Хамелеоны химии

XIX Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке

Личный портфель

Хамелеоны химии

Шарипова Д.Д. 1
1МОУ "Гимназия №13"
Ермилова М.А. 1
1МОУ "Гимназия №13"
Автор работы награжден дипломом победителя III степени
Диплом школьникаСвидетельство руководителя
Текст работы размещён без изображений и формул.
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF

Введение

Химия цвета издавна интересовала не только химиков, но и обычных людей. Интересный случай по изменению цвета приключился с первооткрывателем индикаторов Робертом Бойльем. Когда он проводил очередной опыт с реакторами, на его столе стоял букет с фиалками. Когда опыт закончился, Бойль случайно опрокинул свой взгляд на цветы, дымящиеся из-за паров реактора. Чтобы спасти цветы, он опустил их в стакан с водой. И что за чудеса -фиалки, их темно фиолетовые лепестки, стали красными. После уведенного он в строчном порядке приготовил растворы, которые потом переливал в стаканы и в каждый опустил по цветку. В некоторых стаканах цветы мгновенно начали краснеть. Так, был открыт первый индикатор для обнаружения кислот и оснований. Но наука не стоит на месте. Химия цвета заинтересовала и городских жителей, которые стали пытаться применить полученные знания великими учеными у себя в быту. С помощью химических свойств индикаторов стали определять среду растворов различных средств бытовой химии, писали индикаторными веществами пригласительные письма на лепестках цветов. Тогда стали считать, что химия — это ни что иное как магия, познать которую дано не каждому человеку. Исходя из полученных и накопленных наукой знаний, ученые начали классифицировать вещества, способные менять цвет как «хамелеоны» химии.

Выбранная нами тема актуальна по нескольким объективным причинам:

Во-первых, человечество с давних пор интересуется причинами и механизмами превращения и изменения цвета. Многие научные открытия и диссертации осуществлялись именно из-за того, что мнения людей об одном и том же оказывались разными, несмотря на накопленные наблюдения и аналитические материалы. Такие споры возникают и посей день. Появление конструктивных теорий и предположений об изменении цвета стали камнем преткновения многих великих ученых, которые на протяжении многих лет вносят частицу своего неоценимого вклада в развитии химии цвета.

Во-вторых, Третий закон Кларка гласит: «Любая достаточно развитая технология неотличима от магии». Химия раз за разом этот закон подтверждает. Изменение цвета, один из главных признаков реакции, прекрасный пример магического превращения, а популярные фломастеры, меняющие цвет, буквально названы- магическими. То, что кажется сложным и порой необъяснимым с научной точки зрения, на первый взгляд, является на самом деле результатом за счет элементарных химических превращений и химия раз за разом это подтверждает. Благодаря проектной работе мы сможем рассмотреть разновидности магических химических превращений цвета на бумаге.

В-третьих, выбор данной темы был определен моим личным интересом о возможности создания своих письменных принадлежностей, которые будут изменять цвет в зависимости от создания разной среды для индикаторов и фотохромных веществ, основываясь на теории об изменении цвета веществ.

В-четвертых, практическая значимость моего проекта определяется возможностью использования разработанных письменных принадлежностей не только в быту при создания примитивных элементов творчества, но и для учебной деятельности, учащихся 8-9 классов, с целью изучения свойств индикаторов и качественных реакций.

Следовательно, актуальность данной темы определяется тем, что, создав свои собственные письменные принадлежности можно не только убедиться в действительности концепций существующих теорий об изменении цвета, но и продолжить расширять возможности по созданию новых письменных принадлежностей как для человека, так и для вклада в развитие науки, тем самым расширяя горизонты своих возможностей.

Данные противоречия выступают источником проблемы исследования, которая состоит в поиске ответа на вопрос: «Как в условиях школьной лаборатории можно создать свои собственные письменные принадлежности, которые будут изменять цвет на длительный период времени при этом оставаясь безопасными для жизни человека?»

Цель исследования состоит в изучении химических основ колоризации цвета (изменение цвета) веществ при соприкосновении с другими веществами, а также в создании аналога письменных принадлежностей, изменяющий цвет на бумаге разной плотности.

Проблема, объект, предмет и цель исследования определили следующие задачи исследования:

  • составить литературный обзор по поставленной проблеме;

  • изучить причины изменения цвета с точки зрения химических превращений;

  • рассмотреть концептуальные основы теории о изменении цвета;

  • определить понятие индикаторов и фотохромных веществ для реализации продукта по выбранной теме;

  • выявить ряд факторов, влияющих на индикаторные изменения цвета;

  • определить возможные пути создания аналога письменных принадлежностей на бумаге;

  • создать аналог письменных принадлежностей, изменяющих и сохраняющих цвета на бумаге в течение длительно периода времени;

  • оценить объективные достоинства и недостатки предложенного аналога письменных принадлежностей.

Объект исследования: цвет индикаторных веществ при соприкосновении друг с другом на бумаге

Предмет исследования: возможность создания собственных фломастеров в условиях школьной лаборатории, которые при соприкосновении с другим элементом на бумаге, изменит окраску.

В соответствии с характером поставленных задач в работе применены следующие методы исследования: метод теоретического уровня - изучение научной литературы по проблеме исследования, сравнение рассматриваемых объектов исследования, теоретический анализ и синтез явлений, выведенных исследователями аспектов теории, сравнительный анализ, обобщение. Эти способы позволили выявить базовые положения для исследования. Эмпирические методы – эксперимент для подтверждения изложенной ранее теории; статистический: количественный и качественный анализ результатов сравнения и эксперимента на завершающем этапе учебного исследования. Теоретико-эмпирический метод - предметное, физическое моделирование для построения выведенной концепции изменения цвета на теоретико-поисковом этапе исследования.

Глава1. Развитие теории изменении цвета

1.1 Понятие цвета и факторы его образования

Для того чтобы начать говорить о теории, стоит по ближе ознакомиться с терминами, которые будут использоваться далее.

Итак, из школьного курса химии мы знакомы с понятием «цвет» как с физическим свойством химических веществ, которое происходит от возбуждения электронов. Но для полного понимания происходящих процессов внутри молекул нам необходимо лучше разобраться в данном понятии, рассмотреть его более детально со всех сторон, не только со стороны химии, но и других научных дисциплин.

Цвет — это качественная субъективная характеристика электромагнитного излучения оптического диапазона, если говорить о данном понятии с физической точки зрения, но рассматривая это же понятие со стороны химии, мы говорим о физическом свойстве химических веществ, которое в большинстве случаев возникает в результате возбуждения электронов вследствие поглощения энергии химическим веществом. Таким образом, основываясь на представленных определения можно сделать общий вывод понятия «цвет». Цвет — это результат двух физико-химических явлений: с одной стороны это взаимодействие света с молекулами вещества, а с другой стороны это воздействия волн, идущих от вещества на сетчатку глаза.

Для того чтобы полностью разобраться в данном понятии необходимо выделить основные факторы, которые влияют на образование цвета.

  • Первый элемент, который мы рассмотрим это влияние света и длинны волны. Каждой длине волны соответствует определенная энергия, которую несут эти волны [Приложение 1]. Цвет любого вещества определяется длиной волны, энергия которого преобладает в данном излучении. Так, например, длина волны, которая составляет 400-435 нм придает веществу желто-зеленый окрас, но при длине 500-560 вещества становятся красного цвета, что значительно отличается от длины 580-595 нм , когда цвет становиться голубого цвета. При данных диапазонах меняется и цвет поглощенного спектра. От фиолетового до оранжевого. Стоит отметить, что то же самое происходит и в случае окрашенных веществ. Если вещество отражает лучи определенной длины волны, то оно окрашено. Если одинаково поглощается или отражается энергия световых волн всего спектра, то вещество кажется черным или белым.

  • Второй фактор, который влияет на образование цвета это подвижность электронов в молекуле вещества и возможность перехода электронов при поглощении энергии кванта света на еще свободные уровни. Существуют различия принципиального характера между механизмами возникновения цвета у металлов, неорганических соединений и в органических молекулах. Хотя во всех случаях цвет возникает в результате взаимодействия квантов света с электронами в молекулах вещества, но так как состояние электронов в металлах и неметаллах, органических и неорганических соединениях различно, то и механизм появления цвета неодинаков. У металлов для цвета важна правильность кристаллической решетки и возможность электронам относительно свободно двигаться по всему куску металла. Цвет большинства неорганических веществ обусловлен электронными переходами и соответственно переносом заряда от атома одного элемента к атому другого. Основную, решающую роль играет в этом случае валентное состояние элемента, его внешняя электронная оболочка. Также, стоит отметить, что для возникновения цвета имеют значение не электроны отдельных атомов, а состояние системы электронов, охватывающей всю молекулу целиком. Тот или иной цвет вещества означает, что из всего интервала 400-700 нм длин волн пилимого света им поглощаются какие-то определенные кванты, энергия которых в общем то невелика. Из этого в свою очередь следует, что в молекулах окрашенных веществ энергетические уровни электронов довольно близко расположены друг к другу. Если разница велика, то употребляются другие кванты, несущие больше энергии, например, ультрафиолетовые. Такие вещества, как азот, водород, фтор, благородные газы, кажутся нам бесцветными. Кванты видимого света не поглощаются ими, так как не могут привести электроны на более высокий возбужденный уровень. Если бы наши глаза способны были воспринимать ультрафиолетовые лучи, то в таком ультрафиолетовом свете и водород, и азот, и инертные газы казались бы ним окрашенными. Чем больше электронов в атоме, тем теснее друг к другу электронные уровни. Особенно хорошо, если в атоме есть незанятые электронами орбиты. В таком случае для перехода электрона из одного состояния в другое требуются кванты света уже с меньшей энергией, которую несут лучи видимой части спектра.

  • Третий фактор, влияющий на образование цвета-ионное состояние вещества. Цвет зависит и от среды вокруг окрашенных частиц. Катионы и анионы в растворе окружены оболочкой растворителя, который влияет на ион. Например, самая распространенная реакция крахмала и йода.

  • Четвертый фактор - процесс ионизации. Когда молекула приобретает или теряет электроны, передовая молекуле отрицательный или положительный заряд. Ионизированные молекулы притягивают другие молекулы с противоположным зарядом и отталкивают те, которые имеют такой же заряд. Данный процесс можно рассмотреть для щелочей. В таком случае происходит блокировка синих цветов спектра и проявление светло-розовых цветов.

  • Пятый фактор- спектор. Цвет вещества складывается из суммы отраженных волн (или прошедших вещество без задержки), причем интенсивность тех или иных волн может быть различна. Поэтому даже если спектр состоит из одних и тех же волн, но их относительная доля в спектре изменена, то мы видим вещества разного цвета. Лучи, комбинируясь в спектре друг с другом, дадут разную окраску.

  • Выделяют еще несколько причин, про которые не стоит забывать: особенности твердого состояния кристаллических решеток, спектры отражения металлов, атомы, внешнее поле молекул растворителя, поляризация молекулы под действием соседних молекул, влияние поляризации, дефекты кристаллической структуры.

В дальнейшем в исследовательской работе будут использоваться выше представленные термины, факторы, относящиеся к выбранной теме. Поскольку именно на основе этих понятий мы сможем впоследствии свободно понимать, какие способы использовать для создания фломастеров, которые будут изменять цвет.

1.2 История появления теории о изменении цвета

Одна из первых известных нам теорий цвета изложена в коротком трактате «О цвете», написанном в древней Греции. Трактат утверждает, что все цвета существуют в спектре между светом и тьмой, и что четыре основных цвета происходят от четырех элементов: огня, воздуха, воды и земли. Несмотря на ошибочность теории, трактат содержит ряд важных наблюдений. Чуть поздней Исаак Ньютон полностью перевернул традиционные теории о поведении света, когда опубликовал первое издание «Оптики» в 1704 году. Ньютон открыл, что белый солнечный свет является комбинацией всех видимых цветов спектра, а не бесцветным, как считалось ранее. В то время, как Ньютон был заинтересован в научном объяснении цвета, немецкий поэт, мыслитель и естествоиспытатель Вольфганг фон Гёте посвятил свою книгу «Теория цвета» (1810 г.) человекоориентированному анализу восприятия цвета. Проведя серию экспериментов, в которых он измерял реакцию глаза на определенные цвета, Гёте создал, пожалуй, самый известный цветовой круг. Затем многие ученые в течение полувека создавали различные палитры и модели цвета чтобы создать единую и целостную теорию изменения цвета.

1.3 Общее положение теории о изменении цвета

Теория цветности

Это теория о связи цвета химических соединений с их строением.

  • Ощущение цвета возникает при воздействии на зрительный нерв электромагнитных излучений с энергией в пределах от от 400 до 760 нм При этом совместное действие электромагнитных излучений во всём указанном интервале вызывает ощущение белого света, а раздельное действие узких пучков излучений или совокупности излучений, оставшихся после изъятия (поглощения) некоторых из них,—создает ощущение окрашенного вещества.

  • Смещение при изменении строения молекулы соединения в сторону длинных волн, сопровождающееся изменением окраски от жёлтой к красной и далее к синей и зелёной, называется углублением цвета, или батохромным эффектом.

  • Смещение в сторону коротких волн — повышением цвета, или гипсохромным эффектом. Что не скажешь про поглощение света, которое приводит к возбуждению электронов молекул, и, в частности, молекул окрашенного вещества в видимой области спектра 400—760 нм.

  • Разность энергий основного и возбуждённого состояния определяет глубину окраски. А возбуждённое состояние молекул бесцветных веществ возникает при больших значениях энергий, чем в случае молекул окрашенных веществ.

  • Изменение цвета органических веществ объясняется хромофорной теорией согласно которой за окраску органических соединений ответственны группы атомов, содержащие кратные связи. Для этого состояния характерна делокализация связей и зарядов атомов в молекуле, что обусловливает как лёгкость поляризации молекул так и перехода молекулв возбуждённое состояние. Первое определяет интенсивность поглощения света, второе — глубину окраски вещества. В соответствии с указанными положениями, чем длиннее цепь сопряжения в молекуле вещества, тем глубже его цвет.

  • Для неорганических соединений появление окраски может быть связано с наличием сильно выраженной деформацией электронных орбиталей, при котором основную роль играет поляризация анионов,а увеличение деформируемости должно благоприятствовать возникновению цветности.

Глава 2. Хамелеоны в химии

2.1 Химические хамелеоны

Понятие «хамелеон» известно, прежде всего, как биологический, зоологический термин, обозначающий пресмыкающееся, обладающее способностью менять окраску своего кожного покрова при раздражении, перемене цвета окружающей среды. Однако «хамелеонов» можно встретить и в химии.

Вещества-хамелеоны — это вещества, меняющие свою окраску в

химических реакциях и свидетельствующие об изменениях в исследуемой среде. Также очень часто хамелеонов химии называют разновидность окислительно-восстановительных реакций, отличительной чертой которых является изменение цвета раствора. Таким образом можно проследить общие черты животного хамелеонов и веществ — изменение цвета.

С такими веществами были знакомы еще в 1652 году, когда Иоганн Глаубер сообщил о первом описании производстваперманганата калия. В своих наблюдениях он отметил, что диоксид марганца можно подвергать реакции при высоких температурах с щелочью с получением вещества, которое растворяется в воде с образованием зеленого раствора, который медленно переходит в фиолетово-красный. А реакции с хамелеонами химии, наоборот, идут путем восстановления фиолетового перманганата калия сначала до зеленого манганата калия и, в конечном итоге, до коричневого диоксида марганца.

Химическими хамелеонами можно смело назвать соединения трех переходных элементов: ванадия, хрома и марганца. Их необычайные способности — это дело степени окисления и изменением поляризующегося действия, которые они смело могут принимать. Чем выше степень окисления, тем больше поляризующее действие. Что и объясняет разнообразие цветов и изменение характера ионов. Разница в состоянии лишь одного электрона определяет цвет-фиолетово-малиновый или зеленый, но кроме цвета раствора разница определяет окислительно-восстановительные свойства.

Например, хром, с которым происходить нечто похожее. Гидратированный ион хрома Cr2+ является голубым. Он достаточно не устойчив как в растворе, так и в твердом состоянии, но более устойчивым соединением является ацетат хрома- Cr (CH3-COO)2 . Поляризующие действия иона Cr2+ таково, что ацетат приобретает красный цвет. Ион Cr2+ стремиться перейти в Cr3+, который имеет в растворе зеленый цвет, а некоторые другие соединения способны приобретать фиолетовый оттенок, а кислота с Cr6+ вовсе красного цвета. Таким образом, можно пронаблюдать как от голубого неустойчивого иона Cr2+ с восстановительными свойствами до Cr6+ окислителя проходит целая цветовая палитра цветов, поскольку наблюдаются изменения свойств иона из-за определенного состояния электрона. Переход от одной степени окисления к другой делает электронную систему более чувствительной к световым квантам строго определенной энергии, соответствующей разнице энергетических d-подуровней. Многообразие цвета ионных состояний одного и того же элемента доказывает, что это различие довольно тонкое, а подобные цветовые гаммы существуют и у других переходных элементов.

Такие же изменения происходят и у оксида марганца. Ионы MnО2+ имеют светло розовый оттенок. Но ион зарядом 4+ является уже черным цветом, что не скажешь про MnО6+ зеленого цвета.

Так называемые хамелеоны химии — это большая группа химических элементов, обладающий большим разнообразием интересных свойств. Одно из которых мы уже выяснили -разнообразная окраска их соединений и растворов. Но также с помощью их свойств можно различать различные среды веществ, таким образом узнавая, что за таинственное вещество находиться в пробирке. Говоря о таких свойства нельзя не упомянуть и индикаторы, которые также являются хамелеонами в химии.

2.2 Секреты индикаторов и фотохромных веществ

Прежде чем говорить о индикаторах и фотохромных веществах, а также о их свойствах и причинах проявления тех или иных способностях, необходимо поближе ознакомиться с понятиями.

Индикаторы (лат. indicator —показатель, указатель) -соединение, позволяющее визуализировать изменение концентрации какого-либо вещества или компонента, например, в растворепри титровании, или быстро определить pH, и другие параметры. С помощью индикаторов качественно определяют реакцию среды. Впервые индикаторы обнаружил в 17 веке английский химик и физик Роберт Бойль. Чтобы понять, как устроен мир, Бойль провел тысячи опытов. Вот один из них. В лаборатории горели свечи, в ретортах что-то кипело, когда некстати зашел садовник. Он принес корзину с фиалками. Бойль очень любил цветы, но предстояло начать опыт. Он взял несколько цветков, понюхал и положил их на стол. Опыт начался, открыли колбу, из нее повалил едкий пар. Когда же опыт кончился, Бойль случайно взглянул на цветы, они дымились. Чтобы спасти цветы, он опустил их в стакан с водой. И – что за чудеса- фиалки, их темно- фиолетовые лепестки, стали красными. Роберт Бойль не был бы настоящим ученым, если бы прошел мимо такого случая. Ученый велел готовить помощнику растворы, которые потом переливали в стаканы и в каждый опустили по цветку. В некоторых стаканах цветы немедленно начали краснеть. Наконец, ученый понял, что цвет фиалок зависит от того, какой раствор находится в стакане, какие вещества содержатся в растворе. Затем Бойль заинтересовался, что покажут не фиалки, а другие растения. Эксперименты следовали один за другим. Лучшие результаты дали опыты с лакмусовым лишайником. Тогда Бойль опустил в настой лакмусового лишайника обыкновенные бумажные полоски. Дождался, когда они пропитаются настоем, а затем высушил их. Эти хитрые бумажки Роберт Бойль назвал индикаторами, что в переводе с латинского означает «указатель», так как они указывают на среду раствора. Именно индикаторы помогли ученому открыть новую кислоту - фосфорную, которую он получил при сжигании фосфора и растворении образовавшегося белого продукта в воде. Позже, в середине 17 века, ученые самостоятельно научились синтезировать индикаторы, которые использовались не только для научных целей, но и в быту. Люди стали писать на лепестках цветов пригласительные на праздник, а также использовали для тайных посланий.

Благодаря активно развивающийся науке можно выделить несколько типов индикаторов:

  • Комплексонометрический индикатор — это ионохромный краситель, который претерпевает определенное изменение цвета в присутствии специфических ионов металлов. Он образует слабый комплекс с присутствующими в растворе ионами, который имеет значительно отличный цвет от формы, существующей вне комплекса.

  • Металлохромные индикаторы -органические соединения, содержащие в своих молекулах хромофорные группы (следовательно, окрашенные), образующие с ионами металла внутрикомплексные соединения, по цвету отличающиеся от самих индикаторов.

  • Изотопными индикаторами называют вещества, изотопный состав которых отличается от природного, благодаря чему они могут быть использованы в качестве меченых соединений при изучении самых разнообразных процессов и явлений.

  • Адсорбционные индикаторы—это органические красители, адсорбирующиеся на поверхности осадков, образующихся при титровании по методу осаждения, и изменяющие свой цвет при достижении точки эквивалентности

  • Окислительно-восстановительные индикаторы-вещества, которые применяются для определения точки эквивалентности в окислительно-восстановительных реакциях [Приложение 2]. Чаще всего такими индикаторами являются органические соединения, которые проявляют окислительно-восстановительные свойства, и металлоорганические, в которых по достижении определённого потенциала меняется степень окисления металла.

  • Флуоресцентные индикаторы – индикаторы, которые светятся (флуоресцируют) разным цветом в зависимости от рН раствора. Они удобны при исследовании мутных или окрашенных растворов, в которых практически невозможно заметить изменение окраски обычными кислотно-основными индикаторами.

  • Природные индикаторы - индикаторы, которые естественным образом встречаются в окружающей среде

С помощью индикаторов мы можем быстро и достаточно точно контролировать состав жидких сред, следить за изменениями их состава или за протеканием химической реакции. Все эти процессы объясняются несколькими теориями:

  • Диссоциативная (ионная) теория.

По диссоциативной теории Оствальда: индикаторы — это вещества, у которых ионы и неионизированные молекулы имеют различную окраску. Все электролиты, проявляющие индикаторные свойства могут рассматриваться либо как индикаторные кислоты, либо как индикаторные основания. Изменение окраски обусловлено реакцией диссоциации электролита, протекание которой определяется кислотностью среды. Например, Лакмус– индикаторная кислота, причем, неионизированной форме соответствует красная окраска, а ионизированной - синяя.

  • Хромофорная теория

Изменение окраски индикатора связано с обратимыми структурными процессами (изомеризацией), протекающими за счет внутримолекулярных перегруппировок отдельных функциональный групп в молекуле. Каждая из структурных форм (таутомеров) устойчива только в определенном интервале значений рН или других параметров среды, поэтому присоединение или отщепление протона приводит к перестройке молекулы индикатора, в результате которой появляются новые или исчезают существовавшие раньше функциональные группы, ответственные за окраску (хромофоры). Эти особенности объясняют почему изменение окраски ряда индикаторов протекает не мгновенно, а растянуто во времени, поскольку таутомерные превращения – это внутримолекулярные перегруппировки, которые в отличие от ионных реакций (диссоциации) осуществляются медленнее. Функциональные группы, отвечающие за окраску индикаторного вещества, получили название хромоморфных. Функциональные группы, усиливающие или стабилизирующие окраску индикатора, называются ауксохромными. Подобными свойствами обладают: аминогруппы (–NH2) и производные аминов; кислород– и азот–содержащие соединения (–О–CH3; –N(CH3)2; –N(C2H5)2), гидроксогруппы (электронодонорные). Окраска индикатора проявляется ярче, если вещество содержит кроме ауксохромных групп, еще и антиауксохромные (электрофильные) группы, обеспечивающие сдвиг электронной плотности в молекуле. Электрофильными свойствами обладают, например, некоторые кислородсодержащие радикалы (-NO2, -NO, -COCH3).

  • Ионно-хромофорная теория.

Эта теория объединила представления ионной (диссоциативной) и хромофорной теорий. Согласно ионно-хромофорной теории, кислотно-основные индикаторы – слабые кислоты и основания, причем нейтральные молекулы и их ионизированные формы содержат разные хромофорные группы. В водном растворе молекула индикатора способна либо отдавать ионы водорода (слабая кислота), либо принимать их (слабое основание), подвергаясь при этом таутомерным превращениям. При понижении рН (подкисление раствора) равновесие в системе смещается влево в сторону неионизированной формы. Как только она начинает доминировать, раствор приобретает ее окраску. Если раствор подщелачивать (рН увеличивается, а концентрация H+- убывает) – равновесие в системе смещается вправо и доминирующей формой, которая и придает раствору иную окраску, характерную уже для основной формы II. Так кислая форма фенолфталеина (рН = 8,2) – бесцветна, а при переходе в щелочную среду – образуется анион таутомерной основной формы (рН = 10), окрашенный в красно-малиновый цвет. Между этими формами существует диапазон значений рН (от 8,2 до 10), соответствующих постепенному изменению окраски индикатора.

2.3 Применение хамелеонов химии в жизни

В заключительной части проекта на основе полученных и проанализированных данных, в будущем, мы планируем разработать свои собственные фломастеры в условиях школьной лаборатории, которые на бумаге при соприкосновении с другим цветом будут изменять свой окрас на длительный период времени. Благодаря глубокому анализу исследовательской работы, мы прийдем к решению поставленной цели данной работы.

Для того чтобы создавать свои фломастеры нужно подробно изучить состав тех, что уже производят на производстве. [Приложение 3]

Проанализировав данные в представленной таблице, мы поняли, что основой для фломастеров служит пигмент, растворитель и модификатор, который будет сгущать данную консистенцию.

В теории это будет выглядеть так: для фломастеров в будущем мы планируем использовать два компонента: пустой тубус для фломастеров и индикаторы. Для разнообразия мы возьмем в качестве еще одного компонента фотохромные соединения. А для создания цветовой палитры нам необходимы корпусы, которые мы наполним лакмусом, метиловым оранжевым и фенолфталеином, а 3 других корпууса будут наполнены щелочью, соляной кислотой и дистиллированной водой, учитывая, что щелочь и кислота будут предельно допустимой концентрации для безопасности в использовании, что составляет 0,5мл/г. Таким образом, при соприкосновении с другим фломастером мы можем увидеть мгновение изменение цвета на тот, который нам необходим, по итогу чего мы можем получить 7 разных, не повторяющихся цветов. В свою очередь цветовую палитру можно увеличить, если в индикаторы добавить другие красители. Стоит отметить, что другие ионы не помешают проявлению свойств индикаторов. Также в качестве чернил можно использовать хлорид желез, который при взаимодействии с гидрокарбонатом натрия проявит и изменит цвет.

Данный продукт можно использовать не только для творчества, но и для учебной деятельности, а именно для урока по химии в 8 классе по теме индикаторы. Представленные фломастеры будут вызывать интерес среди учащихся, тем самым все более точно и с большим интересом погружать в тему урока, не отвлекаясь на сборку необходимой посуды в целях безопасности во время работы с кислотами и щелочами. К тому же необычная подача материала поможет школьникам в усвоении материала на 59% выше, чем при объяснении материала в классическом формате. Поскольку во время такого урока материал подкрепляется положительными эмоциями, которые благоприятно влияют на запоминание информации, а также во время такого урока необходимо участие самого ученика, а не наблюдение из-за мер безопасности.

Основываясь на приведенные факты можно выделить достоинства и недостатки практического решения полагаясь на теорию реализации :

  • Доступность проведения предложенной реализации теории в исследуемой работе как в условиях школьной лаборатории, так и в домашних условиях

  • Данные предложения полностью безопасны

  • В результате проведенного исследования можно получить точные и достоверные данные, тем самым констатируем факт логичности представленных теорий в работе

  • С помощью наглядности можно более глубоко интерпретировать данные, выход на причины тех или иных процессов, четкое понимание феноменологии явления

  • Возможно использовать в целях обучения

  • Сложно достать нужные реагенты

  • Необходимы специальные приборы для реализации

Заключение

Итак, наше исследование, в котором собраны теоретические и
экспериментальные доказательства теории о изменении цвета, подтвердило правдивость выведенных положений гипотезы о том, что если вещество меняет цвет в зависимости от среды раствора, то можно создать фломастеры, которые будут изменять свой окрас на бумаге.

Мы последовательно решили несколько исследовательских задач:

  • изучить причины изменения цвета с точки зрения химических превращений;

  • рассмотреть концептуальные основы теории о изменении цвета;

  • определить понятие индикаторов и фотохромных веществ для реализации продукта по выбранной теме;

  • выявить ряд факторов, влияющих на индикаторные изменения цвета;

  • определить возможные пути создания аналога письменных принадлежностей на бумаге;

  • создать аналог письменных принадлежностей, изменяющих и сохраняющих цвета на бумаге в течение длительно периода времени;

  • оценить объективные достоинства и недостатки предложенного аналога письменных принадлежностей.

Предпринятое исследование показало, что определенная нами
актуальность темы верна. Люди, которые интересуются не только химией, но и окружающими их явлениями, выполненная работа поможет разобраться с основами теории цвета, причинами его изменения, а также с необычными веществами, которые обладают магическими свойствами.

Что касается оставшегося интереса к теме, он, и правда, не пропал.
Невероятно, но даже в наше время, когда люди настолько далеко продвинулись
в изучении магии цвета (его возможности перехода из более светлого в более темный и наоборот, возможность излучать потоки волн определенной длины волны-список бесконечен), все еще существуют недоказанные,
но, казалось бы, очевидные и не требующие обоснований теории.
Ознакомившимся с моей проектной работой, несомненно, будет интересно
дожидаться нового открытия в этой достаточно обширной теме, которая требует внимания не только со стороны химии, но и других научных дисциплин.

Приобретенные знания и умения помогут мне в дальнейшем при
получении профессии, связанной с изучением химии. Наиболее
интересным из всего процесса работы над проектом было проведение
экспериментальной части доказательства гипотезы, работа с реагентами, наблюдения за реакциями и процессами, которые происходят в это время. Все поставленные задачи были решены, определенные цели по доказательству теории достигнуты. Была доказана актуальность и важность исследования не только для личного интереса, но и для тех, кто любит науку и увлекается тайнами и магией химии.

Список источников и литературы

  1. Фадеев Г. Н. «Химия и цвет» (книга для внеклассного чтения).

Москва, «Просвещение», 1977

  1. Индикаторы, пер. с англ., т. 1-2, М., 1976; Денеш И., Титрование в неводных средах, пер. с англ., М., 1971; Коренман И.М., Новые титриметрические методы, М., 1983. Л. Н. Симонова.

  2. Основы аналитической химии, Крешков А. П., 3 изд., кн. 2, [М.,1971].

  3. Химия.11 класс. Базовый уровень: учеб. для общеобразоват. учреждений/ О.С.Габриелян.-3-е изд., перераб.-М.:Дрофа, 2008.-223 с.:ил

  4. Л.Ю. Аликберова Занимательная химия.-М.:АСТ-ПРЕСС,2002.

  5. Г.И.Штремплер. Домашняя лаборатория.(Химия на досуге).М., Просвещение, Учебная литература.-1996.

  6. Бабич Л.В. ,Бализин С.В.,Гликина Ф.Б. Практикум по
    неорганической химии -М.:Просвещение,1978. – 358 с.

  7. Болотов В.В. Аналитическая химия . Качественный анализ/ В.В.
    Болотов, Е. В. Дынник, Т. В. Жукова и др.; Под общ. ред. В. В.
    Болотова – Х.: Изд-во НФАУ: Золотые страницы, 2002. – 164 с.

  8. Жилин Д.М «Юный химик» .130 опытов с веществами/ Д.М.
    Жилин - .М.: МГИУ, 2001 г.-100 с.

  9. Крешков А. П. «Основы аналитической химии .Качественный
    анализ» /А. П. Крешков. - 3-е изд., перераб. – Москва,  2014. – 524 с.

  10. «Химия для гуманитариев» 10, 11 класс. Н.В. Ширшина

  11. Фадеев Г.Н.  «Химия и цвет». Москва: Просвещение, 1998г.

  12. Хальзова С.А. Конкурсный урок по теме: «Красители». Химия в школе. 2005г. №1.С.29-31.

  13. Предеина В. Все краски. Энциклопедия. Том 17. Химия. Москва: Аванта+, 2000г. С.608-613.

  14. Жебентяев, А.И. Аналитическая химия. Хроматографические методы анализа: Учебное пособие / А.И. Жебентяев. - М.: НИЦ ИНФРА-М, Нов. знание, 2017. - 206 c

  15. Журнал «Квант» Буздин А.И., Кротов С.С. «Что и как мы видим». 1988 № 3. - 34-37с.

  16. Гете, И. В. К учению о цвете. Хроматика. Очерк учения о цвете.

ПРИЛОЖЕНИЕ №1 ТАБЛИЦА «ДЛИНА ВОЛНЫ»

 

ПРИЛОЖЕНИЕ №2 Действие оснований на индикаторы

Приложение №3 ТАБЛИЦА «СОСТАВ ФЛОМАСТЕРОВ»

Спиртовые фломастеры

Водяные фломастеры

Масляные фломастеры

синтетические красители

синтетические красители

масляная основа

модификаторы

модификаторы

модификаторы

растворители

растворители

растворители

консерванты

консерванты

консерванты
Просмотров работы: 869