Удивительный металл

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

Личный портфель

Удивительный металл

Коровкин И.С. 1
1Государственное автономное общеобразовательное учреждение Саратовской области "Гимназия №1"
Ким Е.П. 1
1Государственное автономное общеобразовательное учреждение Саратовской области "Гимназия №1"
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

В настоящее время нельзя представить жизнь человека без металлов. Они играют большую роль. Из металлов изготавливаются посуда, транспорт, украшения, стройматериалы и т.д. Изучая химию, я узнал о свойствах металлов, о которых раньше не подозревал.

Так алюминий и его сплавы применяются в различных областях, например: судостроение, железнодорожный транспорт, автомобильный транспорт, металлургия, строительство, нефтяная и химическая индустрия, электротехника, фармацевтическая индустрия, производство бытовых товаров.

Другой же металл, например, хром применяют в металлургии (в основном как компонент сталей, в частности нержавеющих) и для получения коррозионностойких и механически прочных хромовых покрытий. Соединения хрома применяют в качестве огнеупорных материалов, реактивов, магнитных материалов. Интересным является то, что соединения хрома из-за своей различной окраски применяют при изготовлении пигментов и красителей.

На мой взгляд, самым важным для изучения является то, что один металл - хром в разных соединениях может иметь разную окраску. Как такое может быть?

Эта тема интересна и актуальна тем, что не все металлы обладают такой особенностью как хром, образовывать интенсивно окрашенные растворы и осадки. Поэтому для своего исследования я выбрал растворы солей хрома, которые в разных средах имеют различную окраску.

Объект исследования: элемент «хром» и его соединения.

Методы исследования: теоретический анализ, эксперимент, наблюдение, анализ эксперимента.

Цель работы: исследовать растворы солей хрома и изменение их окраски в разных средах; используя дополнительную литературу выяснить как разные цвета окружают нас.

Задачи:

  • Пользуясь дополнительной литературой изучить историю открытия хрома;

  • На основе периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева изучить строение атома хрома;

  • Пользуясь дополнительной литературой, изучить нахождение хрома в природе;

  • Исследовать соединения хрома и их окраску;

  • Исследовать растворы солей хрома и изменение их окраски в разных средах;

  • Продемонстрировать интеграцию химии, биологии и физики на основе их тесной связи на междисциплинарном и научном уровнях.

История открытия хрома.

Слово «хром» происходит от греческого «крома» – цвет, краска; название дано по яркой разнообразной окраске соединений. Первый минерал, содержащий хром был открыт в 1766 г. близ Екатеринбурга. И.Г. Леманном и был он назван "сибирским красным свинцом". Сейчас этот минерал называется крокоитом, его состав – РbCrО4. Тридцать лет спорили о его составе, пока, в 1797 г. французский химик Луи Никола Воклен не выделил из него металл, который назвали хромом.

Воклен обработал крокоит поташем К2CO3: хромат свинца превратился в хромат калия. Затем с помощью соляной кислоты хромат калия был превращен в окись хрома и воду (хромовая кислота существует только в разбавленных растворах). Нагрев зеленый порошок окиси хрома в графитовом тигле с углем, Воклен получил новый тугоплавкий металл.

Парижская академия наук засвидетельствовала открытие. Но, скорее всего, Воклен выделил не элементарный хром, а его карбиды. Об этом свидетельствует иглообразная форма светло - серых кристаллов.

Название "хром" предложили друзья Воклена, но оно ему не понравилось – металл не отличался особым цветом. Однако друзьям удалось уговорить химика, ссылаясь на то, что из ярко окрашенных соединений хрома можно получать хорошие краски.

Строение атома хрома

Хром находится в VI группе в побочной подгруппе периодической системы элементов.

Строение его электронной оболочки 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d5 4s1.

Порядковый номер 24

Относительная атомная масса равна 52 а.е.м

Атом состоит из 24 электронов, 24 протонов, 28 нейтронов.

Во всех соединениях хром проявляет только положительные степени окисления от +2 до +6, наиболее устойчивыми из которых являются +3 и +6.

Нахождение хрома в природе

По содержанию в природе хром 19-й по химической распространенности элемент, 10-й среди металлов. Встречается только в виде соединений. Содержание хрома в земной коре составляет 0,035% (масс.), в воде морей и океанов – 2. 10-5 мг/л, в мантии Земли-0,0002%. В основных породах содержание хрома достигает лишь 0,02% в кислых – 0,0025%, в осадочных породах (песчаниках) – 0,0035%, глинистых сланцах - 0,009%.

В целом, хром - металл глубинных зон Земли. Известно более 40 хромсодержащих минералов, наиболее распространенные из них хромшпинели, основой которых является хромат FeCr2O4, крокоит PbCrO4, волконскоит Cr2Si4O10(OH)2·nH2O, уваровит Ca3Cr2(SiO4)3, вокеленит Pb2Cu[CrO4]PO4, феникохроит Pb3O(CrO4)2.

PbCrO4 Cr2Si4O10(OH)2·nH2OCa3Cr2(SiO4)3

Pb2Cu[CrO4]PO4 Pb3O(CrO4)2

Основной минерал, из которого в промышленности получают хром, – это хромовая шпинель переменного состава с общей формулой (Mg,Fe)О·(Сr,Al,Fе)2O3:

Неорганическая радуга соединений хрома

Химия тесно связана с другими науками, например: с биологией, физикой, математикой. Что такое цвет в науке химии? Цвет - это специфическая характеристика вещества. Если рассмотреть науку физику и биологию, то цветом называют качественную характеристику электромагнитного  излучения оптического диапазона, определяемую на основании возникающего физиологического зрительного ощущения и зависящая от ряда физических, физиологических и психологических факторов.

Другими словами, цвет — это ощущение, которое получает человек при попадании ему в глаз световых лучей. Поток света с одним и тем же спектральным составом вызывает разные ощущения у людей в силу того, что у них различаются характеристики восприятия глаза, и для каждого из них цвет будет разным.

Восприятие глазом световых лучей

Исаак Ньютон исследовал поток света и обнаружил 7 цветов спектра, то есть обычный свет состоит из лучей разных цветов. В наибольшей степени преломляются лучи с короткими длинами волн – фиолетовые и синие; а слабее – лучи, длины волн которых больше – красные. Ощущение цвета возникает в мозге человека при возбуждении и торможении цветочувствительных клеток-рецепторов глазной сетчатки. У человека 3 вида сенсоров - рецепторов, различающихся по чувствительности и каждый из которых отвечает за восприятие одного цвета - «красного» (750 нм); «зеленого» (540 нм); «синего» (440 нм). Именно изменение цвета помогает выделить блок качественных реакций на различные катионы и анионы

Глаз человека – орган, дающий возможность видеть окружающий мир. Наибольшее количество информации человек получает с помощью органов зрения. И только часть от увиденного (приблизительно 40%) остается в памяти человека.

Каждый из нас видел радугу после дождя. Однако её появление зависит от того, что солнечные лучи отражаются в капельках воды и возвращаются в глаз человека разноцветным спектром.

Цвета спектра создаются световыми волнами различной длины. Каждому цвету соответствует своя длина волны. Томас Юнт (1773-1829 г) первым измерил длины волн разных цветов.

Последовательность спектральных цветов можно легко запомнить: каждый охотник желает знать где Сидит фазан.

К основным цветам относятся: красный, синий, желтый. К дополнительным – зеленый, оранжевый, фиолетовый.

Красный– цвет созидания и жизни, солнца и огня; символ власти и силы.

Синий цвет – символизирует вечность, постоянство, верность, стабильность, мудрость. Цвет неба и моря

Желтый - цвет солнца, тепла, радости и богатства; цветовое воплощение энергии, движения; оказывает стимулирующий эффект на человека; цвет золота; выражает потребность человека в развитии

Зеленый – самый распространенный цвет в природе. Цвет весны и возрождения.

Оранжевый – цвет жизненной энергии и непрерывного движения; отражает радость и счастье; образуется при смешении основных цветов: красного и желтого.

Фиолетовый – образуется при смешении основного красного и дополнительного зеленого цветов. Символом фиолетового цвета считают сову - символ мудрости и мистики.

Так и хром, подобно радуге и спектральным цветам приобретает свою окраску в разных соединениях. Цвет соединений хрома обусловлен подвижностью электрона и возможностью его перехода при поглощении энергии на свободные подуровни. Чем больше электронов в атоме, тем ближе друг к другу находятся электронные уровни, тем меньше различие в энергии этих уровней и соответственно для перехода электрона требуются кванты света с меньшей энергией.

Если хром имеет степень окисления равную +2, то его соединения приобретают бледно – голубой цвет. При степени окисления +3 соединения имеют сине-фиолетовую окраску.

Экспериментальная часть

Опыт 1. Поведение соединений хрома в кислой среде

В пробирку приливаем небольшое количество дихромата калия. Раствор имеет оранжевую окраску:

Затем приливаем раствор сульфита натрия и раствор серной кислоты:

Цвет с оранжевого изменился на сине – фиолетовый, что доказывает образование соли Cr +3:

K2Cr2O7 + 3Na2SO3 + 4H2SO4 → K2SO4 + Cr2(SO4)3 + 3Na2SO4 + 4H2O

Вывод: в данном опыте раствор дихромата калия изменил свою окраску с оранжевого на сине – фиолетовую, т.к. Cr+6 в кислой среде перешёл в соль Cr+3.

Опыт 2. Поведение соединений хрома в щелочной среде

В пробирку приливаем небольшое количество дихромата калия. Раствор имеет оранжевую окраску. Затем приливаем раствор сульфита натрия и раствор гидроксида калия. Цвет раствора изменился с оранжевого на зеленую:

K 2Cr2O7 + 3Na2SO3 + 4KOH +4H2O 2K3[Cr(OH)6] + 3Na2SO4

Вывод: в данном опыте раствор дихромата калия изменил свою окраску с оранжевого на зелёную, т.к. Cr+6 в щелочной среде перешёл в комплексный ион [Cr(OH)6]3-

Опыт 3. Поведение соединений хрома в нейтральной среде

В пробирку приливаем небольшое количество дихромата калия. Раствор имеет оранжевую окраску. Затем приливаем раствор сульфита натрия. Цвет раствора был оранжевым. Для того, чтобы реакция протекла быстрее нагреем пробирку:

В результате нагревания, в нейтральной среде образовался осадок серо – зеленого цвета.

K 2Cr2O7 + 3Na2SO3 +4H2O 2Cr(OH)3 + 3Na2SO4 + 2KOH

Вывод: в данном опыте раствор дихромата калия изменил свою окраску, наблюдали выпадение осадка серо – зеленого цвета. Произошёл переход Cr+6 в гидроксид Cr+3

В данных опытах изучили переход окраски дихромата калия в различных средах:

Опыт 4. Переход хроматов и дихроматов друг в друга

В две пробирки прильём растворы дихромата и хромата калия. Дихромат калия имеет оранжевый цвет, хромат калия – желтый. Для того, чтобы осуществить переход дихромата калия в хромат калия, и наоборот нужно к раствору дихромата калия прилить щелочь. А к раствору хромата калия кислоту.

  1. 2 K2CrO4 + H2SO4 K2Cr2O7 + K2SO4 + H2O

  2. K 2Cr2O7+ 2KOH 2K2CrO4 + H2O

Вывод: данные опыты подтверждают переход хроматов и дихроматов друг в друга. В кислой среде хроматы превращаются в дихроматы. В щелочной среде дихроматы превращаются в хроматы:

Опыт 5. Разложение дихромата аммония - «химический вулкан»

На плитку поместим небольшое количество твердого дихромата аммония, который имеет оранжевую окраску. В центре горки сделаем небольшую впадину, напоминающую жерло вулкана. В эту впадину поместим три спичечных головки и подожжём их:

Наблюдаем изменение окраски твердого твёрдого вещества с оранжевого на темно – зелёную:

(NH4)2Cr2O7=N2+Cr2O3+4H2O

Вывод: в данном опыте при разложении дихромата аммония изменился цвет твердого вещества, т.к. Cr+6 перешёл в оксид Cr+3

Заключение

Изучив литературу и проведя химические эксперименты, можно сделать выводы:

  • свойства элементов, а также образуемых ими соединений зависят от строения атомов. Хром является подтверждением данного утверждения;

  • цвет соединений хрома обусловлен подвижностью электрона и возможностью его перехода при поглощении энергии на свободные подуровни;

  • на примере исследуемого объекта и рассмотренных явлений подтвержден тот факт, химия – это не обособленная от других областей наука. Химия предполагает естественнонаучные исследования, в виде необъятной сети, состоящей из ветвей и узлов, связывающих области физических, химических и биологических наук. Физика, химия и биология объединены общими для них законами природы.

Литература

  1. https://tvorcheskie-proekty.ru/node/3854?ysclid=lt1qm55f9857338719

  2. https://www.adamantsteel.ru/info/articles/vse-ob-alyuminii/

  3. https://bigenc.ru/c/khrom-bf8204

  4. https://заводы.рф/publication/hrom-svoystva-sposoby-dobychi-i-primenenie

  5. https://calorizator.ru/element/cr#:~:text=Хром%20распространён%20в%20земной%20коре%2C,одну%20из%20самых%20высоких%20твёрдостей

  6. Кожина Л.Ф. «Хром и его соединения». Учебно-методическое пособие для студентов направления «Педагогическое образование» профиль «Химия». – Саратов, [Электронный ресурс], 2017. – 48с.

  7. Кожина Л.Ф. «Неорганическая радуга соединений переходных металлов». Учебно-методическое пособие для студентов направления «Педагогическое образование», профиль «Химия». Электронный ресурс. – Саратов, 2019. – 49 с.

Просмотров работы: 45