Химия и цвет

Химия и цвет

  Азарова Дарья Васильевна

Ямало-Ненецкий автономный округ

Муниципальное образование Тазовский район посёлок Тазовский

Муниципальное  бюджетное образовательное учреждение

Тазовская средняя общеобразовательная школа

9 класс

Содержание

Ведение…………………………………………………………………………………………….3

Основная часть

Спектральный анализ……………………………………………………………………………3

Связь цвета вещества с положением  элемента в периодической системе……………….4

Сравнение интенсивности окраски комплексных соединений меди………………………5

Разноцветные  ионы одного металла…………………………………………………………...5

Почему кровь красная, а трава зеленая…    …………………………………………………..6

Заключение ………………………………………………………………………………………...7

Литература………………………………………………………………………………………….8

Ярко окрашенные цветы, пёстрые бабочки, оперение птиц, окраска рыб…        

Многообразие разноцветий продолжает волновать научный мир. Традиционно изучение света считается привилегией физиков, а сущностью цвета интересуются в основном химики. Я решила совместить, насколько возможно,  понятия «химия» и «цвет» и появилась вот эта работа, в ходе которой я осуществила поставленную цель и подтвердила выдвинутую гипотезу.

Гипотеза: если вещества обладают разнообразием цветовой гаммы, то это определяется состоянием электронов в молекуле химического соединения.

Цель:  объяснить механизм возникновения цвета в зависимости от химических особенностей    веществ.

Задачи: 1) углубленное изучение химии цвета;

2) проведение микроисследования для объяснения механизма возникновения цвета в зависимости от химических особенностей  веществ.

Объект исследования: электронное строение атомов металлов

Предмет исследования: изменение окраски растворов солей  в зависимости от различных факторов.

Ожидаемые результаты: владение сведениями о химических особенностях веществ, проявляемых в виде изменения цвета; навыками экспериментальной деятельности.

Оказывается, основа для объяснения цвета - состояние электронов в молекуле. С позиций электронной теории каждое вещество имеет цвет. Так как способно поглощать какие-то волны из огромного их диапазона. Зрение же человека воспринимает электромагнитные колебания, длины волн которых лежат в довольно узком интервале. Только на электронном уровне становятся понятны принципы учения о цвете.

Цвет имеет непосредственное отношение к краскам и красителям, которые не только украшают нашу жизнь, но и помогают в науке, технике и различных отраслях народного хозяйства. Защищают металлы от разрушения, делают наиболее прочными изделия из полимера и стекла, охраняют нас от вредных веществ, сигнализируя об их появлении изменением своего цвета.

В праздничный вечер (новый год, день победы, день поселка) в небе можно видеть яркий красочный фейерверк. Взлетают вверх и рассыпаются весёлые разноцветные звездочки – салют! Редко кому  приходит при этом  на память химическая лаборатория, где подобный «салют», но в микромасштабах проводят исследователи, чтобы отличить одно соединение от другого. Метод, сущность которого составляет «салют» называется спектральным анализом. Я освоила азы метода, проведя опыт

Спектральный анализ

Что же происходит в ночном небе, когда над нашими головами вспыхивает разноцветие огней? Пиротехнические патроны содержат смеси солей элементов с зажигательным и пороховым зарядом. При трении о воздух происходит возгорание и возникает высокая температура – пламя. Соли металлов сгорают в нем.

Техника выполнения опыта. Приготовила насыщенные растворы солей натрия, калия, кальция, бария. Опускала по очереди в каждый медную проволочку и вносила   её в пламя спиртовки, наблюдала изменение цвета пламени в зависимости от природы металла: литий – малиновый, натрий – желтый, калий – фиолетовый, барий – желто-зеленый, кальций – кирпично-красный.

Объяснение опыта: Ионы металла дают  различные спектры испускания, которые и окрашивают пламя в определённый цвет:

Вывод: изменение цвета пламени зависит от природы металла.       (Приложение 1)

Подобный экспресс-анализ имеет практическое значение: он производится  на металлургических заводах за несколько минут (например, наличие того или иного элемента можно определить в пламени мартеновских печей). Это дает возможность произвести корректировку  химического состава  сплава  в процессе плавки.

Этот  зрелищный опыт продолжился исследованием окрашенных растворов химических веществ (вспомните цвет растворов марганцовки, зелёнки, каких-то других). Я сделала для себя удивительное открытие

 Связь цвета вещества с положением  элемента в периодической системе

Мой учебный опыт свидетельствует:  не имеют цвета (бесцветны) растворы типичных металлов (например, хлорида натрия),  а растворы переходных металлов (например, сульфата меди) имеют окраску.  Почему?  Как выяснилось, это зависит от строения атома.

Техника выполнения опыта. В пять пробирок налила по 2 мл воды и внесла по 0,1 г солей марганца, железа, кобальта, никеля, меди. Перемешала до полного растворения и увидела, что растворы солей различных металлов имеют разную окраску.

Объяснение опыта. При заполнении электронами d -подуровня, происходит спаривание, сопровождающееся переходами электронов. Энергия таких переходов электронов соответствует энергиям квантов видимого света. Поглощение таких квантов из солнечного белого света и определяет цвет ионов.

Вывод: ионы марганца, железа, кобальта, никеля, меди  различаются числом d-электронов и, следовательно,  окраской в растворе.   (Приложение 2)

Чуть позже, я убедилась, что окраска растворов одного и того же вещества определяется  наличием атомов посторонних элементов и случайных примесей.

Сравнение интенсивности окраски комплексных соединений меди

Техника выполнения опыта. Три пробирки заполнила растворами сульфата меди разной концентрации. В одну пробирку 4 мл 1% раствора CuSO4 и 30 мл H2O, в другую  3 мл 1% раствора CuSO4 и 40 мл H2O, а в третью 2 мл 1% раствора CuSO4 и 45 мл H2O.  В первую добавила концентрированной  соляной кислоты – появляется желто-зелёная окраска, во вторую раствор аммиака – появляется синяя окраска, в третью – раствор гексацианоферрата калия – появляется красно-бурый осадок.

Объяснение опыта. Комплексные соединения меди обладают интенсивными полосами поглощения. В зависимости от силы влияния частиц интенсивность и положение полосы поглощения (длина волны) изменяется.

Вывод: изменение цвета раствора вызвано включениями посторонних молекул и ионов.

(Приложение 3)

В ходе дальнейшего исследования окрашенных растворов ко мне пришло понимание: состояние электронов в атоме определяет свойства иона и изменение цвета. Это подтверждают

 Разноцветные ионы одного металла

Техника выполнения.  Приготовила 1% раствор хромата калия, разлила его в две пробирки. Одну – оставила для сравнения, в другую добавила   0,5 мл соляной кислоты. Лимонно-желтая окраска при этом переходит в оранжевую.

Объяснение опыта. Присоединение иона водорода к исходному хромат-иону CrO42- способствует образованию дихромат-иона Cr2O72-  и  это проявляется в окраске раствора (явление димеризации 2CrO42- + 2H+ → Cr2O72- + H2O).

Нечто похожее происходит и с ионами марганца, проявляющими различную степень окисления.

 Mn(2+) раствор бесцветный, Mn(6+)  раствор зелёный, Mn(7+) раствор фиолетово-малиновый.

Вывод: переход от одной степени окисления элемента к другой обусловливает изменение цвета раствора.   (Приложение 4)

Интересно практическое применение этого свойства атома. Если  в морской воде создается повышенная концентрация  марганца, то это сказывается на образовании кораллов, перламутра и жемчуга. В Японии существуют специальные  подводные плантации, где разводят жемчужниц – двустворчатых моллюсков. Работники намеренно насыщают воду ионами марганца для достижения розового оттенка на внутренней поверхности раковин и, как следствие, получения розового жемчуга.

Только на мгновение я задумалась, имеет ли место проявление цвета иона металла где-то ещё, кроме химической лаборатории.  И сразу вспомнила о пигментах.

«Почему кровь красная, а трава зеленая…»1

Эти слова принадлежат Уолтеру Ралею известному своими исследованиями по физике; высказывание имеет такое продолжение: «…это тайны, в которые никто не может проникнуть». В наше время это перестало быть тайной.  Кровь животных и зелень листьев содержат похожие структуры. (Приложение 5)

В основе их лежат пятичленные, так называемые парфириновые циклы, содержащие азот. Четырьмя такими циклами «зажат»  ион металла: в крови таким ионом является ион железа. А в растениях ион магния. В первом случае такая структура обеспечивает красный цвет гемоглобина крови. А во втором – зеленый цвет хлорофилла листьев.

С уроков биологии всем известно, что гемоглобин, содержащий кислород, окрашивает артериальную кровь в ярко-красный цвет, а гемоглобин, лишенный кислорода, придает венозной крови темно-красный цвет.  Это происходит без изменения состояния  иона железа; он находится в одной и той же степени окисления 2+. Если железо окислится до состояния 3+, то гемоглобин приобретает коричневую окраску (вид спекшейся крови). Растения, предки которых произрастали в местах, где кислорода и солнечного цвета не хватало, имеют не зеленый, а фиолетовый цвет. У луковицы, лежащей в темноте, вырастают бледные слегка желтоватые стрелки; они быстро зеленеют, если вынести луковицу на свет. И все-таки в любом  листе содержится хлорофилл, именно он основной участник фотосинтеза.

Цвет крови у некоторых животных не оправдывает своего названия. У глубоководных голотурий она не красная, а голубая – в ней вместо железа содержится ванадий.

Общий вывод по работе:

проведенное мною исследование позволяет заявить - основа появления цвета - подвижность электронов, их способность переходить с одного энергетического уровня на другой, от одного атома к другому. Это утверждение объясняет появление цвета у бесцветной соли, изменение окраски вещества при растворении в воде  или взаимодействии с другими молекулами

1 Фадеев Г.Н. Химия и цвет. Москва. Просвещение. 2003  c. 47-51

В ходе исследования, я выяснила главное – в  молекуле неорганического вещества цвет связан с подвижностью электронов на атомных орбиталях. Работа может иметь продолжение, если поставить целью рассмотрение механизма возникновения цвета в молекулах органических веществ

Трудами таких гениев, как Исаак Ньютон и Альберт Энштейн, была вскрыта природа света. Работами многих поколений химиков установлена связь структуры вещества с наличием у него окраски. Однако и сейчас нельзя утверждать, что вопрос о цвете и свете решен окончательно. Остается еще много неясного, требующего решений. А уж для меня, ученицы 9 класса общеобразовательной школы, даже проведенный эксперимент явился ключом  к пониманию сущности и возникновения цвета.

Я намерена поддерживать свой интерес к  природе цвета,  и неважно,  с какой точки зрения химической, физической, биологической или психологической, потому что очевидно: цвет несёт радость и ощущение красоты окружающего нас  мира.

Литература

Фадеев Г.Н. Химия и цвет. Москва. Просвещение. 2003

http://www.alhimik.ru/read/grosse24.html

http://www.igrateney.ru/?p=158

http://www.alleng.ru/edu/chem1.htm