XI Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Цветная химия. Причины окраски соединений и ионов d-элементов
Автор работы награжден дипломом победителя III степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
«Изучая, экспериментируя, наблюдая,
старайтесь не оставаться у поверхности фактов.
Пытайтесь проникнуть в тайну их возникновения,
настойчиво ищите законы ими управляющие»
И.П. Павлова
Введение
Электроны- это устойчивые элементарные частицы с отрицательным электрическим зарядом, являющиеся составной частью атомов веществ. Движущиеся вокруг ядер атомов электроны образуют энергетические уровни, которые определяют электрические, оптические, химические свойства атомов, ионов и молекул. Важную роль играют электроны, которые принимают участие в образовании химических связей: у атомов элементов главных подгрупп- это электроны внешнего энергетического уровня, у элементов побочных подгрупп- как правило, электроны внешнего и предвнешнего энергетических уровней [1, 5].
С помощью световой, тепловой или иной энергии внешние и частично предвнешние электроны можно привести в возбужденное состояние и тогда происходят настоящие чудеса- вещество или раствор приобретают окраску, излучает видимый свет или другие лучи.
Цель настоящей работы заключалась в изучении некоторых причин существования цвета растворов веществ, испускания видимого света некоторыми веществами и практического использования этих феноменов.
Задачами исследования стали:
1.определение энергии возбуждения электронов у металлов разных групп периодической системы Д.И.Менделеева;
2. изучение проявления явления возбуждения электронов в природе;
3. изучение использования явления возбуждения электронов в науке и практике.
Объектами исследования являлись некоторые соли щелочных, щелочно - земельных, переходных металлов и их растворы; поделочные камни.
Метод исследования- определение энергии возбуждения электронов по цвету пламени.
Прикладная ценность
Установленная в работе связь в ряду: величина энергии возбуждения электронов- строение атома- применение вещества, позволяет
-глубоко изучить причины распространенных свойств и явлений (цвет, свет),
- увидеть межпредметные связи химии, физики, минералогии, искусства.
Таблицы, модели, схемы, которые составлены для работы, могут быть использованы на уроках химии, физики, географии, искусства.
Структура работы
Работа изложена на 14 страницах, содержит 3 рисунка, 2 таблицы, приложение.
Глава 1.
Литературный обзор
Цвета радуги, цветная палитра, цветовое решение интерьера, цветная репродукция - эти словосочетания мы слышим очень часто в повседневной жизни. А цвета есть и в химии!
Словосочетание «цветная химия» - ассоциируется с цветными реакциями, качественными реакциями, реакциями, происходящими с изменением цвета вещества. Наряду с агрегатным состоянием, запахом, прозрачностью, тепло- и электропроводностью, плотностью, температурами плавления и кипения - цвет важное физическое свойство любого вещества.
Изучая в курсе химии 9-го класса раздел «Металлы» [4], я задалась вопросом: «Почему поверенная соль и ее раствор - бесцветные, а медный купорос и его раствор имеют голубой цвет?».
Итак, проблема, которую я планирую решить в ходе исследования - почему одни вещества или растворы имеют цвет, а другие -бесцветные или другими словами: в чем причина существования цвета?
Передо мной растворы веществ, чьи формулы- NaCl, LiClO4, ZnSO4, FeSO4, CuSO4, K2Cr2O7, KCrO4, KMnO4. Это соли, т.к. - это вещества, которые в воде диссоциируют на катионы металлов и анионы кислотных остатков [2]. Невооруженным глазом заметно, что растворы NaCl, LiClO4, ZnSO4, бесцветные; FeSO4 – грязно-желтый, CuSO4 – голубой, K2Cr2O7 - оранжевый, KCrO4 - ярко-желтый, KMnO4 -фиолетовый. Приведу уравнения диссоциации этих солей:
NaCl =Na+ + Cl- ;
LiClO4 =LI+ + ClO4- ;
ZnSO4= Zn2+ + SO4 2- ;
FeSO4 = Fe2+ + SO4 2- ;
CuSO4 = Cu2+ + SO4 2- ;
K2Cr2O7 = 2К+ + Cr2O7 2- ;
KCrO4 = К+ + CrO4 - ;
KMnO4 = К+ + MnO4- ;
Можно сделать вывод о том, что если соли диссоциируют в воде на ионы, то они являются материальными носителями окраски растворов окрашенных солей- FeSO4, CuSO4, K2Cr2O7, KCrO4, KMnO4.
В дополнительной литературе прочитала [7, 9], что существуют ионы, которые в гидратированном состоянии бесцветны-Na+, K+, Zn2- Cl-, NO3-, SO42-и ионы, которые в гидратированном виде окрашены – Cu2+, Fe2+, MnO4-, Cr2O7 2- , Co2+, Ni2+.
Таким образом,первая причина существования окрашенных веществ- ионный состав вещества.
Однако, при некоторых условиях цвет вещества или раствора не проявляется. Когда это бывает? В темноте! С чем это связано? Видимо, цвет вещества - это результат взаимодействия вещества и света. Обратимся к рисунку № 1
Рис.№1 Причина существования окраски веществ
Когда свет солнца падает на вещество, он может полностью отразится от вещества - в этом случае вещество кажется нам белым. Если свет полностью поглощается веществом - мы видим его черным! Но если свет с определенной длиной волны отражается, а свет с другой длиной волны поглощается, то мы видим вещество окрашенным. Окраска вещества определяется длинами волн отраженного от него света.
Поглощение света ионами металлов обусловлено наличием неспаренных d-электронов в этих ионах. Неспаренные электроны поглощают порцию световой энергии и переходят на более высокий энергетический подуровень в пределах уровня (рис.2) [8]. Переход электрона на более высокий подуровень называют возбуждением электрона. Затем электрон спускается на низкий энергетический подуровень и при этом спускает энергию в виде окрашенного света, его мы видим, как цвет вещества.
Рис.2 Возбуждение d-электрона светом
Таким образом, вторая причина существования окраски вещества кроется в строении атома элемента.
А может ли быть другой источник энергии, кроме световой, для возбуждения электронов? Да! Тепловая!
При нагревании вещество также испускает лучи. В 1900 году М.Планк (Германия) высказал предположение, что вещества испускают и поглощают энергию дискретными порциями, названными квантами.
При квантовом переходе из одного энергетического состояния в другое выделяется или поглощается энергия, что объясняет происхождение атомных спектров. Спектр служит одной из важнейших характеристик атома и отражает его внутреннее строение.
Например, при внесении металла или его соли в пламя горелки образующийся пар взятого вещества, состоящий из атомов или ионов металлов, поглощает и испускает фотоны (кванты излучения) с определенной длинной волны λ. Если λ соответствует видимой области спектра, то пламя окрашивается в определенный цвет.
|
λ, нм |
||
|
|
||
|
400 |
фиолетовый |
|
|
|
||
|
450 |
синий |
|
|
|
||
|
500 |
зеленый |
|
|
|
||
|
550 |
||
|
|
желтый |
|
|
600 |
оранжевый |
|
|
|
||
|
650 |
красный |
|
|
|
||
|
700 |
||
|
|
пурпурный |
|
|
750 |
||
|
|
Рис.3 Длина волны λ видимогосвета спектра испускания.
По цвету пламени, сравнивая его со спектром видимой области (рис.3), определяем λ и рассчитываем энергию активации Еа электронов в атомах или ионах исследуемого металла по формуле Планка:
Еа = hν = h(c / λ), где
h =6,6 · 10-34 Дж с –постоянная Планка;
c = 3 · 108 м/с –скорость света.
Глава 2.
Объекты и методы исследования
2.1 Характеристика объектов.
2.1.1. Соли щелочных, щелочноземельного и переходных металлов.
Исследуемые объекты приведены в таблице №1.
|
Соли щелочных металлов |
Соль щелочноземельного металла |
Соли d-элементов |
|
LiClO4 - хлорат лития, соль белого цвета NaCl- хлорид натрия, соль белого цвета |
SrCl2-хлорид стронция, соль белого цвета |
CuSO4-сульфат меди (II), соль белого цвета NiCl2-хлорид никеля (II), соль зеленого цвета ZnSO4-сульфат цинка, соль белого цвета |
Таб. 1 Соли щелочных, щелочноземельного металла, соли d-элементов.
2.2 Методика исследования энергии возбуждения электронов в атомах или ионах металлов
Чистую и предварительно прокаленную стальную проволоку погрузить в соль металла, а затем внести в не коптящее пламя спиртовки. Отметить цвет пламени (Приложение, фото 1-5). Пользуясь рисунком 3 (спектром видимой области), определить длину волн испускаемых фотонов и рассчитать энергию активации электронов атома исследуемого металла [10].
2.3. Полученные результаты и расчеты.
Результаты наблюдений и расчетов занесли в таблицу №2 «Длина волны испускаемых фотонов и энергия активации электронов атомов»
|
Катион металла Меn+ |
Цвет пламени |
Длина волны λ, нм |
Энергия активации электронов Еа, Дж |
|
Li + |
красный |
650 |
3,046 .10-19 |
|
Na + |
желтый |
580 |
3,41 .10-19 |
|
Sr 2+ |
темно-красный |
640 |
3,09.10-19 |
|
Cu 2+ |
ярко-зеленый |
500 |
3,96 .10-19 |
|
Ni 2+ |
зеленый |
500 |
3,96 .10-19 |
|
Zn 2+ |
светло-зеленый |
500 |
3,96 .10-19 |
Таб.2 Длина волны испускаемых фотонов и энергия активации электронов атомов
2.4. Обсуждение результатов.
Из таблицы видно, что самая низкая энергия возбуждения электронов у атомов щелочных металлов, причем среди щелочных металлов уменьшение происходит от лития к натрию. Это закономерно, т. к. в пределах подгруппы щелочных металлов наблюдается рост радиуса атомов и легкость отдачи единственного внешнего электрона.
Энергия возбуждения электронов щелочноземельного металла стронция должна быть больше энергии возбуждения электронов щелочных металлов, т.к. происходит компактизация атомов в пределах периода и увеличение числа внешних электронов до двух.
Самая высокая энергия возбуждения электронов в атомах переходных элементов или d- элементов. Это объясняется особенностью строения атомов: происходит застройка d-подуровней предвнешнего уровня, т.к. s-подуровень их внешнего уровня обычно уже заполнен до того, как начинается заполнение d-подуровней в предшествующем энергетическом уровне. Свойства (например, химические) этих элементов определяются участие электронов обоих указанных энергетических уровней.
Глава 3.
Явление возбуждения электронов и его практическое использование
Каждый элемент имеет характерное только для него распределение электронов в атомах, а, следовательно, и совершенно специфическое расположение электронных энергетических уровней. Отсюда следует, что длины волн и частоты излучения, поглощаемого или испускаемого при перескоках электронов с одного энергетического подуровня на другие, тоже совершенно индивидуальны для каждого элемента.
Это явление используется на практике в фотоэлементах, атомной спектроскопии, люминесцентном освещении, лазере и др. Когда мы любуемся произведениями искусства- поделками из малахита, украшениями из бирюзы-мы в конечном счете любуется результатом возбуждения электронов в ионах металлов.
Фотоэлемент
Малое значение энергии возбуждения электронов щелочных металлов, в частности цезия, широко используется человеком [3]. У цезия внешний электрон может совсем «уйти» с поверхности металла. Работа выхода электрона- энергия ионизации («труд», который затрачивает световой луч, чтобы отнять у атома электрон) у цезия минимальна, а это значит, что он –самый подходящий материал для фотоэлементов – приборов, превращающих лучи света в электрический ток.
Все, кто пользуется услугами метрополитена, каждый день проходят мимо фотоэлементов. Они вмонтированы в контрольные турникеты, устроенные очень просто: с одной стороны— фотоэлемент, с другой — источник света, направляющий луч на своего «визави». Стоит нам, не опустив предварительно жетона или монеты, пересечь луч, фотоэлемент включит механизм рычагов, и они преградят нам путь.
Фотоэлемент — прибор несложный и выполняет разную работу: включает фонари, останавливает станки, открывает двери, сортирует мелкие предметы, подсчитывает число деталей, проплывающих мимо него на конвейере, проверяет, достаточно ли хорошо отшлифована поверхность шариков для подшипников, читает запись на звуковой дорожке киноленты.
Без фотоэлементов немыслима была бы сама идея передачи изображения на сотни и тысячи километров и копирование обратной стороны Луны.
Фотоэлектрические свойства цезия позволили создать интроскоп — прибор, позволяющий заглянуть внутрь непрозрачных тел и заметить в них возможные дефекты. Чувствительность цезия к инфракрасным лучам лежит в основе конструкции «ночезрительных труб» — так М. В. Ломоносов называл приборы, о которых он мог только мечтать. А сегодня оптический «глаз», способный видеть в темноте, помогает человеку ночью вести автомобиль, прицельно стрелять, обнаруживать различные объекты.
Спектроскопия.
При спектроскопии на образец вещества направляют соответствующее излучение (инфракрасное, ультрафиолетовое и др.). Различные химические вещества по-разному поглощают излучение в зависимости от их атомно-молекулярного строения. Это позволяет делать выводы об особенностях химического строения исследуемого вещества на основе анализа его спектра.
Люминесцентное освещение.
Некоторые вещества при возбуждении ультрафиолетовым светом или другими видами излучения испускают видимый свет. Это явление называется люминесценцией. Возбуждающее излучение заставляет электроны в атомах, ионах или молекулах вещества переходить в возбужденные состояния. Когда электроны возвращаются в основной состояние, они испускают видимый свет.
Если возврат в основное состояние происходит сразу же после возбуждения, то такое явление называется флуоресценцией. Однако, еслиэлектроны остаются в возбужденном состоянии и испускают свет только спустя некоторый период времени, явление называется фосфоресценцией.
Лазер.
Простейший лазер состоит из трех частей: рубиновою стержня, лампы-вспышки и пары зеркал, между которыми находится рубиновый стержень; роль этих зеркал выполняют отражающие металлические покрытия, нанесенные на горцы стержня. Одно из покрытий сделано полупрозрачным.
Вспышка импульсной ультрафиолетовой лампы возбуждает электроны в рубиновом стержне. Некоторые из возбужденных электронов немедленно и самопроизвольно возвращаются на более низкие энергетические уровни. При этом они испускают фотоны. Эти фотоны отражаются внутрь рубинового стержня зеркальными покрытиями на его концах и стимулируют испускание фотонов другими возбужденными атомами. Возникает цепная реакция, которая приводит к тому, что все остающиеся возбужденными электроны практически одновременно возвращаются на свои низшие энергетические уровни. Это приводит к появлению чрезвычайно интенсивного импульса света, имеющего строго определенное направление и частоту. Поскольку одно из зеркальных покрытий стержня полупрозрачно, оно позволяет световому импульсу выйти наружу.
Поделочные камни.
Многие поделочные, полудрагоценные и драгоценные камни обязаны своей привлекательной окраской ионам, входящим в их состав [6].
Малахит (рис. 4) -ювелирно-поделочный камень, своим темно-зеленым цветом обязан ионам меди, т.к. малахит- это основный карбонат меди. Название камня произошло от греческого «маляхэ»-мальва, за сходство рисунка на срезе камней с формой листа растения. В России малахит-любимый поделочный камень. Вспомним «Малахитовую шкатулку» П.Бажова: «Под землей у нее палаты каменные, а стены из дорогих самоцветов. Деревья в горы каменные, каменные листья и сучки постукивают. На кустах зеленые колокольца малахитовые и в каждом - сурьмяная звездочка». Из малахита изготавливают художественно-декоративные предметы - например, шкатулки, «малахитовый зал» зал в Эрмитаже.
Бирюза - небесно-голубой цвет камня происходит от входящих в его состав фосфатов меди и алюминия. Название камня происходит от персидского «Фирюза» - победа. Бирюза была известна еще ацтекам и древним египтянам. Особым почетом бирюза пользовалась на мусульманском Востоке. Во времена Булгарского государства и Казанского ханства украшениями из бирюзы были бусы, серьги, броши, браслеты (рис. 5). Эти украшения широко представлены в экспозициях музеев г. Казани [11].
Рис.4 Срез малахитового камня Рис. 5 Украшения из бирюзы
Заключение (выводы)
1.Рассчитаны значения энергии возбуждения электронов в атомах разных металлов.
2.Проанализировано влияние строения атома на величину энергии возбуждения электронов в атомах разных металлов.
3.Показано проявление (цвет и свет) в природе и практическое использование явления возбуждения электронов атомов.
Список использованной литературы
1. Ахметов Н.С. Актуальные вопросы курса неорганической химии. -М.: просвещение, 1991г.
2. Бусев А.И., Ефимов И.П. Определения, понятия, термины в химии. -М.: Просвещение, 1981г.
3. Венецкий С.И. О редких и рассеянных. -М: Металлургия, 1981г., с88-96.
4. Габриелян О.С. Химия, 9 класс. -М.: Дрофа, 2008г., с12-14, 27-68
5. Глинка Н.Л. Общая химия. 30-е изд., испр. - М.: Просвещение, 2003г.
6. Минералы. Из серии «Экскурсии в природу». -М.: Планета, 1978г.
7.Попова А.Ф. Щелочные и щелочно - земельные металлы. -М.: Просвещение. 1966г.
8. Фримантл М. Химия в действии. -М.: Мир, 1991г., т 1 с29-31, т 2 с82, 132, 140, 333.
9. Я познаю мир. Детская энциклопедия: химия. -М.: Астрель, 2002г.
10. http://forum.xumuk.ru/index.php?showtopic=69553
11.www.museum.ru/m1502, сайт Государственного музея изобразительного искусства РТ.
Приложение 1.
Соли металлов окрашивают пламя в различные цвета:
Фото 1. Хлорат лития окрашивает пламя в красный цвет.
Фото 2. Хлорид натрия окрашивает пламя в желтый цвет
Фото 3. Хлорид стронция окрашивает пламя в темно-красный цвет
Фото 4. Сульфат меди (II) окрашивает пламя в ярко-зеленый цвет (изумрудный)
Фото 5. Хлорид никеля (II) окрашивает пламя в зеленый цвет
Фото 6. Сульфат цинка окрашивает пламя в светло-зеленый цвет