粉墻黛瓦，水碧山青，顏色的存在為人們構(gòu)建出一個多姿多彩的世界。那么，什么是顏色，人們又是怎樣感受到不同顏色的呢？

01

什么是顏色？

眾所周知，光是一種電磁波，可見光是人眼能夠處理的，波長一般介于400-760 nm的一個電磁波的子集。人眼視覺對顏色的感知來源于三種感色視錐細(xì)胞（L細(xì)胞、M細(xì)胞和S細(xì)胞），他們可以在400-760 nm的區(qū)間中分別響應(yīng)長波、中波和短波的刺激，也就在人的意識中生成了紅、綠、藍(lán)三種標(biāo)準(zhǔn)色。從某種程度上說，人們語言中所定義的顏色即可以用可見光的波長或頻率來表達(dá)。圖1展現(xiàn)了一個電磁波譜，其中包括無線電波、紅外線、紫外線以及X射線等。它們的波長不同，其中波長介于400-760 nm的就是可見光。

圖1：電磁波譜

當(dāng)一束光照射到物體上的時候會出現(xiàn)以下幾種可能的情況：1. 光可以穿透物體，那么人眼看來這個物體是透明的。2. 如果光線全部被物體吸收，則物體會呈現(xiàn)黑色。3. 如果光被全部反射，那么我們就會看到物體呈現(xiàn)白色。4. 如果可見光有一部分被吸收，另外一部分被反射，那么人眼將會觀察到被吸收光的補(bǔ)色。各種各樣的染料正是利用了光的補(bǔ)色原理，極大豐富了人們的日常生活。

02

什么是染料？

染料是能將纖維或其它被染物染成各種顏色的有機(jī)化合物，廣泛應(yīng)用于紡織品、墨水、紙張、光敏性半導(dǎo)體材料、化妝品等領(lǐng)域的著色，是非常重要的一類精細(xì)化學(xué)品。1856年，人類歷史上第一款人工合成染料——苯胺紫被制備出來。通常來說，染料分子中含有能產(chǎn)生顏色的發(fā)色基團(tuán)（如偶氮基、硝基、羰基等）和某些助色團(tuán)（如氨基、羥基、甲基、磺酸基等）。他們往往具有共軛雙鍵，在吸收光線后發(fā)生選擇性吸收從而產(chǎn)生電子躍遷，同時發(fā)射波長在400-760nm 范圍內(nèi)的光線，從而顯示顏色。除此之外，染料還需要對織物很高的附著性。

03

化合物的顯色機(jī)理

從化合物內(nèi)部電子結(jié)構(gòu)來說，分子，原子以及離子，其內(nèi)部的電子都是分布在不同的能級上的。當(dāng)這些物質(zhì)被光照射的時候，電子有可能吸收具有特定能量的光而發(fā)生躍遷。當(dāng)相應(yīng)躍遷恰好對應(yīng)可見光的能量時，我們就能觀測到顏色。

總的來說，對應(yīng)可見光輻射的電子躍遷能級在無機(jī)化合物和有機(jī)化合物中都可能出現(xiàn)。對于無機(jī)化合物，過渡金屬離子通常含有d電子，d軌道在陰離子或其他配體的存在下會發(fā)生能級分裂，分裂后軌道的能級差一般對應(yīng)可見光范圍。因此，很多過渡金屬化合物都有顏色。圖2為八面體d軌道能級分裂圖。

圖2：八面體d軌道能級分裂圖

配位場理論認(rèn)為：金屬離子處于自由狀態(tài)下的時候，d軌道是對稱分布的，各個軌道能級一致。當(dāng)金屬離子與配體結(jié)合的時候，相當(dāng)于在金屬附近增加了一個非對稱的電場，這種情況下軌道能級就會發(fā)生變化，即能級分裂。此時軌道能級不再對稱分布。

對于有機(jī)化合物，分子軌道理論認(rèn)為，化合物分子整體會形成一系列的軌道，大概可以分成3類，即σ軌道，π軌道以及n軌道。其中n軌道沒有形成化學(xué)鍵，而σ軌道與π軌道都形成了化學(xué)鍵, 因此有成鍵軌道與反鍵軌道之分。一般認(rèn)為，從成鍵π軌道到反鍵π軌道，以及n軌道到反鍵π軌道的躍遷所需的能量較低，有可能對應(yīng)紫外及可見光波段。有機(jī)化合物的π軌道以及n軌道越多，化合物有顏色的概率就越大。而且π軌道共軛越多，成鍵π軌道與反鍵π軌道的能級差就越小，有機(jī)化合物的吸收光譜就會發(fā)生紅移。從而，染料大多是具有苯環(huán)結(jié)構(gòu)的有機(jī)化合物，或者有大量共軛雙鍵的存在。另外，分子中可能還含有O, N等雜原子，形成n軌道以進(jìn)一步增強(qiáng)顯色能力。

圖3：甲醛的部分分子軌道，可以看到軌道能級與軌道形態(tài)。其中n，π，σ軌道都是被電子占據(jù)的，n軌道是最高占據(jù)軌道也就是所謂的HOMO，反鍵π，σ軌道沒有電子占據(jù)，其中反鍵π軌道是最低空軌道也就是所謂LUMO。HOMO和LUMO就是我們常說的前線軌道。

04

酞菁染料

酞菁類染料是芳香族大環(huán)有機(jī)化合物，結(jié)構(gòu)與卟啉相似，該類化合物形成十八 π 電子穩(wěn)定的共軛芳香體系。高溫狀態(tài)下酞菁與重金屬鹽發(fā)生絡(luò)合反應(yīng)，形成的大分子絡(luò)合物具有鮮艷的顏色，可以用于印染。Cu(II), Co(II), Fe(II), Fe(III), Ni(II), Mn(II) 等過渡金屬可以取代酞菁結(jié)構(gòu)中心的H原子，形成金屬類酞菁化合物，并承擔(dān)了粘結(jié)劑（調(diào)節(jié)劑）的作用。

圖4：無金屬酞菁

圖5：無金屬酞菁分子模型

圖6：銅金屬酞菁

圖7：銅金屬酞菁衍生物染料

酞菁染料光譜主要有兩個特征吸收峰, 這兩個吸收峰都是酞菁結(jié)構(gòu)π電子躍遷引起的（如圖8）: 由2a1u軌道躍遷至6eg軌道, 為Q帶吸收, 能量約為1.8 eV；由4a2u躍遷至6eg軌道, 為B帶吸收, 能量約為3.8 eV。由于銅酞菁的共軛性增加，使其 Q 帶紅移至 660 nm處。許多鮮艷的藍(lán)色、綠色染料都是銅酞菁染料的衍生物。由于銅酞菁本身不溶于水與絕大多數(shù)有機(jī)溶劑，故經(jīng)常通過在其分子中引入某些特定的親水性基團(tuán)與親脂性基團(tuán)以增加其在水中與有機(jī)溶劑中的溶解性。銅酞菁染料分子在不同溶液中的吸收光譜性質(zhì)如圖9所示. 系列染料分子的Q帶吸收峰均位于550~750 nm范圍內(nèi)，B帶吸收峰位于 300~450 nm之間。

圖8：酞菁分子軌道能級圖

圖9：銅酞菁染料分子在不同溶液中的紫外-可見吸收光譜

同時，人們還可以對酞菁染料進(jìn)行研磨或溶劑處理，通過調(diào)整染料的晶相或晶型，獲取期望的顆粒形貌和粒徑大小，以對酞菁顏料進(jìn)行改性。在各類染料中，酞菁染料不僅色澤鮮艷，還展現(xiàn)出耐光耐熱，耐酸耐堿，在各種氣候條件下不褪色的優(yōu)點(diǎn)。時至今日，酞菁藍(lán)BGS、酞菁藍(lán)B、酞菁綠G等一系列酞菁染料業(yè)已成為印染行業(yè)中的“明星材料”。歡迎選購恒通化工的有機(jī)顏料。