Химия цвета

Реферат  по КСЕ

на тему:

Химия цвета.

Оглавление.

Введение……………………………………………………………….3

1. Как возникает цвет………………………………………………....4

    1.1. Радуга. Сколько у нее цветов………………………………....4

    1.2. Избирательное поглощение света…………………………….5

   1.3. Электрон под влиянием света………………………………...5

2. Цвет неорганических веществ…………………………………….6

    2.1. Цвет металлов………………………………………………….6

    2.2. Связь цвета веществ с положением элементов в периодической системе………………………………………………7

    2.3. Разноцветные ионы одного металла…………………………8

3. Цвет органических веществ……………………………………….9 4. Роль цвета в жизни человека……………………………………..12

    4.1. Светящиеся краски…………………………………………...12

    4.2. Учение о цветах………………………………………………12

Заключение…………………………………………………………..14

Приложение………………………………………………………….15

Список использованной литературы……………………………….16

Введение.

Знаменитые строки, принадлежащие перу великолепного русского поэта Сергея Александровича Есенина

Словно я весенней гулкой  ранью

Проскакал на розовом коне…

долгое время казались лишь великолепными поэтическим образом, не имеющим никакого реального основания. Всем известно, что розовых лошадей в природе не бывает. Однако это факт. На рассвете «алый свет зари» окрашивает белые цвета в нежные розовые тона. Отражаясь от белой поверхности, «красные» лучи, преобладающие в потоке света, вызывают ощущение розового или красноватого цвета. Такова одна из особенностей восприятия нами красочного мира.

В темноте все представляется черным. Стоит включить освещение, и мир предстает перед нашими глазами во всем великолепии всех цветов и оттенков. Следовательно, чтобы разобраться в природе цвета, надо учесть свойства световых лучей. Традиционно изучение света считается привилегией физиков, а сущностью цвета интересуются в основном химики.

Чудеса, связанные с цветом, встречаются не только в природе. Они окружают нас буквально в любую минуту нашей жизни. Однако мы настолько привыкли к ним, что они порой нас мало волнуют, а порой мы просто не обращаем на них внимание. Например, нас не удивляют краски, способные светиться в темноте, цветная фотография и цветные кинофильмы. Но, как и почему возникает цвет? Как связана внутренняя структура молекул (обуславливающая окраску) с цветом вещества?

Цвет, как практически каждое сложное явление природы, имеет особенности, относимые нами к различным областям естествознания. Свойства  светового луча, его природа, спектр, энергия, которую тот или иной луч несет, - это материал, изучаемый на уроках физики. Видимый свет – это лишь небольшая часть общего потока электромагнитных волн, доступная непосредственному наблюдению человека. Цвет может возникнуть и в том случае, когда поток падающих на вещество электромагнитных волн и не воспринимается человеческим глазом. Так, некоторые краски и ткани принимают разные, порой фантастические расцветки, когда на них действует невидимое ультрафиолетовое излучение. Электроны, поглощающие энергию невидимых лучей, преобразуют ее и начинают отдавать в виде волн другого диапазона, уже воспринимаемых человеческим глазом.

1. Как возникает цвет.

1.1. Радуга. Сколько у нее цветов?

Сколько радости и детям и взрослым доставляет радуга, появляющаяся в небе после теплого летнего дождика. Она вызывает в людях изумление перед природой и восхищение. Как возникает радуга? Это солнечные лучи, пройдя сквозь воздух и отразившись в капельках воды, возвращаются к нам разноцветной радугой.

Большинству кажется, что в радуге 6 основных цветов, и лишь двое из десяти различают в ней 7 цветов: красный, оранжевый, желтый, зеленый, голубой, синий, фиолетовый. В школах Японии, однако, путем специальной тренировки достигает умение различать до 240 оттенков цвета. В зависимости от того, под каким углом смотреть на радугу, можно видеть различные участки спектра. Если угол составляет 40°, то в ней преобладают фиолетовые тона, а при 42°- красные. Изменяя угол, можно различить внутри участка спектра, соответствующего основному цвету, оттенки одного из смежных. Например, в желтом -  оранжевый или зеленый.

Солнечный свет содержит в себе все цвета радуги или световые волны различной длины. Если энергия световых волн всей видимой части спектра одинаково поглощается или отражается (так как не все солнечные лучи одинаково хорошо проходят через то или иное вещество), то вещество кажется  нашим глазам белым или бесцветным. Если же вещество пропускает или отражает преимущественно лучи определенных длин волн, то говорят, что оно окрашено в тот или иной цвет в зависимости от длины волн излучения, дошедших до наших глаз. При этом каждой длине волны соответствует определенная энергия, которую эти волны несут (Таблица 1). Так 1 моль квантов красного света несет ≈ 160 кДж, а фиолетовый свет ≈ 280 кДж (на 1 моль таких квантов). Длинноволновые (красные и оранжевые) лучи способны огибать молекулы газов, из которых состоит воздух. Поэтому на закате мы видим оранжевое солнце и почти такого же цвета небо. Лучи с короткой длиной волны (голубые и синие) отражаются от молекул газов и рассеиваются. Их мы и воспринимаем как голубой цвет неба.

Наше зрение, хотя и является довольно тонким, не способно воспринимать лучи короче 400 и длиннее 750 нм. К сегодняшнему дню люди уже умеют преобразовывать невидимые лучи так, чтобы получалось изображение предмета, видимое невооруженным глазом. Рентгеновские лучи широко используются для получения видимых изображений при просвечивании грудной клетки, рук или ног.

С явлением возникновения цвета под действием невидимых излучений связаны флуоресценция и фосфоресценция. Флуоресценция -  явление, при котором вещество поглощает некоторые из падающих на него лучей и преобразует их в лучи с другими длинами волн. Так, например, урановое стекло поглощает синие лучи и в этот момент начинает светиться зеленоватым светом. Особенности данного явления таковы. Оно продолжается все то время, пока на вещество падают вызывающие флуоресценцию лучи. Как только источник освещения удаляют, то и флуоресценция немедленно прекращается.

Фосфоресценция – явление несколько другого плана. Вещества, способные фосфоресцировать, светятся в темноте после того, как их некоторое время освещали. Хорошие фосфоресцирующие составы светятся ярко в течение нескольких часов. Особенно склонны к этому сульфиды щелочных и щелочноземельных металлов, чувствительные к видимому свету.

Суть явлений флуоресценции и фосфоресценции состоит в том, что падающий свет взаимодействует с электронами молекул вещества и переводит их в возбужденное состояние. Электроны отдают свою энергию в виде флуоресценции или фосфоресценции.

1.2. Избирательное поглощение цвета.

Когда белый свет, падая на какое-либо твердое тело (например, на поверхность кристалла), полностью рассеивается им, то такое тело кажется нашему глазу бесцветным, неокрашенным. Если все падающие на тело лучи им поглощаются, то получается впечатления черного цвета. Тела, поглощающие одни из падающих простых лучей и рассеивающие другие из них, кажутся нашему глазу цветными.

Таким образом, цвет – результат избирательного поглощения определенных участков в непрерывном спектре падающего белого света. Например, если тело поглощает красные лучи, кажется окрашенным в зеленый цвет; если же тело поглощает синевато-зеленоватые лучи, оно кажется нашему глазу красным. Следовательно, рассеянные и поглощенные лучи дополняют друг друга в белом свете, поэтому они называются взаимно дополнительными или просто дополнительными лучами.

Ощущения одного и того же цвета можно создать разнообразным сочетанием поглощаемых и пропускаемых участков спектра. Следовательно, необходимо указать участки поглощения в спектре. Если поглощение происходит в ультрафиолетовой части спектра, тело будет казаться нашему глазу бесцветным; если поглощение передвинется из ультрафиолетовой зоны в фиолетовую или синюю, тело приобретает желтый цвет; при дальнейшем передвижении полосы поглощения в зеленую зону приобретает оранжевый или красный цвет.   

1.3. Электрон под влиянием света.

Свет, падая на молекулу, вызывает изменение энергетического состояния как молекулы в целом, так и отдельных составляющих ее атомных группировок. Цвет вещества обусловлен в основном переходами электронов из одного состояния в другое. Изменение всех видов энергетических составляющих при переходе молекулы из основного  в возбужденное состояние характеризует и цвет вещества, и весь его спектр поглощения.

Молекула, поглотившая квант света, не может долго оставаться в возбужденном состоянии. Она стремится в течение миллионных долей секунды израсходовать полученную энергию, а возбужденный электрон – скачком вернуться в свое прежнее стабильное состояние. Отдача электронами энергии может происходить несколькими способами, один из которых носит название резонансного излучения. Молекулы вещества, обладающего цветом, поглощая световые кванты определенной частоты, начинают резонировать – испускать кванты излучения, которые воспринимаются нами как цвет вещества. Вещество поглощает одни кванты, а отдает другие. За короткое мгновение существования возбужденного состояния часть энергии, воспринятой электроном от светового кванта, успевает рассеяться. Поэтому квант, излучаемый красителем меньше, чем тот, что был поглощен, а длина волны его больше. Спектр испускания красителя всегда сдвинут в длинноволновую сторону по сравнению со спектром поглощения.   

Таким образом цвет обусловлен двумя потоками излучения. Первый – это тот, что прошел сквозь вещество или отразился от него. В этом потоке нет уже квантов той резонансной частоты, которая поглощена веществом. Это явление мы и воспринимаем как появление цвета. Второй поток возникает в результате того, что возбужденный электрон скачком возвращается в свое прежнее состояние, а избыточная энергия высвечивается в виде квантов вторичного излучения – флуоресценции. Цвет вещества представляет собой суммарный эффект из спектров поглощения и испускания.

На основе сочетания спектров поглощения и испускания в цвете вещества работают так называемые самосветящиеся краски, которые способны некоторое время светиться в темноте. Это явление было названо фосфоресценцией. Суть ее состоит в том, что электрон при своем возвращении на основной уровень может задержаться на некотором промежуточном. Происходит такая задержка потому, что электрон до момента своего возвращения уже успел растратить часть энергии. Попал в долговую энергетическую яму. Чтобы совершить прыжок в исходное состояние, он должен сначала набрать энергию, опять подняться на уровень возбуждения и затем скачком вернуться в исходное состояние. Все это требует времени.

2. Цвет неорганических веществ.

Единой теории цвета не существует. Между механизмами возникновения цвета у металлов, неметаллов, неорганических соединений и в органических молекулах существует различие принципиального характера.

2.1.         Цвет металлов.

Металлы непрозрачные – это значит волны колебаний видимой части спектра не способны пройти сквозь металл. При попадании света на поверхность металла мы видим в первую очередь металлический блеск, свойственный всем металлам. Однако сквозь блеск мы можем различить и цвет металла: розовато-красную медь, желтое золото, синеватый свинец и т. п. Цвета металлов зависят от того, волны какой длины они отражают. Белый блеск серебра обусловлен равномерным образованием почти всего набора видимых лучей. Золото красновато-желтое потому, что им отражается почти полностью длинноволновая часть видимого света и поглощается голубые, синие и фиолетовые лучи. А вот тантал и свинец лучше поглощают 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.   

2.2.         Связь цвета вещества с положением элементов в периодической системе.

Существуют s-, p-, d- и f-элементы. Не имеют окраски неорганические вещества, молекулы которых образованы s- и p-элементами и имеют ионы с заполненными электронными оболочками: катионы щелочных и щелочноземельных металлов, анионы неметаллов первых трех периодов. К ним примыкают соединения элементов, расположенных в периодической системе Д.И. Менделеева на границе металл -  неметалл: сурьмы, висмута, свинца и алюминия. Из побочных подгрупп белый цвет имеет соединения элементов IV группы: титан и цирконий.

Ионы, имеющие незавершенные оболочки, в большинстве случаев образуют окрашенные соединения. При этом, если анион не способен к сильной поляризации, то цвет вещества определяется катионом и соответствует окраске катиона в водном растворе: железа – желтой, меди – голубой и др.

Одна из замечательных особенностей – наличие окрашенных соединений у всех переходных металлов. Как известно, в d-подуровне имеются  пять орбиталей. Они имеют разные, но совершенно определенные положения в пространстве. На каждой из этих пяти орбиталей может находиться по два электрона (принцип Паули). Причем если у атома (или иона) имеются пять или меньше электронов на d-подуровне, то каждый из них старается занять отдельную орбиталь. В этом случае их энергия наименьшая из всех возможных. Если электронов становится больше пяти, то происходит спаривание, сопровождающееся переходами электронов. Энергия таких переходов электронов соответствует энергиям квантов видимого света. Поглощение таких квантов из солнечного белого света и определяет цвет Cu2+, Fe2+, Fe3+, Co2+, Ni2+, Cr3+, Mn3+, Mn4+, Mn6+, Mn7+ других окрашенных ионов переходных элементов.