[新课标高中化学阅读材料――荧光增白剂]高中化学比较好用的app
时间：2019-01-25 03:48:23 来源：雅意学习网 本文已影响 人 
一、阅读材料―荧光增白剂 环顾四周，常有亮白的墙壁、雪白的纸张和洁白的衣服等白色物品映入眼帘，我们是如何使它们如此洁白的呢？白色衣服穿后会发黄，有什么办法能让它们洁白如初吗？
1.我们看到的颜色是如何产生的
光是色彩的来源,不同波长的光让我们感受到不同的色彩。通过物理课的学习我们已经知道,白光经过三棱镜折射后,可以产生颜色依次为红橙黄绿青蓝紫的谱带，这便是波长范围为400～760nm的可见光。人眼就像一个三色接收器体系，对红、绿和蓝3种颜色最为敏感，这3种颜色按照不同比例混合可以得到大部分颜色，并且这3种颜色相互独立，其中任一颜色不能由其他两种颜色合成。我们常见到的颜色环如图1所示，图中同一直线上的两种色光称为互补光，它们以一定的比例混合即可形成白光。
图1 颜色环
2.洗衣粉中的“味精”―荧光增白剂
从光与色的关系看，白色衣物变黄是因为衣物中残留的汗渍等杂质将白光中的蓝光吸收了，于是与蓝光互补的黄光就凸显出来。要让衣物恢复白色，显然补充蓝光是一种策略。如何才能做到呢？
荧光增白剂―增白洗衣粉的成分之一，就是在光的照射下，通过吸收近紫外光而发射蓝光，使白色重现。
(1)什么是荧光增白剂
荧光增白剂是一种无色荧光染料，在紫外光的照射下，可发射出蓝、紫色光，与基质上的黄光互补从而对基质产生增白效果。根据加色法原理，当两种及以上的光混合时所得到的光的亮度是各组分亮度之和。所以，荧光增白剂不仅可以使织物变白，还可以使它变得更加鲜艳亮丽。
(2)它为什么能发光
在日光照射下，处于基态的荧光增白剂分子吸收紫外光，分子从基态跃迁到激发态，能量升高。高能的激发态不稳定，荧光增白剂分子可通过热辐射等途径降低能态，然后以发射蓝紫光(400～500nm)的方式释放能量，回到基态。所发射蓝紫光便产生上述增白作用。这个过程如图2所示。
图2 光子吸收和荧光辐射过程示意图
(3)它的分子结构有什么特点
荧光分子必须具有的结构特点是：①具备能吸收特定紫外-可见光的特征结构，这要求分子具有共轭体系；②具有高的荧光量子效率(荧光量子效率φλ为发射的荧光量子数与吸收的光量子数之比，表征荧光物质将所吸收的光能转变为荧光的本领。φλ值大小与物质的结构密切相关)。这两点主要由电子共轭程度以及取代基对共轭体系的影响所决定。
例如，反式二苯乙烯(如图3所示)具有发光性质，但是发光效率不高。在苯环对位引入氨基取代基，尤其是引入芳香胺基后，形成烯胺共轭体系(如图4所示)，使共轭区域延伸。这种“氨基共轭效应”使基态更容易跃迁到激发态，并且其发光衰退方式的概率更大，分子的荧光性能大大增强，从而具有了实用价值。
图3 反式二苯乙烯结构图 图4 氨基共轭效应示意图
此外，荧光增白剂在阳光中紫外光和大气中氧气的作用下，容易产生自由基，进而被氧化而失效。解决这个问题的通常做法是在荧光增白剂分子中引入取代基―苯酚基，通过酚基的质子给予作用有效地捕捉系统中生成的高活性自由基，阻止光氧化反应，达到光稳定目的。
Ar-OH + ROO• →ROOH+ Ar―O•
Ar-O• + ROO•→ROO-O-Ar(非自由基产物)
我国生产的第一个荧光增白剂VBL在造纸、棉织品工业中得到广泛使用，它的母体就是反式二苯乙烯，分子中引入了带有特定取代基的芳香胺基，属于二苯乙烯双三嗪类荧光增白剂(DSD-FBs)，图5为这类增白剂的结构通式。这种大共轭体系可以有效吸收紫外线并发射荧光，通过调节取代基(R1，R2，R3，R4)可改善共轭体系的荧光特性，赋予荧光增白剂多种应用性能。在VBL中，取代基R1，R3为C6H5NH―；R2，R4为HOC2H4NH―。
图5 二苯乙烯三嗪氨基类荧光增白剂的结构
(4)如何使DSD-FBs的性能更佳
荧光增白剂在洗涤剂中要达到预期效果，必须具有良好的水溶性、低毒性、不易变质等性能，因此需要通过各种方法对它们进行改性。一种较为成熟的聚合改性方法是用荧光单体与其他单体聚合，形成聚合型荧光增白剂(PFBs)。若R1，R3为烯丙醇基，聚合单体为苯乙烯，得到的DSD-FBs聚合型荧光增白剂结构(如图6所示)。其中，发色团DSD-FBs保持了荧光增白性能，而高分子结构使荧光量子产率显著提高。发色团与高分子链间以共价键相连，使聚合物具有稳定的结构，表现出良好的耐光性、耐湿性及耐有机溶剂性。因此PFBs成为近年的一个研究热点。
图6 一种聚合型荧光增白剂的结构
3.荧光增白剂的未来不仅仅是增白
荧光增白剂不仅具有高效增白作用，近年来其用途有了跨越性拓展，已用于无损伤探伤、分散电镀、保密防伪、集成电路板的刻制、液晶显示器等工业领域。此外，其吸收紫外线功能已用于昆虫病毒的紫外线保护作用研究，其提高病毒本身毒力的功能已用于增强昆虫病毒的杀虫效果研究，这使它的应用范围拓展到了农、林等领域。
4.思维拓展
民间有一种“加蓝增白”的方法，就是将白色衣物洗净后，浸泡在滴有少量蓝墨水的水中，使变黄的衣物增白。根据光与色的关系，这种方法与荧光增白的原理有什么区别？能否根据光强度的差异评价哪种增白方法更好？发黄布、加蓝布及荧光增白布在可见光区的光强度比较如图7所示。
图7 发黄布、加蓝布及荧光增白布在可见光区的光强度比较
二、给教师的知识支持
1.荧光发射原理
如图8所示，荧光分子吸收光被激发至电子激发态(第一电子激发态S1、第二电子激发态S2)的各个振动能级之后不稳定，通常急剧降落至第一电子激发态的最低振动能级。这一过程中，分子之间的撞击消耗了相当于这些能级之差的能量，因而不发光，称为无辐射跃迁，包含振动弛豫、内转换、系间窜越等过程。由第一电子激发态的最低振动能级继续往下降落至基态的各个不同振动能级时，则以发光的形式释放能量，所发光就是荧光。也可从第一激发三重态T1的最低振动能级回到基态S0的各振动能级，以发光的形式释放能量，称为磷光发射。发光过程和无辐射跃迁与物质的结构和环境都有关。荧光发射能否观测得到，取决于荧光去活过程的发射速率与无辐射过程的竞争，如果荧光去活过程比其他去活过程的速度快，就可以观测到荧光。受激分子的主要去活化过程见表1。
图8 分子吸收过程和发射过程的Jablonski能级图
表1 激发态分子的去活过程
去活化形式 过程 释能方式 时间/s
振动弛豫 同一电子能级内，激发态分子以热的形式将能量传递给周围的分子，自身返回该电子能级的最低振动能级。 热能 10-12
内转换 同一多重态的不同电子能级间的一种非辐射跃迁过程，如S2与S1间的转换。 热能 10-12
荧光发射 从第一激发单重态S1的最低振动能级回到基态S0的各振动能级时所产生的光辐射，概率较大。 光辐射 10-8
系间窜越 不同多重态间的非辐射跃迁，是激发态分子改变其自旋态，多重性发生改变的结果。一般是禁阻的。 热能 /
磷光发射 从第一激发三重态T1的最低振动能级回到基态S0的各振动能级时所产生的光辐射，为不同多重态之间的跃迁，属于禁阻跃迁，寿命较长，将激发光移走后还可观察到发光现象(荧光无此现象)。 光辐射 10-4~10
外转换 激发态分子与溶剂分子或溶质分子碰撞产生的能量转换，是荧光和磷光发射的竞争过程，因此该过程使发光强度减弱或消失，称为“猝灭”或“熄灭”。 热能 /
2.荧光与分子结构
强荧光分子一般都具有刚性平面结构，含有较大的π电子共轭体系和斥电子取代基。大多数不含杂原子的芳香族化合物及共轭烯可发生π→π*跃迁，这种跃迁的寿命短(10-9～10-7s)，量子效率高，发光较强。共轭程度越大，荧光峰红移程度越大，荧光强度越大。饱和烃或孤立双键结构化合物不产生显著荧光。刚性平面可以减少分子的振动，降低分子与溶剂分子或其他溶质分子碰撞而去活的概率。斥电子基团(―OH，―OR，―CN，―NH2等)的非键电子轨道与芳香环上的π轨道产生p�π共轭作用，增大共轭程度，使荧光增强，波长红移。而吸电子基团(―COOH，―NO，―NO2，―C=O等)得非键电子轨道与芳环的π轨道不共面，不能增大共轭程度，反而使S1→T1的系间窜越增强，使荧光减弱，磷光增强。但是，―SO3H可增大溶解度而不改变荧光强度，―NH3等基团对分子发光的影响很小。含有N，O和S原子的杂环化合物因含有非键电子，激发过程为n→π*跃迁，其摩尔消光系数小，荧光弱甚至无。但激发态系间窜越强烈，在低温以及极性溶剂中产生较强的磷光。如使非键电子结合质子，可使激发变为π→π*跃迁，因而荧光增强。
参考文献
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