化学物質の色

化学物質の色は化学物質の物理的特性であり、ほとんどの場合、化学物質によるエネルギーの吸収による 電子の励起から生じます。

エネルギーの吸収と放出による化学構造の研究は、一般に分光法と呼ばれます。

すべての原子と分子は、量子状態の変化を伴い、エネルギーを光子の形で吸収および放出する能力があります。吸収または放出されるエネルギーの量は、2 つの量子状態のエネルギーの差です。量子状態にはさまざまな種類があり、たとえば、分子の回転状態や振動状態などがあります。ただし、一般に可視光と呼ばれる、人間の目に見えるエネルギーの放出は、個人によって異なりますが、約 380 nm から 760 nm の波長に及び、この範囲の光子は通常、原子または分子の軌道の量子状態の変化を伴います。光の知覚は、この帯域内の異なる範囲の波長に敏感な、目の中の 3 種類の色受容体によって制御されています。

エネルギーと波長の関係はプランク・アインシュタインの関係によって決定される。

${\displaystyle E=hf={\frac {hc}{\lambda }}}$

ここで、Eは量子(光子)のエネルギー、fは光波の周波数、 hはプランク定数、λは波長、c は光速です。

さまざまな量子状態のエネルギー間の関係は、原子軌道、分子軌道、リガンド場理論、結晶場理論によって扱われます。特定の波長の光子が物質に吸収される場合、その物質から反射された光やその物質を透過した光を観察すると、残っている他の可視波長で構成される補色が見えます。たとえば、ベータカロチンは454 nm (青色光) で最大吸収を示すため、残っている可視光はオレンジ色に見えます。

目で見えるのは吸収された色ではなく、吸収された波長を取り除いた補色です。このスペクトルの観点は、原子分光法で初めて注目されました。

以下は波長、色、補色の大まかな表です。これは従来のRYBカラーホイールではなく、科学的なCMYとRGB カラーホイールを使用しています。^[1]

これは、例えばバンド内の狭い範囲の波長の場合など、非常に大まかなガイドとしてのみ使用できます。647～700 nm の光が吸収されると、青と緑の受容体が完全に刺激されてシアン色になり、赤の受容体が部分的に刺激されてシアン色が薄まって灰色がかった色調になります。

単純な無機化合物（例：塩化ナトリウム）および有機化合物（例：エタノール）の大部分は無色です。遷移金属化合物は、異なるエネルギーのd 軌道間での電子の遷移により、多くの場合色を帯びています。（遷移金属#色のついた化合物を参照）。有機化合物は、広範な共役があり、 HOMO と LUMO間のエネルギーギャップが減少し、吸収帯が UV から可視領域に移動すると、色を帯びる傾向があります。同様に、色は、電子が HOMO から LUMO に遷移するときに化合物によって吸収されるエネルギーによるものです。リコピンは、広範な共役（11 個の共役二重結合）を持つ化合物の典型的な例であり、濃い赤色になります（リコピンはトマトの色の原因です）。電荷移動錯体は、さまざまな理由で非常に濃い色になる傾向があります。

ただし、元素の色は、その元素が何と錯体を形成しているかによって、また多くの場合、化学状態によっても異なることに注意することが重要です。バナジウム(III) の例; VCl _{3 は}独特の赤みがかった色調を持ち、V ₂ O _{3 は}黒く見えます。

化合物の色を予測するのは非常に複雑です。いくつかの例を挙げます。

• 塩化コバルトは水和状態に応じてピンク色または青色（乾燥時は青色、水分を含むとピンク色）になるため、シリカゲルの水分指示薬として使用されます。
• 酸化亜鉛は白色ですが、高温になると黄色になり、冷えると白色に戻ります。

金属を判定するための定性試験であるビーズ試験では、炎色試験で見られる色によく似たさまざまな色が生成されます。白金のループを湿らせて、問題の物質とホウ砂の微粉末に浸します。粉末が付着したループを炎で加熱して溶融させ、結果として生じるビーズの色を観察します。