分子的显色机理

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化学物质的颜色是化学物质的一种物理性质，在大多数情况下，这种性质源于化学物质吸收能量后电子的激发。

通过能量吸收和释放来研究化学结构的学科通常被称为光谱学。

所有原子和分子都能以光子的形式吸收和释放能量，并伴随量子态的改变。吸收或释放的能量等于两个量子态能量之差。量子态有多种类型，例如分子的转动能级和振动能级。然而，人眼可见的能量释放，通常被称为可见光，其波长范围约为380纳米至760纳米（具体数值因人而异），该范围内的光子通常伴随着原子或分子轨道量子态的改变。人眼中的三种颜色感受器控制着我们对光的感知，它们对该波段内不同波长范围的光敏感。

能量和波长之间的关系由普朗克-爱因斯坦关系式决定。

其中E是量子（光子）的能量， f是光波的频率， h是普朗克常数，λ是波长，c是光速。

原子轨道理论、分子轨道理论、配体场理论和晶体场理论都描述了各种量子态能量之间的关系。如果特定波长的光子被物质吸收，那么当我们观察从该物质反射或透射的光时，我们看到的将是它的互补色，即由剩余可见光波长组成的颜色。例如，β-胡萝卜素在454纳米（蓝光）处吸收最大，因此剩余的可见光呈现橙色。

绝大多数简单的无机化合物（例如氯化钠）和有机化合物（例如乙醇）都是无色的。过渡金属化合物通常由于不同能量的d轨道之间的电子跃迁而呈现颜色（参见过渡金属#有色化合物）。有机化合物在共轭程度较高时也容易呈现颜色，因为共轭程度较高会导致最高占据分子轨道（HOMO）和最低未占据分子轨道（LUMO）之间的能隙减小，从而使吸收带从紫外区扩展到可见光区。类似地，颜色也是由于化合物吸收的能量，即电子从HOMO跃迁到LUMO时所致。番茄红素是具有广泛共轭（11个共轭双键）的经典化合物，因此呈现鲜艳的红色（番茄的红色主要来源于番茄红素）。电荷转移配合物由于其他原因也往往呈现非常鲜艳的颜色。

有机化合物的颜色源于其对可见光的吸收，而可见光的吸收直接受有机分子中单双键交替排列的系统（称为共轭体系）控制。

当双键和单键交替出现时，p轨道重叠，允许π电子离域到整个共轭体系。这种离域作用产生了一系列紧密排列的能级，主要涉及HOMO（最高占据分子轨道）和LUMO（最低未占据分子轨道）。

随着共轭双键数量的增加，HOMO 和 LUMO 之间的能级逐渐降低，需要更长的波长光能使电子从 HOMO 跃迁到 LUMO。

每增加一个共轭双键，最大吸收波长通常就会发生偏移波长延长约30nm，从而加深颜色。

β-胡萝卜素（11个共轭双键）：吸收高能蓝光，剩余的透射光呈现橙色。
番茄红素（11个共轭双键）：吸收蓝光和绿光，透射互补的红色光。
视黄醇/维生素A（5个共轭双键）：吸收高能紫光，呈黄色。
小分子（例如乙烯、孤立的二烯）：缺乏扩展共轭，导致它们保持高吸收率，并且严格吸收不可见的紫外线区域，因此是无色的。