大学化学, 2019, 34(8): 81-86 doi: 10.3866/PKU.DXHX201905039

科普

无处不在的化学——颜色的故事

骆睿昊, 黄雁翀, 崔世勇, 方思敏, 吴红, 李玲玲, 王钰熙, 朱平平, 邵伟,

Ubiquitous Chemistry: Story of Colors

LUO Ruihao, HUANG Yanchong, CUI Shiyong, FANG Simin, WU Hong, LI Lingling, WANG Yuxi, ZHU Pingping, SHAO Wei,

通讯作者: 邵伟, Email: weishao@ustc.edu.cn

收稿日期: 2019-05-14   接受日期: 2019-06-25  

基金资助: 中国科学院2018年度科普项目.  2018D0038
中国科学院2019年度科普项目.  KP57

Received: 2019-05-14   Accepted: 2019-06-25  

Fund supported: 中国科学院2018年度科普项目.  2018D0038
中国科学院2019年度科普项目.  KP57

摘要

介绍人类追求特定色彩的过程中包含的化学知识。从建筑涂料、纺织染色和绘画颜料三个方面,选取粉刷墙壁的熟石灰、腓尼基帝国的紫色染料、不断发展的蓝色颜料三个事例,发掘其背后的化学原理。将人文性的讲述与科学的解释结合,体现化学与人类物质及精神生活的密切联系。

关键词: 化学科普 ; 颜色 ; 染料 ; 化学合成

Abstract

This is a popular science article introducing the chemical knowledge contained in the search and use of colors. From the different aspects of architectural, textile dyeing and paints, three examples are chosen to reveal the chemical principles behind. Humanistic story and science interpretations are combined to reflect the close connection between chemistry and human life.

Keywords: Science popularization of chemistry ; Colors ; Dye ; Chemical Synthesis

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本文引用格式

骆睿昊, 黄雁翀, 崔世勇, 方思敏, 吴红, 李玲玲, 王钰熙, 朱平平, 邵伟. 无处不在的化学——颜色的故事. 大学化学[J], 2019, 34(8): 81-86 doi:10.3866/PKU.DXHX201905039

LUO Ruihao. Ubiquitous Chemistry: Story of Colors. University Chemistry[J], 2019, 34(8): 81-86 doi:10.3866/PKU.DXHX201905039

“树叶为什么是绿色的?”来参加科技周活动的小朋友突然如此发问,这大概是在他心中留存了许久的困惑吧。

“那当然是因为树叶里有叶绿素啊!”我想也不想地回答道。

“那为什么叶绿素就是绿色的呢?”

“这……”

你考虑过这个问题吗?叶绿素为什么会呈现出绿色,而不是红色、橙色或者蓝色呢?

我们知道,太阳光是由许多种不同颜色的光混合而成的,如果让太阳光通过三棱镜,就会出现一条七彩的谱带(图1)。

图1

图1   可见光的谱带


当阳光照射到物体上时,有一部分光被物体吸收,剩下的光被反射,我们看到的就是被物体反射的光。

那么哪些光会被物体吸收,哪些光会被反射呢?这实际上是由物体的性质以及分子结构决定的。比如叶绿素,我们看看它的吸收光谱(图2)就知道了,红色和蓝色的光被吸收,而绿色的光几乎不被吸收,从而被反射出来,因此我们的眼睛接收到的光是绿色的。

图2

图2   叶绿素的吸收光谱[1]


物质结构决定性质,物体的颜色与物质结构有关,所以如果物体的颜色发生了变化,很有可能是因为物质的结构发生了化学变化。削好的苹果放在那里不吃,很快苹果裸露在外的部分就会由白变黄,甚至变成褐色,这是什么原因呢?这是因为苹果中含有多酚类物质,如绿原酸、儿茶素等,这些物质遇到氧气之后,就会在多酚氧化酶的促进下发生氧化反应,变成醌类物质,再进一步聚合形成黑色素[2],苹果的颜色就改变了。那我们在超市买到的苹果汁为什么都是很漂亮的金黄色,没有变成褐色呢?那是因为商家采取了各种各样的办法,来抑制苹果的褐变反应,这里也有很多学问呢!所以你看,化学是不是就在我们身边呢?

人类对色彩的追求由来已久,智慧与创造凝结而成的材料和工艺,早已融入日常生活,成就身边世界的异彩缤纷,其中化学过程、化学手段起着关键的作用,却往往为公众所不知。在涉及化学的环境健康话题受到广泛关注的同时,化学在生活方面的贡献未能引起足够的关注,实在遗憾。因此,在这篇文章里,我们要给大家讲几个关于颜色的小故事,希望大家明白在大众对于颜色与美的追求之路上,化学的贡献也是必不可少的哦!

1 白

白色纯洁明亮,给人洁净之感。以前,刚建好的住宅,人们常用熟石灰刷墙,使房间整洁明亮。

熟石灰(Ca(OH)2)和空气中的二氧化碳发生反应,生成碳酸钙和水。碳酸钙(CaCO3)不溶于水,颜色洁白质地坚硬,不仅能保持墙面的净白,而且使墙壁更加紧实,不易开裂(图3)。

图3

图3   熟石灰转化成的坚硬碳酸钙将形成额外的保护


熟石灰是怎么来的呢?人们采集石灰石(主要成分碳酸钙),是通过高温火烧,使之发生分解反应,变成白色的生石灰(氧化钙)。于谦的《石灰吟》中提到了这个过程:

千锤万凿出深山,烈火焚烧若等闲。

粉骨碎身浑不怕,只留清白在人间。

生石灰再加水转变成熟石灰,实际上发生了氧化钙(CaO)与水结合生成氢氧化钙(Ca(OH)2)的反应。该反应大量放热,水汽弥漫,好似在北国冬天烧柴架锅煮肉汤,生石灰就这样被“煮成了”熟石灰(图4)。

图4

图4   氧化钙与烧杯里的水反应


反应方程式:CaO + H2O → Ca(OH)2

如今家居装修时,通常刷乳胶漆。乳胶漆由聚合物乳液、水、颜料等组成,颜料的种类十分宽泛,使现代建筑的墙壁颜色不再单调。

2 紫

现代人的服装如同调色板一般多彩。但在两千年前的汉代,虽然染织业快速发展,精美多彩的布料大量产出,但由于染料提取量有限,工艺相对繁复,再有制度限制,使平常百姓很难享有。隋朝过后,庶民的通用服色一直是单调的黄色或白色(图5) [3]

图5

图5   中国古代百姓所穿的褐衣[4]


古罗马时代的腓尼基人以商立国,“腓尼基”在古代希腊语中意思为“绛紫色”,源于此地出产的紫红色染料[5]。这种染料的价格一度远超等重量的黄金[6],成为土豪甚至王室的象征。这小小染料为何如此高贵?来看看它的生产过程便知。

此物全称泰尔紫(Tyrian Purple),虽说名扬四方,然而原料却十分不起眼。常见的两种是红口岩螺和染料骨螺(图6),皆为海洋肉食性贝类,在捕猎或遇到危险时,它们颈部附近的鳃下腺将分泌黏液以麻痹对手,发白的黏液将在空气中发臭并变紫。

图6

图6   提取泰尔紫常用的两种染料骨螺


贝壳被悬挂在浮子上的诱饵陷阱捕获,较小的贝类被整个打碎,而较大的海螺会被剥掉外壳[7]。接着工匠会把取出的腺体放在阳光下暴晒,黏稠分泌物会发生变化,产生如今被称作紫脲酸铵(图7)的物质,呈现蓝紫色。最终留下紫色的液体将作为染料——加工现场可谓臭气熏天。当然,人也可以通过刺激贝类挤出黏液,不过这种非杀死贝类的方式会弄脏双手,并且也一样逃不过可怕气味的“熏陶”。

图7

图7   紫脲酸铵的结构式


由于整个提取过程散发难以忍受的恶臭,因此加工场所只能选在城外郊野。生产效率也不尽人意:25万只骨螺才能提炼出半盎司染料,刚好够染一条罗马长袍,正因如此,其价格居高不下。在罗马皇帝戴克里先统治时期,一磅紫色染料的成本大约为150, 000旦尼亚或三磅黄金(≈1.36千克) [8]

埃及艳后克娄巴特拉无比迷恋这种优雅的紫色,她让手下把船帆、沙发等各种东西统统染成泰尔紫(图8)。公元前48年,凯撒大帝来到埃及,他也迷上了泰尔紫,并定其为罗马皇室专用色。两位名人顾客可谓联手把泰尔紫捧成了高贵的象征,以至后人都用“born in purple”来形容出身名门。

图8

图8   泰尔紫染制的毛线


转眼到了1856年,在工业革命初期的英国,18岁的化学家威廉∙珀金(William H. Perkin,图9)人工合成了苯胺紫染料(Mauveine,图10),取代了让腓尼基人“一边赚钱一边流泪”的海螺染料,让曾经买不起的“皇家紫”从此成为平民色调(图11)。

图9

图9   威廉·珀金


图10

图10   苯胺紫的结构式


图11

图11   苯胺紫染制的裙子


3 蓝

3.1 群青与普鲁士蓝

画家笔下那一抹独特的蓝色鲜艳明丽,引得多少目光为之停驻。

这种魅力、高贵的颜色叫做“群青”NaxAl6Si6O24Sy (x = 8–10, y = 2–4),它的英文名字“Ultramarine”寓意“beyond the sea (远洋)”,它的原料是产自千里之外的阿富汗的青金石。

天然群青的制作过程中,昂贵的青金石被反复清洗,研磨成细粉后与专用的颜料油混匀,原料配比极大地关系到颜料品质,而在当时只能凭制作者的经验把控[9]。由于青金石几乎只在阿富汗地区开采和加工,其价值是同等重量黄金的五倍,天然群青的价格可想而知。由于价格实在昂贵,这种颜料通常只有在宗教人物和达官贵人身上才有机会使用(图12),而平民画家则只能望洋兴叹。

图12

图12   油画《祈祷的圣母》中织物部分所用的颜料即是群青


这种状况在1704年得到了改变。这一次帮画家“省钱”的是一位18世纪的德国人——迪斯巴赫(Johann Jacob Diesbach)。他本身是个制造和使用涂料的工人,经常做一些实验,尝试寻找更低成本的颜料制法。

在一次实验中,迪斯巴赫想制造一种叫“Florentine lake”的红色颜料(胭脂红),需要沸煮的胭脂虫、明矾、硫酸铁和碳酸钾。因为缺少最后一种碱,他从炼金术士约翰∙康拉德∙迪佩尔(Johann Conrad Dippel)处借了一些,却并不知道那些原料已经被所谓的“动物油”污染了,这种“动物油”是迪佩尔从动物尸体的血液、骨头和内脏等材料中提炼而成的,以“万灵药”出售,其中就含有铁氰酸盐。铁氰酸盐与配料中原有的三价铁离子反应,产生了一种深蓝色的物质[10],可以想象当迪斯巴赫见到这种深蓝色而非红色的产物时,他有多么惊讶。这种物质就是普鲁士蓝,简称普蓝(图13)。

图13

图13   梵高的《星夜》里大量使用了普鲁士蓝


普鲁士蓝通常有两种形态:“不溶”普鲁士蓝Fe4[Fe(CN)6]3xH2O (x = 14–16);“可溶”普鲁士蓝MFe[Fe(CN)6]∙yH2O (y = 1–5),其中M是一价阳离子,例如K+或NH4+[11]。两种普鲁士蓝拥有相似的立方体结构(图14),其中Fe和Fe排列成立方晶格,Fe的电子经由棱上的氰离子转移到Fe,这一过程吸收橙红光,因而普鲁士蓝在自然光下显示蓝色。

图14

图14   普鲁士蓝的晶体结构

(a) Fe4[Fe (CN)6]3xH2O; (b) KFe[Fe(CN)6] [12]


普鲁士蓝又名柏林蓝,午夜蓝,是最早的合成颜料之一。普鲁士蓝的出现使得蓝色变得廉价易得,哪怕穷困潦倒的艺术家都能用来描画天空和海洋,将忧郁与孤单在画布中尽情展现。毕加索著名的蓝色时期诸多画作,都有普鲁士蓝的功劳。可以说,普鲁士蓝的出现,大大推动了西方艺术史的发展。同时,在建筑与时尚领域,普鲁士蓝也同样受到青睐(图15)。

图15

图15   普鲁士蓝给人带来静谧清凉的感觉


3.2 靛蓝

《荀子∙劝学》中写道“青,取之于蓝,而青于蓝”,这里的“青”即靛青,也就是靛蓝,是一种传统的染料[13]

而“蓝”指的不是颜色,而是可以提取“青”这种染料的一类植物——蓝草(图16),包括木蓝、菘蓝、蓼蓝等。这类植物在我国及印度地区曾广为培植,又称为板蓝根、大青叶,加工后的沉淀物称青黛,根叶皆可药用。在大理民族扎染技艺中,以板蓝根、蓝靛为主要传统染料,色泽自然,褪变较慢,经久耐用(图17)。

图16

图16   蓝色染料植物之一的菘蓝


图17

图17   云南的传统扎染技艺

国家非物质文化遗产


用蓝草染色时,先切碎泡在瓮中加水浸泡发酵,发酵液中含有以吲哚酚为主要成分的隐色体,当织物在其中浸透后取出晾干,隐色体被空气氧化,形成不溶性的靛蓝(Indigo,图18)而染在织物上。

图18

图18   靛蓝结构式[14]


靛蓝的使用很广泛,19世纪,制造牛仔裤时就常用这种染料(图19)。靛蓝染料巨大的商业价值促使许多化学家寻找它的化学合成方法。

图19

图19   使用靛蓝染色的各种产品


1878年,阿道夫∙冯∙拜尔(J. F. W. Adolf von Baeyer,图20)通过人工合成的方法制成了靛蓝,这一成果在科学界引起了轰动,它是天然染料合成史上的一个里程碑。紧接着,他进一步测定了靛蓝的性质和结构。由于在人工合成靛蓝方面的开创性工作,拜尔获得了1905年诺贝尔化学奖[15]

图20

图20   阿道夫·冯·拜尔


4 结语

人类对颜色的运用是历史长河上一条满载着故事的小舟,在它千年的航程中,化学的新帆好像刚刚竖起,却带着它一路乘奔御风,从自然提取驶向人工合成,从稀有稀缺、单一单调,驶向普遍广泛、多彩绚丽。在这一路上,世界各地的化学家持续探索,为了解物质结构与性质、染色材料的显色机理、工业合成等各方面研究贡献力量,与全人类一同创造了今天这样一个多彩的世界。

作为一个化学专业的学生,我确信“化学源于生活、化学改变生活”绝不是一句浮夸之词。当我凝望着夜空中灿烂的烟火,我知道那是金属的焰色反应在其中绽放光彩;当我在博物馆里漫步,游弋在历史的长河,远古的陶器一闪而过,各式瓷器精美夺目,从白瓷到唐三彩,到元青花、釉里红……我知道那是高温下物质的转变,是火焰的艺术;正午阳光下的教学楼外墙反射着纯净舒适的光芒,抗紫外线的晴雨伞下却是格外阴凉,我知道,在我生活的美丽世界里,化学的贡献无法忽略。

化学,无处不在;化学,改变生活。

参考文献

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