После увиденного мной поста о медной радуге http://pikabu.ru/story/quotmednaya_radugaquot_5138482
я решил немного рассказать почему вообще у соединений одного элемента может быть столько цветов. Рано или поздно все задумываются об этом, как почему и небо голубое, но не все получают ответ. Может судьба отправит вас учиться на юриста, экономиста на программиста или еще кого, а вопрос из детства останется забытым.
Ответим сначала на вопрос, что такое свет. Светом в физической оптике называют электромагнитные волны, которые человеческий глаз может различать. Мы можем различать свет с длиной волны от 400 нм (фиолетовый) до 780 нм (красный).
Как видите, люди очень слепы. Но ничего страшного в этом нет, давно уже придумали себе "очки", позволяющие нам видеть больше. Такие приборы называют спектрометрами. Почему так важно раскладывать свет в спектр? Дело в том, что длина волны света напрямую связана с энергией фотона:
E = hv = hc/y , где h-постоянная Планка, v-частота света, y-длина волны.
А от этого сильно зависят его физические свойства, ведь в микроволновке тоже "свет", но вы не захотите греть им голову, а вот на солнышке загорать любят все. А что тогда с белым светом?
Белый свет — это электромагнитное излучение состоящее из всего спектра длин волн видимого диапазона, как например солнечное излучение. Белым так же мы можем воспринимать цвет состоящий из трех цветов (RGB), но это несколько иной свет. Если через призму пропустить свет, то он разложится на составляющие его монохроматические компоненты, свет солнца даст нам радугу, а экран монитора несколько полос, из которых он составляет цвета. В современных приборах используют не призмы, а дифракционные решетки, добавлю отличное видео с простым опытом, такой можно повторять и дома, сам неоднократно это делал, советую!!!
Если бы мои глаза могли видеть и другие длины волн, для меня не существовало бы проблемы куда поставить роутер, чтобы охватить максимальную площадь квартиры.
Теперь ответим на вопрос, откуда вообще у веществ есть цвета. Дело в том, что фотоны света, при взаимодействии с частицами веществ могут поглощаться ими. И если на вещество падает белый свет, то после поглощения какой-то длины волны другие отразятся, а мы увидим свет с цветом, дополнительным к поглощенному.
Бананы поглощают синий свет, растения красный, наша кровь поглощает зеленый и немного синего. Для растворенных веществ строятся спектры поглощения, это графики зависимости коэффициента поглощения от длины волны света. Подобные графики для многих веществ словно отпечатки пальцев, поэтому спектрометры так распространены во всех сферах деятельности человека, даже сельское хозяйство использует спектры со спутников, чтобы следить за состоянием растительности на полях.
Но почему вещества поглощают только определенный цвет? Если вы читали какой-нибудь из моих прошлых постов, то можете вспомнить, что у атомов и молекул есть уровни энергии, которые можно описать электронными орбиталями. Фотон поглощаясь веществом, переводит молекулу в возбужденное состояние, а электрон перескакивает с одной орбитали на другую. Так как уровни энергии четко определены, то чтобы не нарушать закон сохранения энергии поглощаться сможет только свет с длинной волны, соответствующей данному переходу.
E=hc/y или y=hc/E, как видите из формулы, чем больше энергия тем меньше длина волны.
В принципе можно рассчитать для молекул уровни энергии, и узнать их цвет. Но в голове у нас нет компьютера, и для химиков важны наглядные простые теории. Про одну из таких я уже рассказывал раньше, есть еще одна, похожая, используется для переходных элементов.
Если взять d орбитали и поместить их в поле с симметрией отличной от сферической, то некоторые орбитали станут менее выгодны по энергии, а некоторые более. Рассмотрим на простом примере с октаэдрическим окружением иона металла.
Черные точки на рисунке это отрицательные заряды, поэтому электрону будет выгоднее быть на орбитали, которая дальше от этих орбиталей. На рисунке сверху, третья орбиталь выгоднее чем первые две. Поэтому происходит расщепление уровней энергии. При этом разные ионы и молекулы в окружении вызывают различное расщепление, например хлорид ион вызовет меньшее расщепление чем вода, а аммиак большее чем вода.
Зная эту энергию мы можем узнать, какой цвет будет поглощаться(там на самом деле всё сложнее, но простым языком так),а соединение будет иметь цвет соответствующий дополнительному.
Как пример, раствор медного купороса голубого цвета
Значит он поглощает в оранжевой области, а если мы добавим к нему много хлорида натрия, то часть молекул воды, окружающее ионы меди, заменятся на хлорид ионы, как я раньше говорил, хлориды вызывают меньшее расщепление, а значит поглощаться будет свет с меньшей энергией, и большей длиной волны. Поглощался оранжевый, а будет красный, вещество должно быть зеленым.
Получилось, что еще мы сможем предсказать? Ну если добавить к купоросу много аммиака, мы должны будем сдвинуть поглощаемый свет в другую сторону, поглощался оранжевый, а будет желтый, раствор должен стать сине-фиолетовым, что мы и наблюдаем
Если взять раствор соли никеля, он будет зеленым
И добавить аммиака, то расщепление увеличится, аммиак сильнее воды расщепляет орбитали. Поглощался красный свет, а станет поглощаться желто-оранжевый, так как длина волны станет меньше. Значит цвет станет синим, что мы и видим. Тут ссылочка на видео откуда картинка.
Еще на энергию играет роль геометрическое строение, октаэдрическое окружение расщепляет уровни сильнее чем тетраэдрическое, поэтому если к красному раствору соли кобальта(справа), которая поглощает в зеленом цвете, добавить много хлорида, то образуется ион [CoCl4]2-, в котором 4 иона, то он будет поглощать уже в оранжевой области, и значит будет синим(слева).
На энергии перехода в частицах существует еще очень много разных влияний. Плюс я очень грубо объяснял, дело в том, что ионы поглощают несколько длин волн, и надо складывать много дополнительных цветов, при этом некоторые цвета невидимые изначально, будут вылазить из ИК или УФ области. Чтобы узнать подробнее об этом, надо читать книги по спектроскопии.
Надеюсь вы узнали что-то новое из моего поста. Хороших выходных.
