VI Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Цветные реакции в школьной химической лаборатории
Автор работы награжден дипломом победителя II степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Введение
Цель. Получить пигменты для акварельных красок с помощью реакций ионного обмена и окислительно-восстановительных реакций используя химические вещества, имеющиеся в школьной лаборатории.
Задачи.
1. Изучить технологию производства акварельных красок в промышленности.
2. Получить окрашенные вещества на основе цветных реакций.
3. Используя методики приготовления Акварели, приготовить краски в школьной лаборатории.
Актуальность. Темы "Химические свойства классов неорганических соединений" и "Окислительно-восстановительные реакции" достаточно сложны из-за большого объёма информации и необходимости не только запомнить материал, но и глубоко разобраться в нём. Наглядность и творческий подход, представленные в работе, помогли мне освоить эти темы, запомнить цветные реакции, что необходимо для решения заданий в форме ЕГЭ. А мне предстоит сдавать экзамен по химии.
Основная статья.
2.1 История возникновения красок
Появление красок относится к доисторическим временам. Краски были известны задолго до того, как появились письменные сообщения о них. Некоторые красочные изображения на стенах пещерных жилищ сохранились до настоящего времени в относительно хорошем состоянии. В пещере Эль Кастильо в Испании найдены нарисованные на стенах красные диски, предположительно исполненные 34000 - 36000 лет назад. Таким образом, можно считать, что появление красящих веществ было одним из первых открытий на заре цивилизации.
Для наскальной росписи в пещере Ласко (Франция) в качестве красок использовалась природная смесь минералов- охра (от греческого ochros-"желтый"). Окислы и гидраты окислов железа придавали краске желтый или красноватый цвет. Красной охрой, содержащий Fe2O3 (красный железняк), по цвету похожей на кровь, покрывали перед погребением тела усопших. (Современное название красного Железняка -гематит, от греческого haima-"кровь".) Темные оттенки краски получали, добавляя к охре чёрный древесный уголь.
В Древнем Египте, Месопотамии и других странах Древнего мира широко использовались в Минеральные красители. Охру красное жёлтую научились получать из окиси железа, синюю краску получали из синего карбоната, а также из искусственной смеси малахита, кремнезёма, соды и углекислого кальция методом прокаливания. В Месопотамии широко использовались окислы меди, из которых получали зелёную и лазурно-синюю краску. Черную краску изготавливали из продуктов горения: толкли древесный уголь или просто использовали сажу.
Первобытные художники замешивали свои краски на животном жире, чтобы они лучше держались на камне. Полученная таким образом окраска долгое время оставалась липкой и влажной, так как, животные жиры не так легко высыхают на воздухе с образованием твердой пленки, как основы современных красок.
Примитивные краски древних людей очень похоже на современное и по составу, и по методу изготовления. Животные жиры, правда, уже не применяются, но газовая сажа, сходная по составу с обычной сажей, представляет собой наиболее широко распространенный чёрный пигмент. В настоящее время сажа подвергается специальной очистки, и обработки с целью придания слою краски большей прочности и других свойств. Первобытный человек, приготавливая краску, растирал сырьё между плоскими камнями, а в настоящее время используют с этой целью трехвалковые и шаровые мельницы, то есть по существу то же самое- перетирают исходные материалы так, чтобы они подвергались одновременно действии ударных сил и трению.
Древние краски нельзя было хранить дольше одного дня, так как при контакте с воздухом они окислялись и затвердевали. Работать с этими красками было сложно: более тёмные краски с большим содержанием угля высыхали гораздо медленнее, чем оттенки с большим содержанием охры.
2.2 Виды связующих веществ
Связующие вещества, предназначены для создания основы. Они же обеспечивают процесс пленкообразования в лакокрасочных покрытиях. В качестве связующих веществ в красочных составах используют: полимеры - в полимерных красках, лаках, эмалях; каучуки - в каучуковых красках; производные целлюлозы - в нитролаках; олифы - в масляных красках; клей животный и казеиновый - в клеевых красках; неорганические вяжущие вещества - в цементных, известковых и силикатных красках.
1. Полимерные связующие применяют в красочных составах и лаках как самостоятельное связующее, вместе с растворителем и в сочетании с цементом. В качестве полимерных связующих широко используют синтетические смолы, каучуки и производные целлюлозы, растворяемые до требуемой консистенции в органических растворителях. Образование лакокрасочной пленки в этом случае происходит вследствие испарения растворителя.
2. Олифами называют связующие, получаемые из высыхающих масел или некоторых искусственных продуктов, которые после отверждения в тонких слоях образуют прочный и эластичный покровные плёнки. Для ускорения высыхания олифы вводят сиккативы - специальные катализаторы, увеличивающие скорость полимеризации ненасыщенных жирных кислот в олифах.
3. Клей применяется в качестве связующего вещества в водоклеевых красочных составах, для клеевых грунтовок и шпатлевок, а также в качестве стабилизатора при изготовлении красочных водных эмульсий.
2.3 Разновидности красок для живописи.
1. Акриловые краски - воднодисперсионные краски на основе полиакрилатов (преимущественно метил-, этил- и бутилакрилатов), А также их сополимеров в качестве пленкообразователей. Эти краски довольно быстро сохнут, образуя стойкое покрытие, которая не смывается водой и не выгорает на солнце.
2. Акварель. Связующим веществом для акварельных красок служат легко растворимые водой прозрачные растительные клеи - гуммиарабик (вязкая жидкость, затвердевающая на воздухе) и декстрин (полисахарид, получаемый термической переработкой картофельного или кукурузного крахмала). В Качестве пластификатора,(вещество которые вводят в состав полимерных материалов для повышения эластичности и пластичности) в них добавляют глицерин и инвертированный сахар, удерживающие влагу. Без них краски будут легко пересыхать и становятся хрупкими.
3. Гуашь. Художественная гуашь это растертые элементы, с добавлением дистиллированной воды , белил и гуммиарабика. Эта краска обладает прекрасной кроющей способностью, матовостью и бархатистостью. В основе гуашевых красок в качестве добавок в разных количествах применяются белила, что придает им белесоватый вид после высыхания.
4. Масляные краски. Масляные краски производится из пигментов, перетертых в высыхающем масле. По сравнению с другими материалами для живописи масляными красками можно работать существенно дольше - до тех пор, пока они сохраняют влажность. В масляной технике нанесения влажная краска не меняет свой цвет после высыхания.
5. Темперные краски. Темпера (итал. tempera, от латинского temperare-смешивать краски) - водоразбавляемые краски, приготовляемые на основе сухих порошковых пигментов. Связующим веществом темперных красок служат эмульсии- натуральные (разбавленный водой желток куриного яйца или цельное яйцо) или искусственные (высыхающие масла в водном растворе клея, полимеры). По своим свойствам и составу темпера занимает промежуточное положение между акварельными и масляными красками. Темперные краски можно разбавлять водой и писать на бумаге, картоне, а также, как маслом, по грунтованному холсту.
3. Акварель.
Акварель( франц. aquarelle- водянистая) - живописная техника, использующая специальные акварельные краски. При растворении их в воде образуется прозрачная слизь тонко измельченного пигмента, позволяющая создавать эффект легкости, воздушности и тонких цветовых переходов. Акварельные краски наносятся, как правило, на бумагу, которую часто предварительно смачивают водой для достижения особой размытой формы мазка.
Акварельная техника стала развиваться в Китае после изобретения бумаги во втором веке нашей эры. Предшественницей акварельной техники в Европе была роспись по сырой штукатурке (фреска), позволявшая получать сходные эффекты.
В Европе акварельная живопись вошла в употреблении позже других родов живописи. Из первостепенных художников ренессанса значительный след в акварели оставили А.Дюрер, затем акварели отдали дань А.ван Дейк, К.Лоррен и Д.Кастильоне.
Популярность акварели возрасла и в связи с распространившейся во второй половине 18 века моде на портретную миниатюру - жанр, который с успехом начали осваивать многочисленные художники-любители.
Основные качества акварели - прозрачность, мягкость, чистота и яркость цвета. Краска должна хорошо браться влажной кисточкой и легко размывается. Красочный слой должен легко смывается водой с поверхности бумаги или грунта. Акварельная краска, разжиженная водой, должно ровно ложится на бумагу, не образовывая пятен и точек. При действии прямых солнечных лучей краска должна быть светостойкой и не изменять цвета. После высыхания давать прочный, не трескающийся слой. Не проникать на обратную сторону бумаги.
Главные составные части акварельной краски - краситель и вода, но есть и другие обязательные компоненты. Связующими веществами могут служить гуммиарабик, леденцовый сахар, желатин, рыбий клей и так далее. Выбор связующих веществ можно варьировать широко, но высшего качества акварельные краски получаются на чистом гуммиарабике в смеси с сахаром или медом. Обыкновенным берут 2 весовые части гуммиарабика и одну весовую часть сахара.
4. Теоретические сведения о приготовлении красок.
Акварельные краски выпускаются в фарфоровых или пластиковых чашечках и тюбиках. Производство этих видов красок не имеет принципиального различия и в основном проходит через следующие стадии:
1) смешивание связующего с пигментом;
2) перетир смеси;
3) подсушка до вязкой консистенции;
4) наполнение краской чашечек или тюбиков;
5) упаковка.
Для смешивания пигментов со связующим веществом применяются обычно механические смесители с опрокидывающимся кузовом. Для небольших количеств чаще всего замесы приготавливаются в ручную в металлических эмалированных бочках при помощи деревянных лопаток. В смеситель загружается связующее вещество и вводится небольшими порциями пигмент в сухом виде или в виде водной пасты. Перетир акварельных красок производится на 3 вольтовых краскотерочных машинах. Из-за чувствительности некоторых красок к железу рекомендуется применять вальцы из гранита или порфира, а стальной съемочный нож заменять деревянным.
При перетире на краскотерочной машине пигмент тщательно смешивается со связующим веществом в однородную красочную пасту. Качество и количество зависит от смачиваемости пигментов, степени измельчения и твердости пигментов, скорости вращения валов и величины зажатия их.
В производстве акварельных паст пользуются обыкновенно разбавленными растворами связующих веществ, так как при употреблении густых растворов при перетире не достигается получения однородной красочной пасты.
Перетертая краска поступает на подсушку с целью удаления излишней влаги и получения густой пасты для фасовки в чашечке или тубы. Подушка пасты ведется в специальных сушильных камерах или на гранитных плитах при температуре 35 -40С. После удаления части воды сгустившаяся паста раскатывается в ленты толщиной в 1 см, разрезается на отдельные кусочки размером по площади кюветки и укладывается в неё. Сверху краска закрывается листочком целлофана и, наконец, обертывается фольгой и бумагой с этикеткой.
Практическая часть.
5.1 Приготовление связующего вещества.
Существует несколько методик приготовления дескринов. В своей работе я использовала следующую методику.
Для приготовления декстрина необходимо положить крахмал в фарфоровую или эмалированную посуду, поместить в сушильный шкаф и медленно повышать температуру до 1600С (не более 2000С). При этой температуре крахмал необходимо выдержать 1 час 45 минут. В своей работе я использовала обыкновенную газовую духовку.
Крахмал, превращаясь в декстрин, приобретает желтоватый цвет. При более слабом нагреве процесс расщепления будет происходить медленнее, а вот при более сильном крахмал станет подгорать.
Чтобы приготовить клей, я взяла одну часть воды и одну часть декстрина. Воду нагрела до кипения и засыпала в неё декстрин, размешивая до его окончательного растворения. Готовый клей быстро густеет и становится непригодным для употребления.
Чтобы увеличить срок хранения клея, я приготовила его по такому рецепту: 4-5 частей холодной воды смешала с тремя частями декстрина, а потом, постоянно помешивая, состав нагревала и добавила в него одну часть глицерина. Такой клей храниться длительное время в закупоренной стеклянной посуде.
5.2 Приготовление красок.
Для проведения цветных реакций использовали 5%-ные растворы различных веществ, имеющихся в школьной лаборатории.
Для приготовления пигментов полученные цветные осадки отфильтровали и прокалили в фарфоровой чашке. Для получения акварели пигменты смешивали с декстрином, перетирая в ступке.
5.2.1 Получение белых и черных пигментов
Белые осадки. По теории получить белые осадки можно разными способами. Например эти:
1) BaCl2 + Na2SO4 = BaSO4 ↓+ 2NaCl. образуется сульфат бария
2) ZnCl2 + Na2S = ZnS↓ + 2NaCl. образуется сульфид цинка
3) Pb(NO3)2 + 2NaOH = Pb(OH)2↓ + 2NaNO3. образуется гидроксид свинца(2)
4) ZnCl2 + 2KOH = Zn(OH)2 ↓+ 2KCl. образуется гидроксид цинка
5) CaCl2 + H2SO4 = CaSO4↓ + 2HCl. образуется сульфат кальция
6) Sr(NO3)2 + H2SO4 = SrSO4 ↓+ 2HNO. образуется сульфат стронция
7) ZnSO4 + 2NaOH = Zn(OH)2 + Na2SO4. образуется оксид цинка
Мы попробовали все, так как в нашей школьной лаборатории для этого нашлись все необходимые вещества.
Черные осадки.
NiSO4 + Na2S = NiS + Na2SO4. Образуется сульфид никеля(II)
CuCl2 + Na2S = CuS + 2NaCl. Образуется сульфид меди(II)
Pb(NO3)2 + Na2S = PbS + 2NaNO3. Образуетсясульфидсвинца(II)
2AgNO3 + Na2S = Ag2S + NaNO3. Образуется сульфид серебра
Получение коричневых и зеленых пигментов.
Коричневые осадки. В литературе мы нашли несколько разных реакций получения коричневый осадков, но здесь, к сожалению, не все удалось.
1) FeSO4 + 2NaOOCCOOH = Na2SO4 + (HOOCCOO)2Fe. Образуется оксалит железа(2)
2) SnCl2 + Na2S = SnS + 2NaCl. Образуется сульфид олова(II)
3) 2Fe(OH)3 = Fe2O3 + 3H2O. Образуется оксид железа
4) FeSO4 + 2NaOH = Na2SO4 + Fe(OH)2,
2Fe(OH)2 + H2O2 = 2Fe(OH)3. Образуется гидроксид железа(III)
5) 2AgNO3 + 2KOH = Ag2О + H2O + 2KNO3. Образуется оксид серебра
6) 2KMnO4 + 3Na2SO3 + H2O = 2MnO2 + 2KOH + 3Na2SO4. Образуется оксид марганца
Зелёная осадки.
1) Сине-зеленая ярь-медянка.
К раствору медного купороса добавили раствор соды, и в осадок выпал основной карбонат меди(I) (CuOH)2CO3. Его отфильтровали и осторожно, по каплям, добавили уксусную эссенцию до полного растворения осадка. Упарили раствор на небольшом огне почти досуха, не допуская сильного перегрева и разбрызгивания жидкости, а затем охладили. Выпавшие синие зелёные кристаллы высушили.
2CuSO4 + 4NaHCO3 = (CuOH)2CO3 + 2Na2SO4 + 3CO2 + H2O,
(CuOH)2CO3 + 4CH3COOH = 2Cu(CH3COO)2 + CO2 + 3H2O.
Так зеленые пигменты можно получить, проведя следующие реакции:
2) NiSO4 + K2HPO4 = NiHPO4 + K2SO4. Образуется гидрофосфат никеля(II)
3) CrCl3 + 3KOH = Cr(OH)3 + 3KCl. Образуетсягидроксидхрома(III)
4) CoSO4 + 2NaOH = Co(OH)2 + Na2SO4,
Co(OH)2 = CoO + H2O. Образуется оксид кобальта
5)(NH4)2Cr2O7 = Cr2O3 + 4H2O + N2. Образуется оксид хрома(III)
5.2.3 Получение красных, оранжевых и желтых пигментов.
Красные и оранжевые осадки.
1) MnSO4 + Na2S = MnS + Na2SO4 образуется розовый сульфид марганца
2) K2CrO4 + 2AgNO3 = Ag2CrO4 + 2KNO3. Образуется хромат серебра
3) Fe2(SO4)3 + 3K2HPO4 = Fe2(HPO4)3 + 3K2SO4. Образуетсягидрофосфатжелеза(3)
4) CH2OH-(CHOH)4-CHO + Cu(OH)2 = CH2OH-(CHOH)4-COOH + Cu2O + H2O.Образуется оксид меди(1)
Желтые осадки
1) Pb(NO3)2 + 2KI = PbI2 + 2KNO3.Образуется оксид свинца
2) K2Cr2O7 + 2Pb(CH3COO)2 + H2O = 2PbCrO4 + 2CH3COOK + 2CH3COOH. Образуетсяхроматсвинца(2)
3) 2Pb(NO3)2 + K2Cr2O7 + 2CH3COONa +H2O = 2PbCrO4 + 2CH3COOH + 2KNO3 + 2NaNO3. Образуетсяхроматсвинца(2)
4) K2Cr2O7 + 2ZnCl2 + H2O = 2ZnCrO4 + 2KCl + 2HCl. Образуетсяхроматцинка
5) AgNO3 + NaI = AgI + NaNO3. Образуетсяйодидсеребра
6) 2KCl + Na3(Co(NO3)6) = K2Na(Co(NO2)6) + 2NaCl. Образуется
7) BaCl2 + K2CrО4 = BaCrO4 + 2KCl. Образуется хромат бария
5.2.4 Получение синих, голубых и фиолетовых пигментов.
Голубые и синие осадки
1) CuSO4 + 2NaOH = Na2SO4 + Cu(OH)2. Образуется гидроксид меди(2)
2) CuSO4 - 2C17H35COONa = Cu(C17H35COO)2 + 2Na2SO4. Образуетсястеаратмеди
3) 4FeCl3 + 3K4(Fe(CN)6) = Fe4(Fe(CN)6)3 + 12KCl.
Фиолетовые и бирюзовые осадки
1) CoSO4 + K2HPO4 = CoHPO4 + K2SO4. Образуется
2) CuSО4 + K2HPO4 = CuHPO4 + K2SO4. Образуется гидрофосфат меди(2)
Итог работы:
Используя полученные собственными руками акварельные краски я раскрасила ими небольшой рисунок.
7. Выводы
1. Акварельные краски простые в применении, дешёвые.
2. Акварельные краски можно получить в условиях лаборатории.
3. Получить пигментов в лаборатории можно с помощью реакции ионного обмена, а также окислительно-восстановительных реакций.
4. Краски, полученные в лаборатории, имеют сходные свойства красками промышленного производства.
5. Изучение цветных реакций повышает помогает осваивать темы "химические свойства классов неорганических соединений" и "окислительно-восстановительные реакции".
Литература.
Большая советская энциклопедия (в 30 томах). Гл. ред. А.М. Прохоров. Изд.3-е. «Советская энциклопедия».1978. т.1.Экслибрис-Я.я 1978 632 л.
Кирилл и Мефодий. Электронная энциклопедия. Статья «Акварель» из «Энциклопедического словаря Брокгауза и Ефрона» (1890 –1907).
Ольгин О. Опыты без взрывов. Изд. второе, переработанное. – М.: Химия, 1986. – 192 с.
Журнал «Химия» №5 2016 г, статья «Получение акварельных красок» Д.Загирова, с 53-58
www.akvarel.ru
www.lformula.ru
www.peredvizhnik.ru
ru.wikipedia.org/wiki/акварель