第三节 染料与颜色

一、光与色

我们看到的物体为什么有不同的颜色？要回答这个问题，我们先来了解光与颜色的关系。

光是一种电磁波，可见光是电磁波频谱中只占了极少部分的一个波段，其波长在380～780nm之间，在整个电磁波频谱中，除可见光外还包括γ射线、X射线、紫外线、红外线及无线电波（图4-1）。

图4-1 电磁波频谱

光是由光源发出的，太阳光是最主要的光源。当一束太阳光通过一个三棱镜时，白色光可以分解成为一条由红、橙、黄、绿、青、蓝、紫构成的连续的有色光谱。这种将白光分解成各种有色光的现象称为光的色散。根据太阳光色散这一事实，说明太阳光不是单色光，而是由许多不同波长单色光混合后得到的复色光。

图4-2 颜色环

当某种波长的光与另一种特定波长的光以一定强度的比例混合时，即可获得白色光，我们称这两种光互为补色。太阳光之所以呈现出来的是白色光，是由于组成太阳光的许多不同波长的单色光互为补色的缘故。有人将可见光谱按波长围成一个圆环，并分成九个区域，称之为颜色环（图4-2）。颜色环上任何两个对角位置的颜色，互称为补色。

人们对于颜色的感觉产生于在眼球背后的视网膜中的感光细胞对光的吸收，最后大脑视觉皮层将被传送的神经脉冲解释为颜色。在自然界中，我们所感觉的颜色，并不是光谱自身的颜色，而是光谱色的补色。这是因为当太阳光照射某物体时，物体中的色素选择性的吸收了部分的照射光，并将其余的光透射或反射到观察者的眼中。例如，黄色染料是因为吸收了光谱中的蓝光并反射出黄光而呈黄色，红色染料则是吸收了光谱中的蓝绿光反射了红光而呈红色。如果某物体平均吸收了可见光中各种不同波长的单色光，则该物体呈灰色；如果某物体全部吸收了可见光，则该物体呈黑色；如果可见光全部被反射，则该物体呈白色。通常将红、橙、黄、绿、蓝等称为彩色，而将黑、白、灰统称为非彩色，又称消色。彩色是物体对可见光选择性吸收的结果，而消色是物体对可见光非选择性吸收的结果。

二、颜色的基本特征

颜色是物体对不同波长的光波的吸收特性表现在人们视觉上的反映，只有在光线存在时颜色才能显示出来。有色物质对各种波长的光波吸收不同，则其反射或透射的光波成分也不同，人的眼睛就感觉到不同的颜色，人们把眼睛观察物体所感受到的色泽归纳为色调、纯度、亮度三项基本特征，或称为色的三要素。掌握颜色的基本特征对准确描述和分辨色泽是非常重要的。

（一）色调

色调又称色相，是指能够比较确切地表示某种颜色色别的名称，是颜色最基本的性质和最主要的特征，是色与色之间的主要区别。例如红、黄、绿、蓝等表示不同的色调。色调由射入人眼的光谱成分及比例所决定，用光的波长来表示，它可区分颜色的深浅。单色光的色调取决于该光的波长。混合光的色调取决于各种波长的光的相对量。

（二）纯度

纯度又称饱和度和彩度，是指颜色中所含有色成分及消色成分的比例，或者说是颜色中光谱色的含量，可用来区分颜色的鲜艳度。物体颜色中含有色成分的比例越大，色越纯，所以光谱色的纯度最高。饱和度的高低取决于物体表面对光反射的选择性，消色成分是反射光谱中互为补色而成为白色光的成分，物体颜色中所含有消色成分的比例越多，色越不纯。白色、灰色、黑色的纯度最低。

（三）亮度

亮度又称明度，它表示有色物体的表面所反射的光的强弱程度，可用来区分颜色的浓淡。亮度用光的反射率大小表示。若两个有色物体的反射光谱组成及相对量相同，反射率越高，表示反射光越强，亮度也高；反射率低的，表示反射光弱，亮度低。所有的消色，区别就在于对光的反射率（或透射率）不同，即区别于亮度。黑色物体表面对光全吸收，亮度最低。白色物体对光全反射，亮度最高。在黑色和白色之间一系列灰色中，越接近白色，亮度值越大；越接近黑色，亮度值越小。彩色的亮度差别与消色相同，在色调、纯度相同的情况下，亮度不同则会产生浓淡不同的色泽。

色的三要素是互相联系的。色调决定了色的质，亮度和纯度都是量的变化。任何一种颜色只要确定了色调、纯度和亮度，就可以完全精确地描述和分辨。

三、染料溶液对光的吸收作用

（一）朗伯—比尔定律

在温度恒定的情况下，将波长为λ的单色光平行投射透过染料稀溶液（严格来说应该是理想溶液）后，溶液对单色光的吸收强度与溶液浓度c、光透过的液层厚度d之间的关系服从朗伯—比尔（Lambert-Beer）定律：

I=I₀e^-kcd

若令ε=k/2.303

则

式中：I₀、I——分别为入射光和透射光的强度；

c——溶液浓度，mol/L；

d——液层厚度，cm；

k——比例常数；

ε——摩尔消光系数。

表示单色光通过染料稀溶液时被吸收的程度，称为吸光度（A）。值越大，则透射光强度I越小，吸收程度越大。对特定的染料稀溶液，摩尔消光系数ε是一个常数，它只随入射光波长的改变而改变，当稀溶液的浓度c、液层厚度d一定时，ε与成正比。

（二）染料的吸收光谱曲线

由于染料对光的吸收有选择性，即染料对不同波长的光的吸收程度不一样，用不同波长的光照射染料稀溶液测得的摩尔消光系数ε对入射光的波长λ作图，可绘制成染料的吸收光谱曲线（图4-3）。染料的吸收光谱曲线一般有一个或几个波峰，其中与最高波峰的顶点相对应的波长称为最大吸收波长（λ_max），染料的颜色就是它吸收最大吸收波长（λ_max）光波后的补色。最大吸收波长（λ_max）所对应的摩尔消光系数称为最大摩尔消光系数（ε_max），说明该波长下的光被染料吸收得最多。

图4-3 染料的吸收光谱曲线

通常我们把染料最大吸收波长（λ_max）增加，染料的颜色变深，称为深色效应；把染料最大吸收波长（λ_max）降低，染料的颜色变浅，称为浅色效应。而把染料最大摩尔消光系数（ε_max）增加，颜色变浓，称为浓色效应；把染料最大摩尔消光系数（ε_max）降低，颜色变淡，称为淡色效应。通过改变染料结构和外界条件可以改变染料的最大吸收波长（λ_max）和最大摩尔消光系数（ε_max），从而改变染料色泽的深、浅、浓、淡。

四、影响染料颜色的因素

（一）染料结构

染料结构中，共轭双键的数目越多，则染料吸收光的波长越长，染料的颜色越深。偶氮染料随着偶氮基数目的增多，共轭体系增长，染料颜色将越深。例如：

在染料分子结构中插入某些基团使共轭体系中断时，吸收光波的波长将明显变小，染料的颜色将明显变浅，这一插入的基团称为隔离基。例如：

当在两个苯环间插入隔离基—NHCONH—时，则颜色变浅。

在染料分子的共轭体系中连上极性基团，不仅吸收光波的波长变大，能使染料颜色变深，产生深色效应如表4-2所示。同时也能使染料最大摩尔消光系数（ε_max）增大，产生浓色效应。

表4-2 共轭体系中的极性基团对最大吸收波长的影响

因此，在染料制造过程中，往往通过在染料分子结构的共轭体系中引入极性基团，对染料颜色进行增深、增浓。

此外，染料的离子化、染料生成内络合物等，均会影响染料的颜色。

（二）外界条件

溶剂的极性、介质的pH、染料浓度、温度和光等外界条件，均会改变染料的聚集状态而影响染料的颜色。

一般来说，溶剂的极性越大，染料的颜色越深。

介质的pH也会对有些染料的颜色产生影响。例如，碱性品绿在碱性溶液中会从原来的绿色变成白色沉淀，加入酸后又回到原来的绿色。酚酞、甲基橙在不同的pH的溶液中有不同的互变异构体，根据互变异构体的颜色变化可作为酸、碱指示剂使用。

染料浓度越大，染料聚集度越大，染料吸收光波的波长越短，染料颜色越浅。例如，结晶紫单分子态的最大吸收波长λ_max为583nm，它的二聚体的最大吸收波长λ_max为540nm。

染料的聚集度也与染液的温度有关。染液温度越高，染料聚集度越小，染料颜色越深。有些染料的颜色会随着温度的改变而发生可逆变化，这一现象称为热致变色性。具有这一特性的染料被称为热致变色性染料。

有些具有顺反异构体的染料，在光照下，染料的反式结构会转变成顺式结构，反式和顺式结构的染料吸收光的波长不同，因而显示的颜色也不同，这种现象称为光致变色性。具有这一特性的染料被称为光致变色性染料。