“元素化学实验”中的热致变色现象(一)——部分Co(Ⅱ)化合物的热致变色现象及其变色机理探讨

以探讨Co²⁺鉴定实验过程中意外发现在适量CoCl₂溶液中加入适量NH₄SCN溶液的体系具有可逆热致变色现象为切入点,在分析和探讨其热致变色机理的基础上,顺势通过"先做后教、以做定教"实验教学的"翻转课堂"模式,即学生完成元素化学实验,具有亲身经历和切身体会后,以"问题"为导向,以生动直观的演示实验现象为基础,引导学生直观认识一些Co(Ⅱ)化合物的热致变色现象及其影响因素,启发学生应用化学原理与化学知识解释和探讨热致变色现象产生的本质,以加深学生对配合物的结构、性质以及分裂能概念的理解,培养学生的观察、分析、判断、归纳、推理、总结和探索规律的能力以及"批判性"思维能力。     

光(热)致变色现象

在光照或加热的情况下,某些物质的颜色会发生可逆性的变化,称之为光（热）致变色现象。此类物质的种类不同,其变色机理不同,所呈现的颜色也不同。此现象首先发现于无机物,并已有130余年的历史。但不论是在合成与理论研究上,还是在实际应用上的迅速发展,却是在近30余年来更显得卓有成效。光（热）致变色物质目前已在图像显示、光记录材料、彩色录像、照像、印刷照排、化妆品、染料、装饰品、油漆、玩具、护目镜等方面得到了不同程度的应用。     

热致变色化合物TiO[VO(SO_4)_2(H_2O)_3]·2H_2O的合成及其性能

热致变色示温材料具有操作方便,测温范围广和不需要复杂仪器等优点,因而广泛用于宇航事业、热记录材料及传感器等。钒为我国丰产元素,钒化合物的热致变色研究报导不多。本文报导氧钒(Ⅳ)化合物作为热致变色材料的探索。     

硬脂酸镍与焦性没食子酸的热致变色反应研究

本文报道了硬脂酸镍(NiSt₂)和焦性没食子酸(Pyrogallic acid,PGA)的热致变色现象,研究了热敏涂层的显色密度随加热温度和时间的变化关系.结果表明,涂层密度随温度的升高和时间的延长而增大.通过溶解度实验和吸收光谱的分析,推测了热致变色的可能产物是NiSt₂和PGA生成的某种分子化合物,该分子化合物随浓度的增加可能形成某种分子聚集体,在可见光区产生新的吸收峰.     

镧系元素螯合物热致变色作用的研究(Ⅱ) 镧、钕、钆二甲酚橙螯合物水溶液的热致变色作用及机理

用分光光度法研究了镧系离子La(Ⅲ)、Nd(Ⅲ)和Gd(Ⅲ)的二甲酚橙(XO)螯合物水溶液的可逆热致变色规律。测定了螯合物的组成及条件稳定常数。探讨了体系酸度、离子强度及配体浓度对热致变色作用的影响。初步研究表明,Ln(Ⅲ)-XO螯合物水溶液中存在两种不同颜色的螯合物质子离解平衡:体系呈现的热致变色作用是平衡常数随温度而变化所致。     

席夫碱及其络合物的可逆热致变色材料

对具有可逆的热致变色的席夫碱及其络合物的分类、合成、变色机理以及发展前景等进行了回顾和探讨。     

热致变色自旋转换材料的制备与表征

设计包含Fe(II)自旋转换配合物的合成及热致变色性质研究,探究了温度、溶剂对配合物自旋状态的影响;进一步制备了具有一定加工性能的热致变色复合高分子材料,并通过多种手段加以表征。实验从验证基本原理到设计改性实用材料,涉及无机、分析、高分子、材料等多学科交叉,通过合成–表征–性质调控–应用的全流程实现对学生知识、技能、素养的全面训练。     

热致变色材料智能涂层

能源与环境现状迫切要求开发出具有节能特性的新一代智能建筑窗户,以有效降低建筑能源消耗。热致变色材料能够根据外界温度变化改变自身光学性质,智能地调节进入室内的太阳辐射能量,且不消耗其他能源,在建筑节能方面具有极大的应用潜力。常见的热致变色材料包括水凝胶、离子液体、钙钛矿、超材料、液晶和VO₂等。其中VO₂在相变前后透过率在近红外区域明显降低而在可见光范围内保持不变,是热致变色智能窗材料的理想选择之一。本综述概述了热致变色涂层相关材料的工作原理、构筑方法及最新研究进展。首先介绍了常见热致变色材料的结构特性和相变机制。之后以VO₂为例,阐明了智能窗涂层表面工程设计和优化方法,讨论了不同构筑手段对光学性能的影响。最后,梳理了目前热致变色智能涂层所存在的不足及面临的困难,并对未来的研究方向进行了展望。     

2种偶氮席夫碱类化合物的合成及其热致变色性质

通过重氮偶合反应制得2种氨基偶氮化合物在经纯化下燥后,与水杨醛的乙醇溶液在60℃反应4 h分别得到2种偶氮席夫碱类目标化合物,通过元素分析、核磁共振氢谱、红外光谱测试技术表征了其结构.紫外光谱测试化合物在DMSO溶液的紫外吸收,在升温速率为1.5℃/min测试时,化合物A和B紫外吸收表现出热致变色性质;在45℃的恒定温度测试时,化合物A在450和348 nm的吸光度值与时间呈线性关系,化合物B在425和356 nm的吸光度值与时间呈线性关系.研究表明,2种偶氮席夫碱类化合物有良好的热致变色性,是性能良好的热致变色材料.     

压致变色聚集诱导发光材料

聚集诱导发光化合物分子具有特殊的螺旋桨形扭曲构象结构, 导致其很难在结晶状态下进行紧密堆砌, 使得其结晶结构容易在外力的作用发生改变, 致使其分子能级水平和发光光谱发生变化, 产生压致发光变色现象. 因此, 聚集诱导发光化合物是压致发光变色材料的一个重要来源. 压致变色聚集诱导发光材料是一类重要的压致发光变色材料, 其既具有压致发光变色的性能, 又具有聚集诱导发光的性能. 它是一类智能材料, 在应力传感、商标防伪和发光器件等领域具有重要的潜在应用, 近年来受到人们极大的关注. 本文分类介绍了近年来压致变色聚集诱导发光材料的研究进展.     

多金属氧酸盐电致变色材料

多金属氧酸盐具有多样的结构和良好的电化学可逆性,在电致变色器件(例如军事伪装、后视镜、智能窗以及高对比度信息显示器)上有着广阔的应用前景。本文综述了多金属氧酸盐在电致变色领域的研究进展情况。概述了多金属氧酸盐的电致变色机理以及制备多金属氧酸盐电致变色薄膜的方法,主要包括:溶胶-凝胶方法、电沉积法、Langmuir-Blodgett方法、层接层自组装方法。按照多金属氧酸盐的结构类型分类,结合最新文献报道,介绍了同多酸(盐)型和杂多酸(盐)型电致变色材料性能的研究现状。最后,对其未来的发展方向进行了展望。     

多功能变色材料紫精化合物的合成与可视变色传感

变色材料广泛应用于航空航天、能源化工、日用食品、国防及科学研究等诸多领域。紫精化合物(N-取代的-4,4’-联吡啶季铵盐,V)能在外界光、电、热等激发下表现出多样的变色性质,是一类重要的变色材料。本文将紫精变色材料的科学前沿成果引入本科实验教学,创新设计了一个面向本科低年级学生开设的大学化学基础实验。该实验以激发学生的好奇心与探索欲,培养学生对化学的学习兴趣,开阔学生的视野,提高学生对化学的认知为目的,合成了邻羟基苯乙酮取代基紫精,研究了它的溶剂化显色、热致变色及对NH3的可逆显色反应。实验的特点是反应原料简单易得、合成方法简便、反应时间短、产率高、实验操作安全可靠、变色现象均可以不借助仪器而裸眼直接观察、变色过程快速且灵敏。这些优势为实验项目的应用与推广提供了极大的便利。     

联二炔囊泡的光致聚合、热致变色及应用

物理化学实验为各大高校本科化学教学的主干实验课程之一。虽然各高校的物理化学实验内容已十分丰富,但仍然缺乏将不同章节知识点融会贯通以及与学科前沿密切联系的综合型实验内容。我们根据南开大学郭东升教授课题组发表的一篇有关联二炔程序性响应检测胆碱酯酶的工作设计了“联二炔囊泡的光致聚合、热致变色及应用”的物理化学实验,涉及到联二炔缔合胶体的制备、联二炔的紫外光致聚合反应和聚联二炔的热致变色,进而显示其在防伪领域的潜在应用价值。希望通过此实验,使学生对物理化学中的缔合胶体、光化学、热力学、动力学等章节有更深一步的贯通性掌握,并了解自组装、光聚合、变色材料和防伪等相关研究领域的前沿动态。     

2种偶氮席夫碱类化合物的合成及其热致变色性质

摘 要 合成了两种偶氮席夫碱类化合物,通过元素分析,核磁共振氢谱,红外光谱表征了其结构, 经紫外光谱测试表明,这两种化合物具有良好的热致变色性质,在恒定温度下,其trans-cis吸收波长的变化和时间的变化有较好的线性关系。     

基于苯乙烯腈结构的可逆力致变色化合物的合成及性能

合成了一种棒形的化合物4,4'-二(α-腈基-4-苯丙氧基苯乙烯)联苯(Ben-DCSB), 利用核磁共振(NMR)、质谱(EI-MS)、傅里叶变换红外光谱(FT-IR)和元素分析等对其进行了结构表征. 对Ben-DCSB重结晶粉末进行研磨后, 其发光颜色从蓝绿色变成黄绿色, 荧光量子效率(Φ_F)从初始的52.7%变为38.7%, 表明该化合物具有力致变色性质. 扫描电子显微镜(SEM)、X-射线衍射(XRD)和荧光寿命等测试结果显示, 这种现象是由于在外界环境刺激下改变了Ben-DCSB在聚集态下的分子堆积结构所造成的. 研磨后的样品暴露在溶剂蒸气(乙醇、二氯甲烷、四氢呋喃或丙酮)或100 ℃温度下放置2 min又能转换回初始状态的蓝绿色荧光, 表明化合物研磨后的样品具有气致和热致变色性能, 且展现出可逆变色性能. 对该化合物进行多次“力-溶剂蒸气刺激”和“力-热刺激”循环实验, 结果显示其具有很好的荧光可逆转换性能. 热分析结果显示化合物Ben-DCSB在194 ℃和212 ℃间存在向列相(纹影织构)的液晶态; 其热分解温度为362 ℃, 表明该化合物具有较好的热稳定性.     

钛凝胶的光致变色和电致变色特性

过渡金属氧化物光致变色［１,２］和电致变色［３－７］材料在图象显示、信息存储以及做为调节光线强弱的“灵巧窗”等方面有着潜在的应用．国内外广大的科研工作者,在新型光电变色材料的寻找和光电变色机理等方面开展了较广泛而深入的研究．目前普遍认为变色机理为双注...     

电致荧光变色材料的主要分类及变色机理

电致荧光变色是指在外加电压作用下材料的发光颜色发生变化的现象,具体表现为荧光的开/关或颜色变换的切换过程。近几年因其在离子传感器、信息显示、生物分析以及光学成像和信息存储等领域的潜在应用,受到科研工作者的广泛关注。电致荧光变色材料可以将电化学信号转变为直接可见的视觉信号,所以也被认为是最有应用前景的智能材料之一。本文阐述了近年来电致荧光变色材料的主要研究进展,专注于介绍电致荧光变色材料的分类(包括双官能团分子、荧光团和聚合物)及其变色机理,并着重讨论了它们的结构特点以及特定的应用。同时提出这类材料具有高的发光对比度、快的响应速度、长期稳定性、多色变化的优点以及在有机光电领域的应用前景,最后概述了这一研究领域的未来发展方向。     

溶致变色法测算线型有机汞化合物的分子二阶极化率(β)

本文报道采用溶致变色法测试12个直线型芳基对硝基苯乙炔基汞化合物(1~12)的分子二阶极化率(β)。测试结果发现, 这些化合物的β值为10^-^2^9esu数量级, 其数值大小与取代基D的电子性质并无直接的关系, 表明从D到NO2并未发生有效的分子内电荷转移。这些化合物的电子吸收光谱中, λmax位于310±7nm范围内, 与具有相近β值的一些有机分子相比, λmax紫移了60nm以上。初步讨论了溶致变色法测试金属有机化合物的β值的适用条件和局限性。     

4,4′-联吡啶多钼酸盐的合成、结构与变色性质

通过水热合成法,合成了4,4′-联吡啶多钼酸盐((4,4′-bipyridine)Mo7O22·H2O)单晶超分子化合物.通过元素分析、热重-差热分析(TG-DTA)、粉末X射线衍射(XRD)、单晶X射线衍射、傅里叶变换红外(FTIR)光谱、紫外-可见漫反射光谱(UV-VisDRS)和电子自旋共振(ESR)技术对其组成、热稳定性、结构、光谱和电子特性进行了表征.实验结果表明:该超分子化合物的分子式为C10H12Mo7N2O23,在空气中320℃以下不分解.属于单斜晶系(空间群为P2/n),晶胞参数为a=1.22561(19)nm,b=0.55222(9)nm,c=1.8385(3)nm,β=103.221(2)°,V=1.2113(3)nm3,Z=2和Dc=3.289g·cm-3.基于F2的最终统计:GOF=0.982,R1=0.0228和wR2=0.0557(I2σ(I)).该单晶超分子化合物由质子化的4,4′-联吡啶阳离子和多金属钼酸盐阴离子[Mo7O22]2-及结晶水组成.它们通过氢键、静电引力和分子间作用力结合在一起的,并构成二维网络结构.样品在光照或加热条件下具有光致变色和热致变色性质.XRD和FTIR证明,变色前后,样品的结构除轻微的畸变外几乎没有变化;而ESR结果表明,光致变色与热致变色的机理可能存在差别.该光致和热致变色的超分子化合物能够为变色机理研究提供参考模型,并在传感器和光敏材料等领域具有潜在应用.     

Al掺杂Sm_3Fe_5O_(12)的合成、结构及热致变色性能

采用高温固相法合成了一系列热致变色材料Sm_3Fe_(5-x_Al_xO_(12)(x=0,0.1,0.3,0.5),通过粉末X射线衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、红外光谱,X射线光电子能谱(XPS)和固体紫外光谱(UV)对产物进行了表征.结果表明,样品在Al掺杂量(x)为0~0.5范围内均能得到纯相,材料中的Fe—O键为主要发色基团,随着温度的升高,样品颜色由黄绿色逐渐变为棕红色,变色区间为室温到240℃.