中電子躍遷時的總能量變化等于相應(yīng)光子能量時，該物質(zhì)才可能吸收該能量的光子，產(chǎn)生躍遷。即躍遷所需能量應(yīng)與電磁波中光量子的能量相一致。上式把吸收光的波長λ與有色物質(zhì)分子的激發(fā)能ΔE聯(lián)系在一起，物質(zhì)分子的激發(fā)能取決于物質(zhì)分子結(jié)構(gòu)，從而從本質(zhì)上解釋了物質(zhì)選擇性吸收可見光的原因。

舉例：一個黃色的物質(zhì)，其達到第一激發(fā)態(tài)的能量只能是波長為350-500之間的光才能提供，那就只能吸收

這部分光，而反射黃光。它無法吸收其他波長的光，而顯示別的顏色。第二十四頁，共四十三頁，編輯于2023年，星期一在連續(xù)光譜中，某些光量子的能量被物質(zhì)吸收后，就形成該物質(zhì)的吸收光譜。一般認為，可見光的波長范圍在380～780nm之間，如果物質(zhì)的激發(fā)能ΔE對應(yīng)的吸收光的波長在與此相應(yīng)的范圍內(nèi)，就能表現(xiàn)出顏色。在可見光波范圍內(nèi)的激化能最高相當(dāng)于：千焦耳/摩爾千焦耳/摩爾因此，只有在154~293千焦耳/摩爾能量范圍內(nèi)產(chǎn)生激發(fā)狀態(tài)的分子才是有色化合物。第二十五頁，共四十三頁，編輯于2023年，星期一

對于染料來說，主要是吸收波長為380nm~780nm的可見光區(qū)，因此染料的第一激發(fā)態(tài)和基態(tài)之間能量間隔應(yīng)當(dāng)與此對應(yīng)。該能量間隔主要是由其分子中π電子運動所決定的。所以，染料分子一般都是具有大π鍵結(jié)構(gòu)。第二十六頁，共四十三頁，編輯于2023年，星期一

我們也常?？吹皆跓艄庀挛矬w的顏色和在日光下顯出的顏色有所差異。這是因為人造光源和日光的光譜成分不同，在日光燈下紅色總是顯得暗淡，在功率小的電燈光下，白色物體常帶有黃色?？梢娢矬w的顏色除與本身結(jié)構(gòu)有關(guān)外，也與照射的光源有關(guān)。

重要概念：物質(zhì)的顏色不僅僅是由其結(jié)構(gòu)決定的，而且也受到光源的影響??！第二十七頁，共四十三頁，編輯于2023年，星期一

紫外線被某些物質(zhì)吸收后，又將光線放射出來，卻呈現(xiàn)特殊現(xiàn)象，即這部分放射出來的光線的波長比吸收的光線的波長為長。

利用熒光現(xiàn)象的染料有熒光增白劑、熒光染料等。

不少物質(zhì)能吸收紫外線而放出可見光線，因而呈現(xiàn)閃亮的光，稱熒光現(xiàn)象。能呈熒光現(xiàn)象的物質(zhì)稱熒光物質(zhì)。當(dāng)光源移去后該物質(zhì)的熒光現(xiàn)象亦停止。對于不可見光線不能按可見光的規(guī)律產(chǎn)生色的感覺。第二十八頁，共四十三頁，編輯于2023年，星期一

能被激發(fā)出磷光的物質(zhì)如鈣、鋇、鋅的氯化物，堿土金屬的硫化物等。用鈣、鍶、鋇的硫化物與極少量放射性物質(zhì)混合涂在鐘表指針上，能發(fā)出磷光。

另一類物質(zhì)吸收紫外線后并不立即放出，即使光源移去以后還能放出一種暗綠色光，稱為磷光。第二十九頁，共四十三頁，編輯于2023年，星期一

總之，白光被物體部分地吸收可見光譜部分是物質(zhì)呈現(xiàn)顏色的原因。

當(dāng)光線通過物體時可以完全被吸收，或者被減弱到一定程度。物體吸收光線，是吸收不同波長的單色光。物體吸收光的波長和吸收程度一般用分光光度計來測量。根據(jù)朗伯-比爾(Lambert-Beer)吸收定律，可用下式表示物體對某一波長的光吸收的程度：第三十頁，共四十三頁，編輯于2023年，星期一第四節(jié)染料顏色和結(jié)構(gòu)的關(guān)系染料的分子體系能都應(yīng)有一個大π鍵結(jié)構(gòu)的發(fā)色體系。該體系可以吸收可見光，并且要求εmax應(yīng)在104~105之間。該體系一般由共軛雙鍵系統(tǒng)和在一定位置上的供電子共軛基團，即所謂的助色團所構(gòu)成。深色效應(yīng)：對物質(zhì)吸收光過程中，增加吸收波長的效應(yīng)。淺色效應(yīng)：對物質(zhì)吸收光過程中，減少吸收波長的效應(yīng)。濃色效應(yīng)：對物質(zhì)吸收光過程中，增加吸收強度的效應(yīng)。淡色效應(yīng)：對物質(zhì)吸收光過程中，降低吸收強度的效應(yīng)第三十一頁，共四十三頁，編輯于2023年，星期一一、共軛雙鍵系統(tǒng)共軛多烯烴

H-(-CH=CH-)n-H（1）共軛體系的長短對顏色的影響第三十二頁，共四十三頁，編輯于2023年，星期一（2）稠合的芳環(huán)的數(shù)量對顏色的影響第三十三頁，共四十三頁，編輯于2023年，星期一（3）共軛的偶氮基的數(shù)量對顏色的影響大部分的染料的共軛雙鍵系統(tǒng)是由偶氮基連接芳環(huán)構(gòu)成。偶氮基的增長可使系統(tǒng)產(chǎn)生深色效應(yīng)。但是偶氮基團超過兩個以后，深色效應(yīng)顯著降低。第三十四頁，共四十三頁，編輯于2023年，星期一二、供電子基和吸電子基

共軛雙鍵系統(tǒng)中引入給電子取代基時，如氨基和羥基的孤對電子與共軛系統(tǒng)中的電子相互作用，減低了分子激化能，使顏色加深。吸電子取代基如硝基、碳基等在共軛雙鍵系統(tǒng)中吸引電子，也加深染料分子的顏色。黃色

橙色紅色紫色藍光紅第三十五頁，共四十三頁，編輯于2023年，星期一

在染料分子共軛系統(tǒng)兩端同時存在給電子和吸電子取代基，深色作用更明顯，如黃色紅色黃λmax410nm紫λmax496nm第三十六頁，共四十三頁，編輯于2023年，星期一供、吸電子基之間如果能生成氫鍵，則深色效