第三節 染料與顏色

一、光與色

我們看到的物體為什么有不同的顏色？要回答這個問題，我們先來了解光與顏色的關系。

光是一種電磁波，可見光是電磁波頻譜中只占了極少部分的一個波段，其波長在380～780nm之間，在整個電磁波頻譜中，除可見光外還包括γ射線、X射線、紫外線、紅外線及無線電波（圖4-1）。

圖4-1 電磁波頻譜

光是由光源發出的，太陽光是最主要的光源。當一束太陽光通過一個三棱鏡時，白色光可以分解成為一條由紅、橙、黃、綠、青、藍、紫構成的連續的有色光譜。這種將白光分解成各種有色光的現象稱為光的色散。根據太陽光色散這一事實，說明太陽光不是單色光，而是由許多不同波長單色光混合后得到的復色光。

圖4-2 顏色環

當某種波長的光與另一種特定波長的光以一定強度的比例混合時，即可獲得白色光，我們稱這兩種光互為補色。太陽光之所以呈現出來的是白色光，是由于組成太陽光的許多不同波長的單色光互為補色的緣故。有人將可見光譜按波長圍成一個圓環，并分成九個區域，稱之為顏色環（圖4-2）。顏色環上任何兩個對角位置的顏色，互稱為補色。

人們對于顏色的感覺產生于在眼球背后的視網膜中的感光細胞對光的吸收，最后大腦視覺皮層將被傳送的神經脈沖解釋為顏色。在自然界中，我們所感覺的顏色，并不是光譜自身的顏色，而是光譜色的補色。這是因為當太陽光照射某物體時，物體中的色素選擇性的吸收了部分的照射光，并將其余的光透射或反射到觀察者的眼中。例如，黃色染料是因為吸收了光譜中的藍光并反射出黃光而呈黃色，紅色染料則是吸收了光譜中的藍綠光反射了紅光而呈紅色。如果某物體平均吸收了可見光中各種不同波長的單色光，則該物體呈灰色；如果某物體全部吸收了可見光，則該物體呈黑色；如果可見光全部被反射，則該物體呈白色。通常將紅、橙、黃、綠、藍等稱為彩色，而將黑、白、灰統稱為非彩色，又稱消色。彩色是物體對可見光選擇性吸收的結果，而消色是物體對可見光非選擇性吸收的結果。

二、顏色的基本特征

顏色是物體對不同波長的光波的吸收特性表現在人們視覺上的反映，只有在光線存在時顏色才能顯示出來。有色物質對各種波長的光波吸收不同，則其反射或透射的光波成分也不同，人的眼睛就感覺到不同的顏色，人們把眼睛觀察物體所感受到的色澤歸納為色調、純度、亮度三項基本特征，或稱為色的三要素。掌握顏色的基本特征對準確描述和分辨色澤是非常重要的。

（一）色調

色調又稱色相，是指能夠比較確切地表示某種顏色色別的名稱，是顏色最基本的性質和最主要的特征，是色與色之間的主要區別。例如紅、黃、綠、藍等表示不同的色調。色調由射入人眼的光譜成分及比例所決定，用光的波長來表示，它可區分顏色的深淺。單色光的色調取決于該光的波長。混合光的色調取決于各種波長的光的相對量。

（二）純度

純度又稱飽和度和彩度，是指顏色中所含有色成分及消色成分的比例，或者說是顏色中光譜色的含量，可用來區分顏色的鮮艷度。物體顏色中含有色成分的比例越大，色越純，所以光譜色的純度最高。飽和度的高低取決于物體表面對光反射的選擇性，消色成分是反射光譜中互為補色而成為白色光的成分，物體顏色中所含有消色成分的比例越多，色越不純。白色、灰色、黑色的純度最低。

（三）亮度

亮度又稱明度，它表示有色物體的表面所反射的光的強弱程度，可用來區分顏色的濃淡。亮度用光的反射率大小表示。若兩個有色物體的反射光譜組成及相對量相同，反射率越高，表示反射光越強，亮度也高；反射率低的，表示反射光弱，亮度低。所有的消色，區別就在于對光的反射率（或透射率）不同，即區別于亮度。黑色物體表面對光全吸收，亮度最低。白色物體對光全反射，亮度最高。在黑色和白色之間一系列灰色中，越接近白色，亮度值越大；越接近黑色，亮度值越小。彩色的亮度差別與消色相同，在色調、純度相同的情況下，亮度不同則會產生濃淡不同的色澤。

色的三要素是互相聯系的。色調決定了色的質，亮度和純度都是量的變化。任何一種顏色只要確定了色調、純度和亮度，就可以完全精確地描述和分辨。

三、染料溶液對光的吸收作用

（一）朗伯—比爾定律

在溫度恒定的情況下，將波長為λ的單色光平行投射透過染料稀溶液（嚴格來說應該是理想溶液）后，溶液對單色光的吸收強度與溶液濃度c、光透過的液層厚度d之間的關系服從朗伯—比爾（Lambert-Beer）定律：

I=I₀e^-kcd

若令ε=k/2.303

則

式中：I₀、I——分別為入射光和透射光的強度；

c——溶液濃度，mol/L；

d——液層厚度，cm；

k——比例常數；

ε——摩爾消光系數。

表示單色光通過染料稀溶液時被吸收的程度，稱為吸光度（A）。值越大，則透射光強度I越小，吸收程度越大。對特定的染料稀溶液，摩爾消光系數ε是一個常數，它只隨入射光波長的改變而改變，當稀溶液的濃度c、液層厚度d一定時，ε與成正比。

（二）染料的吸收光譜曲線

由于染料對光的吸收有選擇性，即染料對不同波長的光的吸收程度不一樣，用不同波長的光照射染料稀溶液測得的摩爾消光系數ε對入射光的波長λ作圖，可繪制成染料的吸收光譜曲線（圖4-3）。染料的吸收光譜曲線一般有一個或幾個波峰，其中與最高波峰的頂點相對應的波長稱為最大吸收波長（λ_max），染料的顏色就是它吸收最大吸收波長（λ_max）光波后的補色。最大吸收波長（λ_max）所對應的摩爾消光系數稱為最大摩爾消光系數（ε_max），說明該波長下的光被染料吸收得最多。

圖4-3 染料的吸收光譜曲線

通常我們把染料最大吸收波長（λ_max）增加，染料的顏色變深，稱為深色效應；把染料最大吸收波長（λ_max）降低，染料的顏色變淺，稱為淺色效應。而把染料最大摩爾消光系數（ε_max）增加，顏色變濃，稱為濃色效應；把染料最大摩爾消光系數（ε_max）降低，顏色變淡，稱為淡色效應。通過改變染料結構和外界條件可以改變染料的最大吸收波長（λ_max）和最大摩爾消光系數（ε_max），從而改變染料色澤的深、淺、濃、淡。

四、影響染料顏色的因素

（一）染料結構

染料結構中，共軛雙鍵的數目越多，則染料吸收光的波長越長，染料的顏色越深。偶氮染料隨著偶氮基數目的增多，共軛體系增長，染料顏色將越深。例如：

在染料分子結構中插入某些基團使共軛體系中斷時，吸收光波的波長將明顯變小，染料的顏色將明顯變淺，這一插入的基團稱為隔離基。例如：

當在兩個苯環間插入隔離基—NHCONH—時，則顏色變淺。

在染料分子的共軛體系中連上極性基團，不僅吸收光波的波長變大，能使染料顏色變深，產生深色效應如表4-2所示。同時也能使染料最大摩爾消光系數（ε_max）增大，產生濃色效應。

表4-2 共軛體系中的極性基團對最大吸收波長的影響

因此，在染料制造過程中，往往通過在染料分子結構的共軛體系中引入極性基團，對染料顏色進行增深、增濃。

此外，染料的離子化、染料生成內絡合物等，均會影響染料的顏色。

（二）外界條件

溶劑的極性、介質的pH、染料濃度、溫度和光等外界條件，均會改變染料的聚集狀態而影響染料的顏色。

一般來說，溶劑的極性越大，染料的顏色越深。

介質的pH也會對有些染料的顏色產生影響。例如，堿性品綠在堿性溶液中會從原來的綠色變成白色沉淀，加入酸后又回到原來的綠色。酚酞、甲基橙在不同的pH的溶液中有不同的互變異構體，根據互變異構體的顏色變化可作為酸、堿指示劑使用。

染料濃度越大，染料聚集度越大，染料吸收光波的波長越短，染料顏色越淺。例如，結晶紫單分子態的最大吸收波長λ_max為583nm，它的二聚體的最大吸收波長λ_max為540nm。

染料的聚集度也與染液的溫度有關。染液溫度越高，染料聚集度越小，染料顏色越深。有些染料的顏色會隨著溫度的改變而發生可逆變化，這一現象稱為熱致變色性。具有這一特性的染料被稱為熱致變色性染料。

有些具有順反異構體的染料，在光照下，染料的反式結構會轉變成順式結構，反式和順式結構的染料吸收光的波長不同，因而顯示的顏色也不同，這種現象稱為光致變色性。具有這一特性的染料被稱為光致變色性染料。