染料化学第二章

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1、2019年10月18日,第二章 染料的结构与颜色,主要内容,2.1 光与色,2.2 有机化合物的发色理论,2.3 染料分子发色体系结构与颜色的关系,2.4 外界条件对吸收光谱的影响,2019年10月18日,第二章 染料的结构与颜色,2.1 光与色,一、光与色的物理概念 1、光的颜色,光是一种电磁波，频率与波长的关系为=c/,光的颜色和光的波长是相互对应的。可见光的波长范围在400800nm。,人们感觉到的光的颜色是不同波长的可见光照射到人眼中，刺激人的眼神经，而引起的一种生理现象。,红色光的波长最长：605750nm；紫色光的波长最短：400435nm。,太阳光(白光)：是由一个包含所有波长范

2、围的混合光组成的光。,2019年10月18日,第二章 染料的结构与颜色,2、物体的颜色,结论：物体的颜色是物体对可见光中某一波长的光选择性吸收的结果。,当太阳光或其他白光照射在物体上，可以看到几种情况：,无色透明光线全部透过物体； 物体呈白色光线全部被物体反射； 物体呈黑色照射到物体上的光线全部被吸收； 物体呈灰色各波段的光部分成比例地被物体吸收； 物体呈现一定的颜色白光中的某一段或某几段光有选择地被物体吸收。,2019年10月18日,第二章 染料的结构与颜色,3、补色,一种色的补色可以是单色光，也可以是除去这个颜色光后白光剩余的颜色。,在颜色盘（环）上能很清楚地看到光谱色的补色就是它的对角所

3、表示的颜色。即物体的颜色实际上就是物体吸收光的补色。,两种不同颜色的光混合起来成为白光，这两种光的颜色称为补色。,2019年10月18日,第二章 染料的结构与颜色,红紫,红,紫,橙,蓝,黄,绿光蓝,黄光绿,蓝光绿,绿,400nm,435 nm,595 nm,480 nm,580nm,490nm,560nm,500nm,颜色环,605nm,700 nm,物体的颜色就是物体吸收光的补色。,2019年10月18日,第二章 染料的结构与颜色,二、吸收光谱,1、Lambert-Beer定律,D：光密度；I0：入射光强度；I：透射光强度； c：溶液浓度；l：光程；：摩尔吸光度。,与有色物质的结构、光的有关

4、。,2019年10月18日,第二章 染料的结构与颜色,2、吸收光谱,从-图中可以得到一定结构物质与吸收光谱的关系。可以代表某一化学物质的结构特性。,以和可见光的波长作图，得到的光谱图，称为吸收光谱。横坐标：(nm)；纵坐标：或log。,2019年10月18日,第二章 染料的结构与颜色,吸收带：有机有色物质对光的吸收有一宽的区域，形成一个吸收峰，称为吸收谱带，简称吸收带。,第一吸收带：波长最长的吸收带。,2019年10月18日,第二章 染料的结构与颜色,最大吸收波长：每一吸收带都有一个与最高摩尔吸光度对应的波长，称为max； 与max相对应的为max。,积分吸收强度：整个吸收带的吸收采用积分吸收

5、强度表示。,2019年10月18日,第二章 染料的结构与颜色,几种不同颜色染料的吸收光谱图,2019年10月18日,第二章 染料的结构与颜色,三、颜色的深浅、浓淡和鲜艳度 1、颜色的深浅,颜色的深浅是对吸收光波长而言的。max光的补色代表了吸收带的基本颜色。,吸收光的波长越长，颜色越深；吸收光的波长越短，颜色越浅。红光波长最长(750nm)，其补色（蓝光绿）颜色最深；紫光波长最短(400nm)，其补色（黄色）最浅。,2019年10月18日,第二章 染料的结构与颜色,红紫,红,紫,橙,蓝,黄,绿光蓝,黄光绿,蓝光绿,绿,400nm,435 nm,595 nm,480 nm,580nm,490nm

6、,560nm,500nm,605nm,700 nm,颜色深浅顺序绿 蓝绿蓝紫红橙黄,光波波长顺序红橙黄绿青蓝紫,2019年10月18日,第二章 染料的结构与颜色,向紫位移：物体的吸收光波长向短波方向位移的现象，又称浅色效应。,向红位移：由于某些原因引起物体吸收光的波长向长波方向位移的现象，又称深色效应。,2019年10月18日,第二章 染料的结构与颜色,2、颜色的浓淡,颜色的浓淡是对同一波长光的吸收强度而言的。,颜色的浓淡是在吸收光谱图中，该波长下吸收峰的高低，值的大小。吸收强度或值越大，颜色越浓。,浓色效应：引起某一波带吸收强度（）增加的效应。,淡色效应：引起某一波带吸收强度（）减小的效应。

7、,2019年10月18日,第二章 染料的结构与颜色,在吸收光谱上，吸收峰既高又窄，说明物质分子对可见光吸收的选择性很强，较完全地吸收了某一种波长的光，而对其他光涉及不多，其补色显得非常明亮、纯正，鲜艳度比较高。,3、颜色的鲜艳度：,2019年10月18日,第二章 染料的结构与颜色,2.2 有机化合物的发色理论,一、发色团和助色团理论 1、发色团,有色物质有颜色的原因是其分子结构中带有一些不饱和基团。这些基团称为发色团。如：-N=N-、C=C、 -N=O、-NO2、C=O等。,有机物质要有颜色，发色团必须连在足够长的共轭体系上，或者有几个发色团连成共轭体系。,含有发色团的分子共轭体系称为发色体。

8、,2019年10月18日,第二章 染料的结构与颜色,2、助色团,物体要有颜色，分子中除了发色团外，往往还要有一些助色团。一些供电子基团，常含有未共用的电子对。如 -NH2，-OH，-NHR等。,助色团作用： 加强发色团的发色作用，产生深色效应，提高吸收强度。 提高染料的染色性能。 如：-SO3Na可增加染料水溶性。,2019年10月18日,第二章 染料的结构与颜色,发色团与助色团,酸性橙 （CI酸性橙7，15510）,偶氮结构母体为发色体； -SO3Na、-OH为助色团。,还原深蓝BO （CI还原蓝20，59800）,只有发色体，不含助色团,2019年10月18日,第二章 染料的结构与颜色,发

9、色团助色团理论缺点： 不能完全解释有色物质的发色机理，有例外。有含有发色体、发色团、助色团但没有颜色的化合物；有无发色体，但有颜色的化合物（碘仿CHI3，黄色）。至今该理论还有一些使用 。,孔雀绿隐色体（无色）,2019年10月18日,第二章 染料的结构与颜色,二、量子理论 1、光的量子理论,光是电磁波，具有波动性和微粒性（波粒两象性）。,光是由无数个具有不同能量的光量子组成的，光量子的能量与频率、波长之间的关系为：,越大，越短，能量越大。,2019年10月18日,根据量子理论，原子和分子的能量是量子化的。 物质分子中，存在电子相对于原子核的运动，以及原子核间的相对振动和整个分子所存在的一定的

10、转动。各运动状态都有相应的能量，分别为电子能级、振动能级、转动能级。,第二章 染料的结构与颜色,2、分子能级和吸收光谱,分子的能量状态称为分子能级。,各能级都是量子化的，分子能量为各运动状态能量之和：,2019年10月18日,第二章 染料的结构与颜色,当分子处于不同状态时，所有这些能量都不是连续的，而是量子化的。分子处于不同状态时的能量，称为能级。能级之间的间隔就是它们之间的能级差。,分子能级示意图,2019年10月18日,当分子的运动状态发生变化时，能级也随之发生变化。这种运动状态的变化叫做跃迁，电子运动状态的变化称为电子跃迁。在电子跃迁的时，常常伴随着振动能级和转动能级的变化，因此，跃迁时

11、总能量的变化应是三种能量变化之和。,第二章 染料的结构与颜色,在一般情况下，分子总是处于能量最低的电子状态，即最低电子能级，称为电子基态，简称基态。同样，在这种情况下，分子的振动能级和转动能级往往也处于最低能级状态，称为零振动能级和零转动能级。,电子跃迁时的能量变化也不是连续的，而是量子化的。,2019年10月18日,第二章 染料的结构与颜色,当分子吸收某种能量后，分子中的电子从较低能级（基态）跃迁到较高能级，而使整个分子的能量升高，处于较高能量状态。通常把分子能量增高后的电子能态称为激发态，而把能量增高的过程称为激发。 基态和激发态之间的能级差称为激发能。由于一个分子具有很多不同的高能级状态

12、，因此可以吸收不同的能量，达到不同能级的激发态。 能量最低的激发态称为第一激发态，随着能量的升高可以称为第二激发态，第三激发态等。一般来说第一激发态对于染料的颜色形成最为重要。,2019年10月18日,第二章 染料的结构与颜色,根据能量守恒定律，物质在光的作用下，只有当物质分子中电子跃迁时的总能量变化等于相应光子能量时，该物质才可能吸收该能量的光子，产生跃迁。即跃迁所需能量应与电磁波中光量子的能量相一致。,上式把吸收光的波长与有色物质分子的激发能E联系在一起，物质分子的激发能取决于物质分子结构，从而从本质上解释了物质选择性吸收可见光的原因。,2019年10月18日,第二章 染料的结构与颜色,在

13、连续光谱中，某些光量子的能量被物质吸收后，就形成该物质的吸收光谱。 一般认为，可见光的波长范围在380780nm之间，如果物质的激发能E对应的吸收光的波长在与此相应的范围内，就能表现出颜色。,分子不同的运动形式形成不同的吸收波谱。,2019年10月18日,第二章 染料的结构与颜色,分子运动形式与波谱范围,2019年10月18日,第二章 染料的结构与颜色,3、分子轨道 分子中的电子是以一定的电子云的形态围绕整个分子而存在的，这种分子中的各电子状态称为分子轨道。 不同分子轨道的电子具有不同的能级和不同的电子云形态。分子轨道用波函数表示。 从本质上来说，分子轨道是形成分子的原子轨道作为德布罗意波相互

14、干涉的结果。即分子轨道是形成分子的原子轨道的线性组合。,2019年10月18日,第二章 染料的结构与颜色,当两个原子轨道相互作用形成分子轨道时，交迭结果， 相互加强，原子核间的电子云密度增加，能级下降，为成键轨道；原子核间电子云相互抵消，电子云密度下降，能级上升，为反键轨道。 成键轨道与反键轨道是成对生成的，能量变化的代数和为零。参加组合的原子轨道数量与产生的分子轨道的数量相等。,2019年10月18日,第二章 染料的结构与颜色,根据成键方式，分子轨道可分为、和n轨道。 轨道：围绕键轴对称排布的分子轨道（形成键）。 轨道：围绕键轴不对称排布的分子轨道（形成键）,成键轨道的原子轨道能级的下降和反

15、键轨道能级的上升均较轨道大得多。,乙烯的分子轨道,2019年10月18日,第二章 染料的结构与颜色,在多原子分子中，轨道始终是定域的，即局限于两个原子之间。然而在形成分子的原子处于同一平面上时，轨道是离域的，可以分布于整个共轭体系中。,丁二烯的分子轨道,左面为成键前各碳原子上的p 轨道，每个轨道都只围绕一个碳原子运动；右面为组合后的分子轨道，每个轨道都围绕整个共轭体系（即四个碳原子）运动。其中1、2为成键轨道，3*、4*为反键轨道。从1到4*能级是不断升高的。,2019年10月18日,第二章 染料的结构与颜色,在分子中有某些杂原子参与轨道的形成，由于这些轨道仍然是原子轨道，这种轨道只围绕在原来

16、的原子周围，不在整个分子中分布，它的能量没有降低或升高，对于分子的形成没有贡献，因此称为非键原子轨道。往往带有未共用电子对，简称为n轨道。,甲醛的分子轨道,2019年10月18日,第二章 染料的结构与颜色,在一般条件下分子总是处于最低能量状态，即为基态。 在基态分子中，必有一个能级最高的已被电子占有的轨道，即价电子已占满的成键轨道中能量最高的轨道。称为最高占有轨道（The highest occupied molecular orbital），简称HOMO，如乙烯分子中的轨道、甲醛分子中的n轨道以及丁二烯分子中的2轨道； 在基态分子中，能量最低的未被电子占有的空轨道，称为最低未占有轨道（The lowest unoccupied molecular orbital），简称LUMO，如乙烯和甲醛中的*轨道、丁二烯分子中的3*轨道。,2019年10月18日,第二章 染料的结构与颜色,4、电子跃迁的类型,一般有机