离子颜色的秘密！红叶为啥由绿变红？

科普中国网-科普融合创作 2017-01-05

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　　我们的生活中处处都充满着色彩：由绿变黄的银杏叶，由绿变红的香山红叶，切开的苹果会变黄，那么究竟什么是颜色呢？

　　由绿变黄的银杏叶（图片来源于网络）

　　由绿变红的香山红叶（图片来源于网络）

　　生物学家告诉我们，颜色是通过眼、脑和我们的生活经验所产生的一种对光的视觉效应，我们肉眼所见到的光线，是由波长范围很窄的电磁波产生的，不同波长的电磁波对不同的视锥细胞有着不同程度的刺激，不同的信号在大脑的处理下表现为不同的颜色，也就是说色彩是肉眼受到电磁波辐射能刺激后所引起的一种视觉神经的感觉。

　　叶子变黄是因为冬天叶绿素分解剩下了作为烃类物质的黄色的类胡萝卜素。类胡萝卜素作为叶绿体中的一类光合色素，包括胡萝卜素和叶黄素。相信大家都对它们耳熟能详。而红叶则是由液泡中的红色花青素造成的。花青素是一种水溶性色素，可以随着细胞液的酸碱改变颜色，细胞液呈酸性则偏红，细胞液呈碱性则偏蓝。花青素(anthocyanidin)是构成花瓣和果实颜色的主要色素之一。花青素为植物二级代谢产物，在生理上扮演重要的角色。常见于花、果实的组织中及茎叶的表皮细胞与下表皮层。酸碱指示剂紫色石蕊试液使用的就正是花青素。

　　变黄的苹果（图片来源于网络）

　　那么变黄的苹果呢？这是因为二价铁被氧化为三价铁，而体现出的颜色。还记得中学老师强调过的二价铁离子绿色，三价铁离子黄色，铜离子蓝色么？其实那是不正确的，多数时候金属元素的简单离子都是无色的，其配合物才能体现出多种多样的颜色。这是由于配位改变了金属离子的能级，从而使其位于可见光范围内这才有了我们所看到的离子颜色。

　　用于检验水的无水硫酸铜是白色的晶体而吸水后则变为蓝色，这正是因为水合铜离子是蓝色的。而稀的氯化铜溶液呈蓝色，浓的氯化铜溶液呈绿色，则是由于氯合铜离子是黄色的，两种配合物的优势差异不明显，因此氯合铜离子和水合铜离子同时存在使得溶液显现出绿色。

　　与铜的情况不同的是，水合铁离子是紫色的。而黄色则是红色的氢氧化铁和氧化铁极稀时所体现出来的。由于氢氧化铁不稳定，易脱水形成水合氧化铁，因此促进了三价铁离子的水解平衡正移，使得红色的氢氧化铁具有很大的优势，成为溶液中三价铁的主要存在形式，所以让溶液显现出黄色。

　　那么科学家们是如何发现少量又不易观察的紫色的呢？这就与配合物显色的机理有关了。不同配体中的同种原子对能级的影响是相似的，因此配体中同样由氧原子进行配位水合铁离子和苯酚合铁离子的颜色应该是相似的。而铁离子遇苯酚变紫，由此我们就可以推测出水合铁离子也应是紫色的，后续的实验也证明了水合铁离子确实是紫色的。

　　说到物质的颜色，那么就不得不提起一种元素钒。钒是一种银白色金属，原子序数23，原子量50.9414，体心立方晶体,常见化合价为+5、+4、+3、+2。钒的熔点很高，常与铌、钽、钨、钼并称为难熔金属。有延展性，质坚硬，无磁性。具有耐盐酸和硫酸的本领，并且在耐气、耐盐、耐水腐蚀的性能要比大多数不锈钢好。在空气中不被氧化，可溶于氢氟酸、硝酸和王水。

　　钒先后被两次发现。第一次是在1801年由墨西哥城的矿物学教授节烈里瓦发现的。他发现，在亚钒酸盐样本中，由于这种新元素的盐溶液在加热时呈现鲜艳的红色，所以它被取名为“爱丽特罗尼”，即“红色”的意思，并将它送到巴黎。然而，法国化学家推断它是一种被污染的铬矿石，所以没有被人们公认。第二次发现是在1830年，瑞典化学家塞夫斯特伦（ Sefstrom N G，1787-1845。）在研究斯马兰矿区的铁矿时，用酸溶解铁，在残渣中发现了钒。

　　钒（图片来源于网络）

　　钒是典型的由配离子显现颜色的金属元素，酸碱度不同时，同一价态的钒有不同的形态，能显现出不同的颜色，而不同价态的钒同样也具有着不同的颜色。钒的化合物有绿的、红的、黑的、黄的。二价钒盐常呈紫色；三价钒盐呈绿色，四价钒盐呈浅蓝色，四价钒的碱性衍生物常是棕色或黑色，而五氧化二钒则是红色的。这些色彩缤纷的钒的化合物，被制成鲜艳的颜料：把它们加到玻璃中，制成彩色玻璃，也可以用来制造各种墨水。正是因为钒的化合物具有着这样丰富的颜色，因此科学家以古希腊神话中彩虹女神Vanadis的名字为钒命名为Vanadium。

　　自然界中还有着更多更丰富的色彩，认真观察的话，相信你的生活也一定会像钒一样丰富多彩。