XXIV Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

Получение красок на основе синтетических пигментов и исследование их свойств

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Карцева М.А. 1

---

1МАОУ СОШ № 25 г. Балаково Саратовская область

Зимина Л.В. 1

---

1МАОУ СОШ № 25 г. Балаково Саратовская область

Работа в формате PDF

0.9 MB

Автор работы награжден дипломом победителя II степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителя

I Введение

Иоганн Вольфганг фон Гёте однажды сказал: «В отблесках цвета наша жизнь», и это действительно так. Краски отражают саму историю человечества. Они не только украшают наш мир, но и рассказывают о прошлом, культурных изменениях, которые произошли в нем, и социальных контекстах.

Появление синтетических красителей вXIX веке произвело революцию в лакокрасочной промышленности и оказало значительное влияние на ее развитие. Изменилось качество, доступность и разнообразие продуктов, а также экологические аспекты их использования.

За первые шесть месяцев 2024 года объём производства лакокрасочных материалов (ЛКМ) составил немногим более 1159 тыс. тонн и вырос на 4,6% по отношению к аналогичному периоду прошлого года¹.Актуальным на сегодняшний день является использование недорогих синтетических красителей, так как они превосходят органические по многим параметрам и обладают уникальными характеристиками.

В настоящее время художникам также приходится обращаться к знаниям из области химии, в своем проекте мы планируем не просто получить красители на основе синтетических пигментов, но и попробовать нарисовать ими небольшую картину. Таким образом, мы сможем на собственном примере убедиться в эффективности использования полученных красок и их безопасности.

Данный проект будет интересен лицам от 16 до 18 лет.

Актуальность данного проекта:
В настоящее время ЛКМ активно применяются во всех отраслях промышленности, начиная производством смол и лаков и заканчивая пищевыми добавками и консервантами. Современные синтетические краски и покрытия не просто придают эстетичный вид, но и обеспечивают функциональность и долговечность различных продуктов и материалов. В проекте также будут затронуты вопросы экологии и безопасности, связанные с использованием синтетических пигментов.

Цель работы.

Получить краски на основе синтетических пигментов и исследовать их свойства.

Задачи работы.

1. Провести анализ теоретического материала и литературы по теме.

2. Изучить историю создания синтетических красок;

3. Ознакомиться с составом и видами синтетических красителей;

4. Получить красящие химические вещества;

5. Исследовать свойства красок на основе полученных пигментов.

Методы исследования:

• Изучение и анализ научной и научно-популярной литературы;

• Эксперимент;

• Эмпирическое описание;

• Обработка и анализ данных эксперимента;

• Сравнение;

Объект исследования: краски, их состав и свойства.

Предмет исследования: технологии получения красок.

Гипотеза: Возможно ли получить синтетические красители собственного приготовления в условиях школьной лаборатории?

1. Теоретическая часть.
1.1 История создания первых красителей.

История создания первых красок уходит в глубокую древность и тесно связана с развитием человеческой цивилизации. Пещерный человек использовал природные пигменты (охру, уголь). Бурное развитие промышленности в XVIII в. резко повысило спрос на дешевые красители. Первым синтезированным красителем стал Мовеин⁰, полученный в 1856 году. Его применяли для крашения хлопка, шерсти и шелка. Однако людям не всегда удавалось создать безопасные красящие вещества, так вначале XIX века немецкий химик Карл Шееле изобрел удивительный изумрудно-зеленый краситель, названный позже «Шеельским зеленым» (CuAsO3).Оказалось, в его основе был мышьяк - очень опасное, токсичное вещество. Еще одним опасным пигментов стал киноварь(HgS). Его добывали из одноименного кроваво-красного минерала. Как выяснилось позже, киноварь на 85% состоит из ртути, чьи пары вызывают тяжелейшие отравления. Стремление запечатлеть какие-либо изображения росло по мере развития человечества, менялись и способы изготовления составов. Современная красочная промышленность претерпела множество изменений. Сейчас люди все чаще отдают предпочтение синтетическим пигментам. Они стабильны и долговечны, а экономичный расход сырья для пигментов и красок, наделяет товар технологическими преимуществами.

1.2 Состав красок.

В состав любой краски входят не только пигменты и красители прямого действия, но и другие компоненты, наделяющие краски особыми свойствами.

К ним относят: связующие вещества (осуществляют соприкосновение пигментов споверхностью, обеспечивают прочность покрытия), растворители (регулируют консистенцию краски и способствуют ее испарению после нанесения на поверхность), добавки (улучшают характеристики красок, в оновном это антисептики, стабилизаторы, модификаторы и тд.); наполнители (улучшают структуру, увеличивают объем и снижают стоимость красок).

Существует убеждение, что все красящие вещества делятся на нерастворимые пигменты и растворимые красители. Понятие «пигмент» – «краситель» относительно, так как ряд красящих веществ могут растворяться в одних пленкообразователях и не растворяться в других. Применяемые в лакокрасочной промышленности пигменты на 80% являются неорганическими (синтетическими).

1.3 Классификация красителей и пигментов.

Классификация красок и пигментов крайне важна, она позволяет быстро и эффективно выбрать необходимый материал для конкретного применения, способствует стандартизации производства и контроля качества. Классификация может включать информацию о токсичности и опасности отдельных материалов, что способствует безопасности труда и окружающей среды.

1. По происхождению все пигменты делятся на:

1. Натуральные (минеральные) пигменты - неорганические вещества, получаемые из природных источников, которые используются для придания цвета различным материалам, включая краски. Эти пигменты обычно устойчивы к химическим воздействиям. К ним относятся охра, ультрамарин, графит.

2. Искусственные (синтетические) пигменты - химические красящие соединения, созданные в лабораториях или на производственных предприятиях для использования в различных отраслях. Они часто обладают яркими и насыщенными цветами, высокой

2. Классификация⁰ по составу связующего вещества:

-масляные; -известковые и силикатные; -алкидные; -водоэмульсионные; - акриловые;

-силиконовые/ полиуретановые/эпоксидные смолы.

3. По виду разбавителя:

-разводимые водой (акварельная); / разводимые растворителями (масляные – бензин).

4. Классификация по защитным свойствам:

- ингибитивные (грунт-эмали по ржавчине, которые после окисления приобретают свойства грунтовки)// или напротив стимуляторы коррозии (некоторые оксиды железа)

- нейтральные (барит, некоторые оксиды железа).

Таким образом, нам удалось подробно ознакомиться с видами красителей и их свойствами. Полученные знания о свойствах и видах некоторых красителей, а также области их применения, помогут нам при изготовлении собственных синтетических красителей, а также их тестировании.

II.Практическая часть

2. 1. Получение синтетических пигментов в условиях школьной лаборатории.

Цель работы: получение синтетических пигментов

Приборы и материалы: штатив с пробирками, пробирки, химический стакан для приготовления растворов веществ, фарфоровая чаша, плоскодонные колбы, стеклянная палочка, лабораторная воронка, фильтровальная бумага.

Реактивы: (NH₄)₂Cr₂O₇(тв.); растворы FeCl₃, KOH,K₄ [Fe (CN)₆], BaCl₂, H₂SO₄(ср.конц).

Ход работы:

При выполнении работы необходимо соблюдать меры безопасности и правила обращения с лабораторным оборудованием, реактивами.

1.Хромовая зелень

Чтобы получить хромовую зелень, необходимо прокаливать бихромат аммония (NH₄)₂Cr₂O₇при 168–185 °С до появления снопа ярких искр и образования серовато-зелёного оксид хрома (III), также называемого «вулканическим пеплом». Реакция разложения протекает с выделением большого количества тепла, поэтому после поджигания соли она протекает самопроизвольно. (см.Приложение №1)

(NH₄) ₂Cr₂O₇ → Cr₂O₃ + N₂ + 4H₂O

2.Английская красная

Мы смешали раствор хлорида трехвалентного железа FeCl₃ и раствор гидроксида натрия NaOH.( в соотношении 1:1 )В результате выпал плотный бурый осадок гидроксида железа III. (см.Приложение №1)

FeCl₃ + 3NaOH →3NaCl + Fe(OH)₃.

3.Берлинская лазурь

Мы смешали смешать 5мл хлорида трехвалентного железаFeCl₃ с раствором гексацианоферрата калия (желтая кровяная соль)K₄ [Fe (CN)₆] (в соотношении 1:1) В результате реакции выпал осадок насыщенного голубого цвета. (см.Приложение №1)

4FeCl₃ + 3K₄ [Fe (CN)₆] = Fe₄ [Fe (CN)₆]₃↓ + 12KCl.

4.Баритовые белила

Для приготовления белого пигмента необходимо смешать 5 мл хлорида бария BaCl₂ с раствором соляной кислоты H₂SO₄ средней концентрации (в соотношении 1:1). В результате химической реакции выпал белый плотный молочный осадок сульфата бария BaSO4. (см.Приложение №1)

BaCl₂ + H₂SO₄ → BaSO₄ + 2HCl

Далее следует отфильтровать осадки с помощью воронки и бумажного фильтра. После высыхания всех фильтров необходимо собрать полученные пигменты. Таким образом, нам удалось получить цветные пигменты из неорганических веществ, входящие в состав красок.

2.2 Приготовление красок на основе синтетических красителей.

Из пункта № 1.2 «Состав красок» мы узнали, что помимо пигмента в состав красителей входят и другие вещества. Для приготовления красок необходимо смешать полученные синтетические пигменты со связующим веществом, наш выбор остановился на глицерине. Глицерин - неопасный для человека, нетоксичный трехатомный спирт (C₃H₈O₃), он повсеместно встречается в природе, так как является важным компонентом животных жиров и растительных масел. По своей консистенции он достаточно густой и вязкий. Глицерин также выступает в качестве разбавителя и позволяет краске сохнуть дольше.

В полученную смесь следует добавить еще одно вещество – тальк (Mg₃Si₄O₁₀(OH)₂) . Он улучшает внешний вид и долговечность покрытий, Обеспечивает хорошую влаго- и атмосферостойкость, улучшает антикоррозионные свойства покрытий, обеспечивает высокую белизну и стойкость к действию УФ-излучения.

Смешав все полученные пигменты со связующим веществом, у нас получились настоящие синтетические краски разных цветов. Однако в настоящее время недостаточно просто получить краску, ее необходимо протестировать в различных условиях.Тестировать краску, было решено в соответствии с Межгосударственными стандартами. (ГОСТ⁰)

1. 1. Тестирование красок в различных условиях.

Исследование свойств разработанных лакокрасочных материалов проводилось в соответствии с тремя основными ГОСТами: ГОСТ 8784-75 (определение укрывистости), ГОСТ 9.403-2022 (стойкость к воздействию жидкостей) и ГОСТ 19007-2023 (время высыхания). Результаты экспериментов позволили оценить ключевые характеристики и определить область применения созданных красок. (см.Приложение №3)

1. Тест на укрывистость, выполненный по ГОСТ 8784-75 (метод черно-белой шахматной доски), показал, что все испытуемые образцы демонстрируют удовлетворительную укрывистость, относясь к IV типу (<95%). Среди всех образцов наилучшие показатели укрывистости продемонстрировали баритовые белила, обеспечивая наиболее плотное покрытие. Это свидетельствует о хорошей пигментированности и способности эффективно скрывать подложку.

2. Испытания на стойкость к воздействию жидкостей (ГОСТ 9.403-2022) включали воздействие воды, 5%-ного раствора серной кислоты (H₂SO₄) и 5%-ного раствора гидроксида калия (KOH) в течение одной минуты. Все образцы продемонстрировали отличную устойчивость к кислотам и щелочам, не проявляя признаков повреждения или изменения цвета. При этом краски легко удалялись с поверхности водой, что указывает на их водорастворимую природу.

3. Определение времени высыхания (ГОСТ 19007-2023) показало, что краски отличаются относительно быстрым временем высыхания. Баритовые белила высыхали быстрее всего – за 6 минут. Берлинская лазурь потребовала 9 минут, а хромовая зелень и английская красная – 12 минут. Разница во времени высыхания может быть обусловлена различным составом пигментов и связующих веществ.

В целом, проведенные испытания подтверждают, что разработанные краски обладают хорошими эксплуатационными свойствами. Их водорастворимость, устойчивость к кислотам и щелочам, а также относительно быстрое время высыхания делают их пригодными для использования в качестве красок для бумаги средней плотности. Безопасность для человека и окружающей среды является дополнительным преимуществом этих материалов, что подтверждается отсутствием токсичных компонентов в их составе. Несмотря на то, что краски водорастворимы, необходимо избегать контакта с глазами и слизистыми оболочками. Смешивание с водой допустимо, но внутреннее употребление категорически запрещено.

III. Заключение

Проводя данное исследование, мы изучили исторический путь красок, отношение к ним в разные эпохи. Эти знания позволили еще глубже погрузиться в изучаемую тему. Работая над проектом, нам удалось достичь первоначальной цели: самостоятельно изготовить краски в лабораторных условиях и исследовать их качественный состав. Соли многих металлов, так же как и оксиды, являются пигментами художественных красок.

Практическая значимость проекта заключается не только в возможности использования данного материала при изучении школьного курса Химии, но и с целью самостоятельного приготовления красителей и их использования. Многие пигменты, рассмотренные в работе, являются продуктами качественных реакций на состав неорганических веществ. Эта тема четко прослеживается в заданиях ЕГЭ второй части №32. Знания этих реакций необходимы для написания уравнений, описывающих химические процессы этого задания. Данный материал может помочь школьникам с подготовкой к экзамену и доступно рассказать о видах и свойствах некоторых веществ, а также их применении в промышленности.

Рисунок, нарисованный полученными красителями, позволил мне понять, что в настоящее время художнику недостаточно обладать искусными навыками живописи, необходимы также знания в области химии. Актуальным проект делает еще и то, что составы красок и их оттенки веками передаются из поколения в поколения, существует множество семейных бизнесов, связанных с приготовлением собственных красителей. Секреты многих красок художников являются неразгаданной тайной до сих пор.

Гипотеза, выдвинутая в начале работы, подтвердилась, мы пришли к выводу: что создать синтетические красители, имея нужные реактивы, возможно. При этом свойства полученных на их основе красок не сильно отличаются от похожих магазинных аналогов.

В любом случае, тема синтетических красителей очень обширна, мы не собираемся прекращать ее изучение и в дальнейшем планируем усовершенствовать проект, разработать способы улучшения качества создаваемых нами красок.

IV. Список использованной литературы:

1. Гордон П.Ф., Грегори П. Органическая химия красителей: пер. с англ. Ю.М. Славина-Мирского; под ред. Г.Н. Ворожцова. М.: Мир, 1987. 344 с.

2. Семенов В.С., Земскова О.В., Козлова И.В., Зорин Д.А. Лакокрасочные материалы: учебное пособие для обучающихся по направлению подготовки 08.04.01 Строительство. М.: Издательство МИСИ – МГСУ, 2022. 94 с

3. ГОСТ 8784-75. [Электронный ресурс]. Росстандарт. // Каталог национальных стандартов. [Электронный ресурс]. Федеральное агентство по техническому регулированию и метрологии.

4. ГОСТ 9.403-2022. [Электронный ресурс]. Росстандарт. // Каталог национальных стандартов. [Электронный ресурс]. Федеральное агентство по техническому регулированию и метрологии.

5. ГОСТ 19007-2023. [Электронный ресурс]. Росстандарт. // Каталог национальных стандартов. [Электронный ресурс]. Федеральное агентство по техническому регулированию и метрологии.

6. Еремин В.В., Кузьменко Н.Е., Теренин Е.И., Дроздов А.А., Лунин В.В. Химия. 10 класс. Углубленный уровень: учебник. 5-е изд. М.: Дрофа, 2018. 446 с.: ил. — (Российский учебник). С. 169, 55-58.

7. Горловский И.А., Индейкин Е.А., Толмачев И.А. Лабораторный практикум по пигментам и пигментированным лакокрасочным материалам. Л.: Химия, 1990. С. 157.

Приложение №1 «Получение цветных осадков и приготовление красок».

1. Получение зеленого осадка Cr₂O3,приготовление Хромовой зелени.

2. Получение красного осадка Fe(OH)_3, приготовление Английской красной.

3. Получение синего осадкаFe₄ [Fe (CN)₆]₃↓, приготовление Берлинской лазури.

4. Получение белого осадка BaSO_4, приготовление Баритовых белил.

Приложение №2 «Тестирование красок в различных условиях».

1. Определение укрывистости красок по ГОСТ 8784-75.

2. Испытания на стойкость к воздействию жидкостей ГОСТ 9.403-2022.

3.Определение времени высыхания ГОСТ 19007-2023.

_{Приложение № 3 «Рисунок, нарисованный полученными красками».}

Логотип компании «ФосАгро», нарисованный синтезированными красителями.