為什麼鑭系元素三價鑭離子有顏色

A. 為什麼元素周期表上物質顏色由上到下逐漸變深

無論是原子、分子或離子，價電子越易 激發，越易吸收可見光中能量較低、頻率較小的那部分光，則物質顏色越深。而價電子越難激發，物質顏色會越淺。即一般具有穩定結構的物質，可見光能量不足以使其激發，而使物質無色。所以，同主族元素單質，自上而下顏色逐漸加深；主族元素的金屬陽離子及ⅠB族M+、ⅡB族M2+離子一般無色；而過渡元素的離子、鑭系元素離子大多數都有色；典型的離子化合物無色，而且有共價性的金屬化合物往往有色。

從元素周期律的遞變規律來看，如果金的原子半徑比銀大，則金也應該呈現與銀相近的顏色。可事實上金卻顯黃色，原因是由於受鑭系收縮的影響，從表中可看出金的原子半徑比銀小，從電離勢看，金的第一電離勢和第二電離勢之差比銀小得多，因此其最外層S電子與次外層d電子能量較接近，結果其(n-1)d9ns2和（n-1）d10ns1之間自由電子的躍遷吸收的是能量較低的可見光中的「藍」光而呈現黃色。

例如金、銀和銅雖然處於同一副族，具有相似的外層電子結構，由於電子之間表現出不同的微觀狀態從而導致電子之間的排斥作用稍有不同，銅和金呈現黃色是由於其ns和(n-1)d軌道之間能量較為接近，當有光照射時，其自由電子在(n-1)d9ns2和（n-1）d10ns1之間躍遷，吸收較低能量的可見光中的「藍」光所致。具有相似外層電子結構的銀由於其ns和(n-1)d軌道能量較銅和金大，自由電子躍遷時在可見光區幾乎沒有吸收而呈現蒼白色。

B. 求高手進來幫忙解決物質的呈現各種顏色的原理

我找了與這個問題有些關系的資料，不知有沒有幫助。
物質所呈現的各種顏色與其內部結構有一定的關系。日光是由波長范圍在 400nm~ 760nm的電磁波組成的，經過色散後即成為由赤、橙、黃、綠、青、藍、紫色構成的光譜。當物質吸收了一部分頻率的可見光後、剩下未被吸收的那部分光的復合顏色就是我們平常觀察到的各種物質的顏色，而物質吸收光的頻率大小與其結構有關，即與分子內部價電子的活動有關。以下是我對物質顏色與分子結構關系的粗淺理解。

一、無機物的顏色與結構的關系
（一）單質的顏色與結構的關系：
1．金屬單質的顏色與結構的關系：
占元素約4/5的金屬中除金呈黃色、銅呈紫色、鉍呈淡紅色等少數金屬外，其它金屬都呈銀白色或灰白色的有光澤的不透明固體（汞是液體）。這是由於金屬是由金屬鍵結合成的金屬晶體，在金屬中的自由電子容易吸收可見光的能量而躍遷到較高能級，隨即返回到原能級時又以光的形式放出。多數的金屬自由電子能夠吸收所有波長（頻率）的可見光，吸收後又把它們幾乎全部反射出來。所以，絕大多數金屬呈銀白色或灰白色。如果對某種波長的光吸收程度較大，對其它波長的光吸收程度較小，金屬就有特定的顏色。當金屬為粉末狀態時，金屬晶面非常雜亂、且晶格排列得也不規則、所有被吸收的可見光輻射不出去，所以，絕大多數金屬在粉末狀態時為黑色。
2．非金屬單質顏色與結構的關系：
在非金屬單質中分子量越小顏色越淡。例如：鹵族元素單:F2 （g）淡黃色、Cl2（g）黃綠色、Br2（l）紅棕色、I2（s）紫黑色。這是由於同一族元素從上到下，隨電子層數的增多原子半徑逐漸增大、元素的電離能逐漸減小，使原子的外層電子容易被激發。因此原子對可見光頻率較低（波長較長）的那部分光的吸收率由上到下逐漸增大。而對可見光中頻率較高（波長較短）的那部分光的吸收率逐漸減小。如氣態氟分子主要吸收可見光中能量較大、頻率較高的那部分光紫色光，而顯示出頻率較低的那部分光的復合色（黃色）；氣態碘分子主要吸收可見光中能量較小、頻率較低的那部分光，而顯示出頻率較高的那部分光的復合顏色（紫色）。同理說明氣態綠和溴的顏色。當物質的狀態由氣態向液態、固態轉變時，由於分子間距離縮小，顏色不斷加深。所以在通常情況下，氟氣是淡黃色、氯氣是黃綠色、溴是棕紅色液體、碘是紫黑色固體。
（二）離子的顏色與結構的關系：
一般來說，主族元素的水合離子都沒有顏色，副族元素中有未成對d電子者，離子水合物一般都有顏色。
1．金屬陽離子
主組元素的金屬陽離子一般都無顏色。這是由於這些離子都具有 8個、18個或48 + 2 個電子外層的穩定結構，可見光難以使電子激發，所以無顏色。過渡元素的陽離子中大多數 d軌道上有未成對的單個電子，這些單電子的激發態和基態的能量相差不大，一般可見光就能使它們激發，因而這類離子大都有顏色，以第四周期為例，見下表：
過渡元素低氧化態離子中單電子數與水合離子顏色：

3．無機化合物
我們知道，典型的離子化合物只能吸收頻率較高的紫外線光區的光，而不吸收可見光區的光。因此典型的離子型化合物一般是無色或白色固體。如 NaX、KX、CaO等等。當化合物的金屬陽離子與陰離子之間相互發生極化作用後，電子雲發生一定程度的重疊並表現出一定的共價性，當化合物的共價性達到一定程度時，它吸收一部分有色光，使化合物呈現一定的顏色。隨著化合物共價性的增強，吸收可見光的范圍增大，化合物的顏色逐漸變深。其共價性取決於金屬陽離子與陰離子的極化力及變形性。離子的極化力及變形性大，則化合物共價性強，化合物顏色深。

二、有機物的顏色與結構的關系
有機化合物大都是以共價鍵結合的一類化合物，全部由σ鍵組成的飽和有機物分子，其結構較牢固，激發電子所需能量較高，所以吸收的光波是在頻率較高的遠紫外區，這就決定了由σ鍵形成的飽和有機物是無色的。含有π鍵的不飽和有機物，激發π鍵的π電子所需的能量較低，這種能量的光波處於紫外及可見光區域，如官能團：
＞C＝C＜、＞C＝O、－N＝N－、－N＝O、C＝S等。含有π鍵的不飽和基團稱為生色團。若化合物分子中僅含有一個生色團的物質，它們吸收光波還在紫外區，所以無色。當有多個生色團並且共軛時，由於共軛體系中電子的離域作用，而使π電子易激發，這類有機物可吸收可見光區域的光，那麼它們就顯色。如醌類：紅色、黃色、萘醌、蒽醌及偶氮化合物（R－N＝N－R）都是有色的物質。當共軛體系擴大，激發價電子所需能量更低，吸收可見光波向頻率低的區域移動，顏色會加深。

常用的指示劑如酚酞、石蕊、甲基橙是有機弱酸或弱鹼，在不同PH介質中，由於結構變化而成不同顏色。
總之，無論是原子、分子或離子，價電子越易 激發，越易吸收可見光中能量較低、頻率較小的那部分光，則物質顏色越深。而價電子越難激發，物質顏色會越淺。即一般具有穩定結構的物質，可見光能量不足以使其激發，而使物質無色。所以，同主族元素單質，自上而下顏色逐漸加深；主族元素的金屬陽離子及ⅠB族M+、ⅡB族M2+離子一般無色；而過渡元素的離子、鑭系元素離子大多數都有色；典型的離子化合物無色，而且有共價性的金屬化合物往往有色。
物質顯色原因也許有多方面的，但我僅就結構以上淺談一下。 楊 瑩