为什么大多数有机化合物是无色或白色的?

不知道你有没有注意到,有机化合物大多是呈现白色,比如面粉、塑料、药品之类的,很多有颜色的有机化合物大多是因为添加了颜料导致的。

白色的面粉是一种常见的有机化合物
白色的面粉是一种常见的有机化合物

什么是有机化合物?

有机化合物是主要包含碳(C)和氢(H)原子的分子。其他原子,如氧(O)、氮(N)、硫(S)、硅(Si)等也存在,但与前两个原子相比含量较低。

这些原子有助于根据有机化合物的独特性质将其分为不同的组。

氨基酸列表——由简单有机化合物组成的蛋白质构建块
氨基酸列表——由简单有机化合物组成的蛋白质构建块

过去,有机化学被认为是“生命的化学”,因为生物包含大量有机化合物,因此获得了“有机”一词。被称为“有机化学”的史诗研究的主角是碳,因为它具有四价和连锁的关键特性。

当今已知的有机化合物超过6000万种,还有更多等待被发现或发明。

色彩理论

当我们谈论颜色时,我们只需要记住“所见即所得”。

听起来很荒谬,对吧?

你可以清楚地看到天空的蓝色和T恤的红色。你可能会认为你的眼睛出了问题,但事实并非如此。

然而恰恰相反,你看到的颜色其实并不是物质所含的颜色,而是它的补色。这听起来可能违反直觉,但确实如此。

我们在周围看到的颜色都在电磁波谱的可见部分之内。白光本身是多种颜色的光谱,每种颜色/阴影都有相应的波长。

当光线落在任何物质上时,一部分被吸收,其余被反射。反射光到达我们的眼睛,这就是我们看到的颜色。

色轮 - 描绘互补色
色轮 - 描绘互补色

我们中的许多人在美术课上一定见过的色轮可以证明这一点;我们看到的颜色与其被吸收的互补色。

所以,当你看到一朵黄色的花时,它实际吸收的颜色是紫色。

而呈现白色的物质表示它反射了所有波长,而呈现黑色的物质表示它吸收了所有波长并且不反射任何波长。

紫外-可见光谱

光谱学是化学家了解有机分子结构及其性质的重要技术。在这种技术中,所需的分子受到电磁辐射(波长取决于所使用的光谱类型)的照射,这会引起与振动、旋转、能量等有关的各种激发能级(电子和原子)。这对化合物的影响进行了研究并阐明了其性质。

从较长波长(左)到较短波长(右)的电磁频谱
从较长波长(左)到较短波长(右)的电磁频谱

紫外-可见光谱用于研究给定化合物的颜色特性。使用的波长在200nm–800nm之间。低于200nm的区域称为远紫外区域,通常研究较少,因为它需要真空条件。化合物经受一系列波长,其显示最大吸收的波长被取为λmax。如果它位于可见光区域,则可以看到它的互补波长。

电子跃迁

在紫外光谱中,电子跃迁是最重要的。键合电子从入射波长获得能量,如果足够,它们会被提升到更高的能级。如图所示,根据所涉及的键的类型,电子会被激发到几层。

为什么大多数有机化合物是无色或白色的?
由于入射波长的能量吸收而导致的电子跃迁
过渡意义
σ  σ*西格玛键合电子提升到西格玛反键合轨道
 n → σ*非键合电子被提升到西格玛反键合轨道
π → π*π 电子被提升到反键合 π 轨道
n → π*非键合电子被提升到反键合π轨道

可以看出,σ→σ跃迁需要的能量最高,其次是n→σ跃迁,依此类推。所有有机化合物主要都具有σCC和CH键,向反键合σ轨道的跃迁需要远紫外区的波长;因此,它们不显示任何颜色并反射所有可见光谱波长并呈现白色。

n→σ*跃迁发生在含有一个杂原子和一对未共享电子(n电子)的饱和化合物中。这种跃迁也位于紫外线区域(160nm–200nm),但与之前的跃迁相比需要更少的能量。因此,饱和醇、醚、卤化物、酮和醛等化合物也呈现无色/白色。

彩色有机化合物是怎么回事?

存在着大量多彩的有机化合物。毕竟,整个染料行业都是基于这种现象。染料也是有机化合物,因为有机化合物是你周围所见一切色彩的基础。

发色团–发色团只是赋予有机化合物颜色的官能团或原子团,因为它们的吸收波长位于电磁光谱的可见区域。这意味着它们的电子跃迁需要更少的能量。

π→π和n→π跃迁主要需要近紫外区和可见光区的波长。实例包括-C≡C-、-C=O-、-N=N-、R-NO2、-COOH、-CONH2。

辅助色素——辅助色素本身不会给分子的颜色带来任何变化,而是增强分子对更长波长(可见光区域)的吸收能力。示例:-OH、-OR、-NH2、-NR2、-SH等。苯(-C=C-共轭是发色团)在255nm处具有λ最大值,而苯胺(-NH2是助色团)在280nm处具有λ最大值。

结论

有机化合物有大量的CC和CH键;这些键中的电子是西格玛键合的,需要更多的能量才能提升到更高的能级。这种能量只有在光谱的紫外区波长才有,可见光区没有。因此,所有入射波长都会反射,因此物质呈现白色/无色。

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