为什么有些金属离子有颜色，有些则没有？
很多时候，我们不经意间就会接触到带有颜色的金属离子，比如铜盐溶液的蓝色，高锰酸钾溶液的紫色，或者镍盐溶液的绿色。但我们也知道，纯铁、纯铝、纯锌这些金属本身是银白色的，它们的离子溶液呢？大部分也是无色的。究竟是什么原因让一些金属离子能够展现出绚丽的色彩，而另一些却隐于无形呢？这背后隐藏着一个非常有趣的化学原理，主要跟电子的能级和光的吸收有关。
要理解这一点，我们得先从物质是如何呈现颜色的说起。我们看到的颜色，实际上是物体吸收了可见光中的一部分波长，然后将剩余的波长反射或透射出来，进入我们的眼睛，从而在我们大脑中形成颜色感知。比如，一个红色的苹果，是因为它吸收了绿光和蓝光，把红光反射了出来。如果一个物体能够吸收可见光中的所有颜色，它就会呈现黑色；如果它不吸收任何可见光，就呈现白色或透明。
金属离子的颜色，本质上也是它们与可见光发生相互作用的结果。具体来说，这跟离子的电子结构有很大的关系。我们知道，金属原子最外层的电子很容易失去，形成带正电的金属离子。这些离子在溶液中通常是水合离子，也就是金属离子周围围绕着水分子。
这里关键的因素在于，大多数金属离子，尤其是那些我们能看到颜色的，都属于所谓的过渡金属。过渡金属之所以“过渡”，是因为它们在形成离子时，不仅仅是失去最外层的s轨道电子，还会失去d轨道上的电子。而且，这些d轨道电子的能量也不是完全一样的，它们存在不同的能级。
在没有外界影响的情况下，这些d轨道电子处于一个基态，也就是能量最低的状态。当可见光照射到这些水合金属离子上时，如果光的能量恰好能够激发某个d轨道上的电子，从一个较低的能级跃迁到一个较高的能级，那么这束光中的这一部分能量就会被吸收掉。
被吸收了特定波长光子的溶液，反射或透射出来的就是剩余的可见光。例如，如果一个金属离子吸收了红光和黄光（也就是吸收了可见光中的长波部分），那么它就会呈现出与红黄光互补的颜色，比如蓝绿色。如果它吸收了蓝光和紫光（短波部分），就会呈现黄绿色。
那么，为什么有些金属离子有颜色，而有些则没有呢？这跟它们的电子结构是否允许这种“跃迁”有关。
有颜色的金属离子（主要是过渡金属）：
未填满的d轨道： 这是最核心的原因。过渡金属形成离子时，其未成对的d电子是参与颜色产生的关键。这些d轨道电子的能级在水合离子中，受到周围配位原子（比如水分子）的电场影响，会发生裂分，形成不同的亚能级。当可见光照射时，这些电子就可以吸收光子的能量，从一个较低的亚能级跃迁到较高的亚能级。
例子：
铜(II)离子 (Cu²⁺): Cu²⁺离子的电子构型是[Ar] 3d⁹。虽然只有一个未成对的电子，但它的d轨道能级裂分足够大，可以吸收绿光，从而呈现出溶液的蓝色。
镍(II)离子 (Ni²⁺): Ni²⁺离子的电子构型是[Ar] 3d⁸。它的d轨道中有多个未成对电子，能够发生多个可能的电子跃迁，吸收不同波长的光，最终呈现绿色。
钴(II)离子 (Co²⁺): Co²⁺离子的电子构型是[Ar] 3d⁷。它能吸收绿光和黄光，呈现粉红色。
锰(II)离子 (Mn²⁺): Mn²⁺离子的电子构型是[Ar] 3d⁵。虽然d轨道是半充满的，但电子跃迁的能量差很小，主要吸收紫外光，可见光吸收很少，所以通常是浅粉色甚至近乎无色。
高锰酸根离子 (MnO₄⁻): 虽然是高价态的锰，但其颜色非常鲜艳的紫色，这是因为发生了所谓的“配体到金属的电荷转移跃迁”，氧原子上的电子可以跃迁到锰的d轨道上，吸收可见光。这是一种更复杂的颜色产生机制，但同样是电子能级跃迁的结果。
无色的金属离子（主要是主族金属和一些稀有金属）：
全充满或全空的d轨道：
主族金属离子： 比如钠离子 (Na⁺, 电子构型是1s²2s²2p⁶)，镁离子 (Mg²⁺, 电子构型是1s²2s²2p⁶)，铝离子 (Al³⁺, 电子构型是1s²2s²2p⁶)。这些离子最外层的电子层已经排满了（全充满）或者已经完全被移除了（全空）。它们没有未成对的d电子或者f电子可以发生可见光区域的电子跃迁。它们吸收光的能量主要是在紫外区，远超可见光的范围，所以在可见光下呈现无色。
一些已完成电子填充的稀有金属离子： 比如锌离子 (Zn²⁺, 电子构型是[Ar] 3d¹⁰)。虽然有3d电子，但d轨道是全充满的。在形成离子时，它不会像未填满d轨道的过渡金属那样，在d轨道内产生能级裂分，也就无法吸收可见光发生dd跃迁。所以Zn²⁺溶液是无色的。同样，银离子(Ag⁺, 4d¹⁰)和镉离子(Cd²⁺, 4d¹⁰)也是无色的。
强烈的电荷转移跃迁： 有时候，即使金属离子本身没有未填满的d轨道，但如果它以某种形式存在（例如与具有高电负性的元素形成化合物或配合物），也可能产生颜色。就像高锰酸根的紫色。但对于简单的水合金属离子来说，如果它本身不具备dd跃迁的条件，通常就是无色的。
总结一下：
金属离子是否呈现颜色，最主要的原因在于其电子结构是否允许在可见光区域发生电子跃迁。
有颜色： 通常是过渡金属离子，因为它们有未填满的d轨道。当形成水合离子时，这些d轨道电子的能级会受到配位环境的影响而分裂，可以吸收可见光中的特定波长光子，发生dd电子跃迁，从而呈现出与吸收光互补的颜色。
无色：
主族金属离子： 通常没有d轨道，或者其价电子层已全充满，电子跃迁的能量在紫外区，无法吸收可见光。
一些过渡金属离子的特殊情况： 例如3d轨道全充满（如Zn²⁺）或全空的d轨道（如Sc³⁺），也无法发生可见光区域的dd跃迁，所以通常是无色的。
所以，下次看到五颜六色的金属盐溶液，就可以猜测一下，很可能里面含有的是“有故事”的过渡金属离子，它们的电子们正在上演着一场与光的精彩互动呢！
要理解这一点，我们得先从物质是如何呈现颜色的说起。我们看到的颜色，实际上是物体吸收了可见光中的一部分波长，然后将剩余的波长反射或透射出来，进入我们的眼睛，从而在我们大脑中形成颜色感知。比如，一个红色的苹果，是因为它吸收了绿光和蓝光，把红光反射了出来。如果一个物体能够吸收可见光中的所有颜色，它就会呈现黑色；如果它不吸收任何可见光，就呈现白色或透明。
金属离子的颜色，本质上也是它们与可见光发生相互作用的结果。具体来说，这跟离子的电子结构有很大的关系。我们知道，金属原子最外层的电子很容易失去，形成带正电的金属离子。这些离子在溶液中通常是水合离子，也就是金属离子周围围绕着水分子。
这里关键的因素在于，大多数金属离子，尤其是那些我们能看到颜色的，都属于所谓的过渡金属。过渡金属之所以“过渡”，是因为它们在形成离子时，不仅仅是失去最外层的s轨道电子，还会失去d轨道上的电子。而且，这些d轨道电子的能量也不是完全一样的，它们存在不同的能级。
在没有外界影响的情况下，这些d轨道电子处于一个基态，也就是能量最低的状态。当可见光照射到这些水合金属离子上时，如果光的能量恰好能够激发某个d轨道上的电子，从一个较低的能级跃迁到一个较高的能级，那么这束光中的这一部分能量就会被吸收掉。
被吸收了特定波长光子的溶液，反射或透射出来的就是剩余的可见光。例如，如果一个金属离子吸收了红光和黄光（也就是吸收了可见光中的长波部分），那么它就会呈现出与红黄光互补的颜色，比如蓝绿色。如果它吸收了蓝光和紫光（短波部分），就会呈现黄绿色。
那么，为什么有些金属离子有颜色，而有些则没有呢？这跟它们的电子结构是否允许这种“跃迁”有关。
有颜色的金属离子（主要是过渡金属）：
未填满的d轨道： 这是最核心的原因。过渡金属形成离子时，其未成对的d电子是参与颜色产生的关键。这些d轨道电子的能级在水合离子中，受到周围配位原子（比如水分子）的电场影响，会发生裂分，形成不同的亚能级。当可见光照射时，这些电子就可以吸收光子的能量，从一个较低的亚能级跃迁到较高的亚能级。
例子：
铜(II)离子 (Cu²⁺): Cu²⁺离子的电子构型是[Ar] 3d⁹。虽然只有一个未成对的电子，但它的d轨道能级裂分足够大，可以吸收绿光，从而呈现出溶液的蓝色。
镍(II)离子 (Ni²⁺): Ni²⁺离子的电子构型是[Ar] 3d⁸。它的d轨道中有多个未成对电子，能够发生多个可能的电子跃迁，吸收不同波长的光，最终呈现绿色。
钴(II)离子 (Co²⁺): Co²⁺离子的电子构型是[Ar] 3d⁷。它能吸收绿光和黄光，呈现粉红色。
锰(II)离子 (Mn²⁺): Mn²⁺离子的电子构型是[Ar] 3d⁵。虽然d轨道是半充满的，但电子跃迁的能量差很小，主要吸收紫外光，可见光吸收很少，所以通常是浅粉色甚至近乎无色。
高锰酸根离子 (MnO₄⁻): 虽然是高价态的锰，但其颜色非常鲜艳的紫色，这是因为发生了所谓的“配体到金属的电荷转移跃迁”，氧原子上的电子可以跃迁到锰的d轨道上，吸收可见光。这是一种更复杂的颜色产生机制，但同样是电子能级跃迁的结果。
无色的金属离子（主要是主族金属和一些稀有金属）：
全充满或全空的d轨道：
主族金属离子： 比如钠离子 (Na⁺, 电子构型是1s²2s²2p⁶)，镁离子 (Mg²⁺, 电子构型是1s²2s²2p⁶)，铝离子 (Al³⁺, 电子构型是1s²2s²2p⁶)。这些离子最外层的电子层已经排满了（全充满）或者已经完全被移除了（全空）。它们没有未成对的d电子或者f电子可以发生可见光区域的电子跃迁。它们吸收光的能量主要是在紫外区，远超可见光的范围，所以在可见光下呈现无色。
一些已完成电子填充的稀有金属离子： 比如锌离子 (Zn²⁺, 电子构型是[Ar] 3d¹⁰)。虽然有3d电子，但d轨道是全充满的。在形成离子时，它不会像未填满d轨道的过渡金属那样，在d轨道内产生能级裂分，也就无法吸收可见光发生dd跃迁。所以Zn²⁺溶液是无色的。同样，银离子(Ag⁺, 4d¹⁰)和镉离子(Cd²⁺, 4d¹⁰)也是无色的。
强烈的电荷转移跃迁： 有时候，即使金属离子本身没有未填满的d轨道，但如果它以某种形式存在（例如与具有高电负性的元素形成化合物或配合物），也可能产生颜色。就像高锰酸根的紫色。但对于简单的水合金属离子来说，如果它本身不具备dd跃迁的条件，通常就是无色的。
总结一下：
金属离子是否呈现颜色，最主要的原因在于其电子结构是否允许在可见光区域发生电子跃迁。
有颜色： 通常是过渡金属离子，因为它们有未填满的d轨道。当形成水合离子时，这些d轨道电子的能级会受到配位环境的影响而分裂，可以吸收可见光中的特定波长光子，发生dd电子跃迁，从而呈现出与吸收光互补的颜色。
无色：
主族金属离子： 通常没有d轨道，或者其价电子层已全充满，电子跃迁的能量在紫外区，无法吸收可见光。
一些过渡金属离子的特殊情况： 例如3d轨道全充满（如Zn²⁺）或全空的d轨道（如Sc³⁺），也无法发生可见光区域的dd跃迁，所以通常是无色的。
所以，下次看到五颜六色的金属盐溶液，就可以猜测一下，很可能里面含有的是“有故事”的过渡金属离子，它们的电子们正在上演着一场与光的精彩互动呢！
网友意见
在水中有颜色的金属离子往往是过渡金属离子。
因为过渡金属有一个未充满的价壳层d轨道，所以过渡金属往往有不止一种氧化态。当过渡金属离子与中性或带负电的配体结合时，它们会形成所谓的过渡金属配合物。配体通过共价键或配位键与中心离子结合。常见配体包括水、氯离子和氨。
当一个配合物形成时，因为有些电子更靠近配体，过渡金属离子的d轨道形状会发生变化，这样就会发生d轨道的分裂：有些d轨道进入高能级，而另一些则进入低能级。这样就形成了一个能隙。电子可以吸收光子，从低能级跃迁到高能级。被吸收的光子的波长取决于能隙的大小。（这就是为什么s和p轨道发生分裂时不会产生有色复合物。因为形成的能隙比较宽，吸收的光子处于紫外区域，肉眼观察不到。）
另外，过渡金属由于具有未充满的价壳层d轨道，所以有人将锌、镉、汞排除在过渡金属之外，因它们有充满的价壳层d轨道。根据化学常识我们知道，Zn2+在水中是无色的，这与其d轨道充满了电子有关。
By 重光 中科院物理所
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