“群而有集，青出金石。”

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艺术中的化学——

“群而有集，青出金石”

艺术中的化学——“群而有集，青出金石”

关于群青的化学知识

关于群青的化学知识

也许你曾经听说过或是欣赏过《戴珍珠耳环的少女》，这张油画中的蓝色头巾与黑色的背景构成强烈视觉效果，同时也代表了忧郁的情绪，烘托出了少女似有似无的伤感表情。

那么，画中这种明亮纯净的蓝色是从哪里来的？其中又蕴含什么样的化学知识呢？

画中的几抹蓝色皆来自于一种叫做群青（Ultramarine）的颜料，天然群青是利用宝石的青金石磨制成粉末得到的，十分珍贵。同时，它还是一种蓝色无机颜料，由硫磺、粘土、石英、碳等混合烧制成。

这是它的分子式：Na₆Al₄Si₆S₄O，它属于一种晶体，结构基于方钠石型骨架，方钠石的结构特征为β笼状单元通过共面连接成三维骨架。这种骨架能够拆分成两个部分：刚性骨架和活性填充离子。

关于结构的详细介绍~

刚性骨架由硅（Si4+）和铝（Al3+）通过氧原子（O2-）连接，形成笼状阴离子，Si4+和Al3+交替占据四面体顶点，通过O2-桥连接稳定的三维网状结构。

活性填充离子是指在骨架的笼状空隙中，填充着钠离子和硫离子。钠离子用来平衡骨架的负电荷，而硫离子则是决定其颜色和部分化学性质的关键。

*晶体结构示意图↓

这些晶体结构特点也影响着群青这种颜料的特性。

首先，笼状的骨架刚性极强（指分子构象难以发生改变，分子形状相对固定），能够将中间易被氧化且易反应的硫离子牢牢包裹在空隙中，使其难以与外界接触，能够避免硫离子被空气中的氧气、紫外线氧化。这使群青这种颜料能够在大气中长时间不褪色，具有耐光、耐候性。

同时，因为骨架不容易被破坏，所以硫离子也很难发生反应，具有一定的耐酸碱性。但是这种能力是有限的，当群青颜料遇到强氧化性酸（如浓硝酸）时，酸的强氧化性能够穿透骨架，导致结构分解，释放出硫化氢。

当然，水分子同样很难破坏离子键和笼状结构，所以群青不溶于水和有机溶剂，这也是它能够稳定分布在涂料、塑料中的基础。

群青颜色呈天蓝或深蓝的原因~

群青的颜色也与其结构有关。由于晶体笼状骨架中存在硫离子，而笼状结构的空间大小和电子环境又能够固定硫离子的电子跃迁能级，下面这张图是电子跃迁的原理解释↓

*电子跃迁原理解释

*电子跃迁能量变化示意图

但是电子跃迁是有能量匹配原则的，并非随意发生，只能吸收或释放能量与其能极差完全相等的光子。也就是说，当光子能量恰好等于两个能级的能量差时，电子才会吸引光子完成跃迁。然而，等电子吸收特定波长的可见光光子时，未被吸收的光能够反射到我们的眼睛里。

群青这种颜料的结构能够控制硫离子的电子跃迁，而硫代硫酸根和多硫化物粒子的能极差等于橘黄色光的光子能量，使其能够吸收可见光中的橘黄色波段，反射蓝色波段。这也是它能够呈现天蓝色及深蓝色色调的原因。

为什么群青如此昂贵？

群青也被誉为“皇室蓝”、“蓝色黄金”，是欧洲中世纪贵族的专属颜色，可见几百年前它是一种权力和尊贵的象征。

群青昂贵的其中一个原因是由于天然群青（青金石）十分稀少，物以稀为贵且开采难度大、成本高，所以天然群青的价格始终高昂。

不只是天然群青，人工合成的群青价格依旧很高。在现代的科学技术下，合成群青依旧存在成本门槛，生产过程中需要将石英、纯碱、硫磺等原材料在高温下煅烧，批量生产成本高。