Ионы какого металла окрашивают пламя в зеленый цвет

Обновлено: 04.10.2024

Мы знаем, что многие химические элементы добывают из минералов. Прежде чем понять, что есть в минерале, нужно это определить. К тому же, многие химические вещества похожи друг на друга, что затрудняет задачу. Оказывается, существуют реакции, идущие только с определенными элементами. Такие реакции называются качественными. В этой статье рассмотрим основные качественные реакции на ионы неорганических соединений.

План урока:

Основные понятия

Качественная реакция – это реакция, обладающая определенными признаками для того или иного соединения. К таким процессам предъявляется ряд требований: низкий порог чувствительности, специфичность, селективность.

Определять можно ионы. Это заряженные частицы. Если ион заряжен положительно – это катион, если отрицательно – анион. Ионы могут быть простыми и сложными, но у каждого есть специфическая качественная реакция.

Индикаторы

Индикаторы – вещества, которые дают специфический продукт реакции (осадок, газ, соль определенного цвета) с тем или иным ионом.

Определять можно не только конкретное соединение, но и класс, к которому оно относится. Одним из первых индикаторов являются индикаторы среды: фенолфталеин, метилоранж и лакмус. Молекулы этих веществ меняют свою конфигурацию в зависимости от кислотности раствора, на чем основана их индикаторная значимость.

В лабораториях и на производстве часто используют не сам раствор, а бумажку, пропитанную им – индикаторную бумагу. Существует несколько типов таких бумаг:

• Универсальная;
• Фенолфталеиновая;
• Лакмусовая;
• Свинцовая и т.д.

Для каждого вида индикаторных бумажек есть шкала цвета, по которому можно определить значение того или иного результата.

Распознавание катионов щелочных металлов

Для некоторых ионов есть несколько способов их идентификации. Например, ионы щелочных металлов определяются сухим способом – окрашиванием пламени и реакциями в растворах.

Каждый ион щелочного металла окрашивает пламя в определенный цвет:

• натрий – ярко-желтый,
• калий – розово-фиолетовый,
• литий – карминово-красный,
• рубидий – темно-фиолетовый.

Для определения наличия катиона щелочного металла можно провести качественную реакцию. Для каждого катиона используется определенный реактив.

Таблица. Характеристика качественных реакций на ионы щелочных металлов.

Распознавание ионов щелочноземельных металлов

Щелочно-земельные металлы расположены во второй группе таблицы Менделеева. Они, так же, активны, но меньше щелочных. Их распространенность в природе намного выше. К этим металлам относятся: бериллий (Be), магний (Mg), кальций (Ca), стронций (Sr), барий (Ba), радий (Ra).

Раньше первые два металла не относили к группе щелочно-земельных. Последние научные исследования подтвердили их принадлежность к этому ряду.

Эти металлы можно определять окрашиванием пламени, но различить правильный оттенок у некоторых из них довольно трудно:

• Be – красный;
• Mg – ярко-белый (сильное выделение тепла);
• Ca – оранжево-красный;
• Sr – карминово-красный;
• Ba – желтовато-зеленый;
• Ra – темно-красный.

Определение катионов бериллия

Бериллий имеет специфическое строение атома. Его электронная конфигурация больше свойственная инертным газам. Обычных химических реакций для определения этого катиона нет. Бериллий определяют электрометрическим титрованием. При этом, производится титрование (по каплям) бериллия фторидом аммония в кислой среде. Бериллий образует аквафторокомплексы [BeF₄]2 - , удерживая до четырех молекул воды.

Еще одним инновационным способом определения бериллия является нефелометрический метод с применением гидроксида аммиака. При этом получают мутные спеси с дальнейшим определением оптической плотности.

Описанные методы основаны не на химической реакции, а на процессе образования комплексных соединений.

Определение катионов магния

Для определения магния используют сильные щелочи, карбонат аммония или гидрофосфат натрия в присутствии солей аммония.

В первых двух случаях выпадает белый аморфный осадок. Его кристаллы настолько малы, что практически не оседаю на дно, оставаясь взвешенными в водном растворе.

Во втором случае образуется, так же, белый осадок, но крупнокристаллический:

Определение катионов кальция

Для определения кальция чаще всего используют угольную или сернистую кислоту. Образующиеся соли белого цвета и не растворимы в вод. При этом, они хорошо растворимы в других кислотах:

Еще один способ – микрокристаллоскопическая реакция с серной кислотой. Образуются белые кристаллы игольчатой формы.

Определение ионов стронция

Стронций образует белые нерастворимые осадки с серной кислотой, карбонатом аммония:

Также, для индикации используют оксалат аммония. Образующийся белый осадок растворяется во всех кислотах:

Одной из самых ярких реакций на ион стронция является реакция с родизонатом натрия. При этом образуется красно-бурый осадок:

Определение катионов бария

В растворе ионы бария определяют с помощью серной кислоты или ее растворимых солей.

При реакции образуется белый нерастворимый в кислотах осадок. Это микрокристаллоскопическая реакция, можно рассмотреть форму кристаллов под микроскопом.

Определение ионов меди

Для обнаружения ионов меди в растворе соли в него добавляют концентрат аммиачного раствора.

При этом, медь образует комплексную соль ярко-синего цвета.

еще один способ - реакция с гидроксидом натрия. В результате реакции образуется синий студенистый осадок.

При его нагревании происходит разложение с образованием черного оксида меди.

Медь можно определить сухим способов в пламени горелки. Она приведет к окрашиванию пламени в зеленый цвет.

Определение ионов двух- и трехвалентного железа

Железо имеет два основных иона: Fe 2+ и Fe 3+ .

Ионы Fe 3+ можно идентифицировать с помощью трех реактивов. Первый из них – щелочь. При этом образуется красно-бурый нерастворимый осадок:

FeCl₃ + 3NaOH = Fe(OH)₃↓+ 3NaCl.

Другой вариант – желтая кровяная соль K₃[Fe(CN)₆], при взаимодействии с которой трехвалентное железо образует комплексное соединение синего цвета.

Третий вариант – роданид калия (ядовитое вещество). При реакции образуется красная густая соль. Это соединение часто использовали в кинематографе в качестве искусственной крови.

Для определения Fe 2+ используют красную кровяную соль K₄[Fe(CN)₆]. В результате образуется соединение синего цвета (берлинская лазурь).

Определение катионов аммония

Катион аммония необычен тем, что состоят из молекулы аммиака с присоединенным за счет донорно-акцепторной связи водородом. Так, ион имеет вид NH₄ + . Соли аммония применяются в сельском хозяйстве, медицине.

Определить наличие этого катиона можно с помощью индикаторной бумаги. Над раствором соли аммония она синеет.

Значения цветов индикаторной бумаги

Гидроксид аммония – слабое соединение, которое распадается на аммиак и воду. Аммиак обладает характерным запахом (нашатырный спирт), по которому, так же, определяют наличие катиона аммония.

Качественная реакция на катион аммония: NH₄Cl + NaOH → NaCl + NH₃↑ + H₂O

Другой способ индикации – с помощью реактива Несслера– K₂[HgI₄]. При взаимодействии с солями аммония образуется бурый цвет:

Реакция очень чувствительная. При малом содержании катионов аммония, цвет будет желтый.

Качественные реакции на анионы

Сульфат-ион и сульфит-ион

Ионы серной и сернистой кислот дают одинаковую реакцию с растворимыми солями бария – образуется белый осадок:

Различить их можно добавлением к полученному раствору азотной кислоты. Осадок сульфита бария растворится с образованием газа, а сульфата – нет.

Хлорид-, бромид-, йодид-ион

Для определения этих ионов используют один реактив – нитрат серебра. Во всех трех случаях выпадает творожистый осадок, но цвет у каждого – свой. Фторид-ион осадок с этим реактивом не дает.

Для индикации фторида используют нитрат кальция. При этом образуется белый осадок:

Карбонат-ион

Карбонат-ион определяется в две стадии. Первая – получение угольной кислоты:

Эта кислота слабая и быстро диссоциирует с образованием воды и углекислого газа.

Вторая реакция – пропускание выделяемого газа через известковую воду. Углекислый газ приводит к ее помутнению из-за образования нерастворимого карбоната кальция:

Фосфат-ион

Фосфат-ион определяется с помощью нитрата серебра. При взаимодействии образуется ярко-желтый осадок:

Цвет пламени при горении соединений, содержащих металлы - стронций, литий, кальций, натрий, железо, молибден, барий, медь, бор, теллур, таллий, селен, мышьяк, индий, цезий, рубидий, калий, свинец, сурьма, цинк. Цвет пламени спирта.

Цвет пламени при горении соединений, содержащих металлы - стронций, литий, кальций, натрий, железо, молибден, барий, медь, бор, теллур, таллий, селен, мышьяк, индий, цезий, рубидий, калий, свинец, сурьма, цинк. Цвет пламени спирта.

Про спирт: хотя чистый этиловый спирт горит синим пламенем, а метиловый спирт горит зелёным пламенем - технические присадки поменяют цвет в соответствии с таблицей ниже, что не позволяет достоверно отличить метиловый спирт от этилового по цвету пламени, да и остальные способы малонадежны. Не пейте неизвестно какой спирт - вероятность умереть, если это метанол, выше 80%.

Металл, входящий в соединение	Цвет пламени
Стронций Sr	Темно-красный
Литий Li	Малиновый
Кальций Ca	Кирпично-красный
Натрий Na	Желтый
Железо Fe	Светло-желтый
Молибден Mb	Желто-зеленоватый
Барий Ba	Желтовато-зеленый
Медь Cu	Ярко-зеленый или сине-зеленый
Бор B	Бледно-зеленый
Теллур Te	Зеленый
Таллий Tl	Изумрудный
Селен Se	Голубой
Мышьяк As	Бледно-синий
Индий in	Сине-фиолетовый
Цезий Cs	Розово-фиолетовый
Рубидий Rb	Красно-фиолетовый
Калий K	Фиолетовый
Свинец Pb	Голубой
Сурьма Sb	Зелено-синий
Цинк Zn	Бледно сине-зеленый

Дополнительная информация от Инженерного cправочника DPVA, а именно - другие подразделы данного раздела:

Если Вы не обнаружили себя в списке поставщиков, заметили ошибку, или у Вас есть дополнительные численные данные для коллег по теме, сообщите , пожалуйста.
Вложите в письмо ссылку на страницу с ошибкой, пожалуйста.

Опыты: Цветное пламя

Очень красивый научный эксперимент от профессора Николя "Цветное пламя" позволяет получить пламя четырех разных цветов, используя для этого законы химии.

Набор интереснейший, мы действительно на пламя насмотрелись, удивительное зрелище! Интересно всем: и взрослым, и детям, так что очень рекомендую! Плюс в том, что этот опыт с огнём можно провести и дома, не обязательно выходить на улицу. В наборе есть чашки-плошки, в которых горит таблетка сухого горючего, всё безопасно, и на деревянном полу (или столе) можно поставить. Из серии опытов профессора Николя.

Лучше, конечно, под присмотром взрослых опыт проводить. Даже если дети уже немаленькие. Огонь всё же - штука опасная, но при этом . жутко (тут именно это слово подходит очень точно!) интересная!

Фото упаковки набора смотрите в галерее в конце статьи.

Набор 'Цветное пламя' содержит все необходимое для проведения эксперимента. В набор входят:

• иодид калия,
  
• хлорид кальция,
  
• раствор соляной кислоты 10%,
  
• сульфат меди,
  
• нихромовая проволока,
  
• медная проволока,
• хлорид натрия,
  
• сухое горючее, чашка для выпаривания.

Единственное, есть у меня некоторые претензии к производителю - я ожидала найти в коробочке мини-брошюру с описанием химического процесса, который мы здесь наблюдаем, и объяснение, почему пламя становится цветным. Такого описания здесь не оказалось, так что придётся обратиться к энциклопедии по химии (обзор книг по химии здесь). Если, конечно, будет такое желание. А желание у старших детей, конечно, возникает! Младшим детям, конечно, никакие объяснения не нужны: им просто очень интересно смотреть, как меняется цвет пламени.

На обратной стороне коробки-упаковки написано, что нужно делать, чтобы пламя стало цветным. Сначала делали по инструкции, а потом стали просто пламя разными порошками из баночек посыпать (когда убедились, что всё безопасно) - эффект потрясающий. Всполохи красного пламени в жёлтом, ярко-салатовое пламя, зелёное, фиолетовое. зрелище просто завораживает.

Очень здорово покупать на какой-нибудь праздник, это гораздо интереснее любой петарды. И на новый год будет очень здорово. Мы жгли днём, в темноте было бы ещё эффектнее.

Реактивы у нас после сжигания одной таблетки ещё остались, так что, если взять другую таблетку (купить отдельно), можно повторить опыт. Глиняная чашка отмылась довольно хорошо, так что её на много опытов хватит. А если вы на даче, то порошок можно посыпать и на огонь в костре - он тогда, конечно, быстро кончится, но зрелище будет фантастическое!

Добавляю краткую информацию о реактивах, которые идут в комплекте с опытом. Для любознательных детишек, которым интересно узнать больше.

Окрашивание пламени

Стандартный способ окрашивания слабосветящегося газового пламени - введение в него соединений металлов в форме легколетучих солей (обычно, нитратов или хлоридов):

желтое - натрия,

красное - стронция, кальция,

зеленое - цезия (или бора, в виде борноэтилового или борнометилового эфира),

голубое - меди (в виде хлорида).

В синий окрашивает пламя селен, а в сине-зеленый - бор.

Температура внутри пламени различна и с течение времени она меняется (зависит от притока кислорода и горючего вещества). Синий цвет означает что температура очень высокая до 1400 С, желтый - температура чуть меньше, чем когда синее пламя. Цвет пламени может меняться в зависимости от химических примесей.

Цвет пламени определяется только его температурой, если не учитывать его химический (точнее, элементный) состав. Некоторые химические элементы способны окрашивать пламя в характерный для этого элемента цвет.

В лабораторных условиях можно добиться совершенно бесцветного огня, который можно определить лишь по колебанию воздуха в области горения. Бытовой же огонь всегда "цветной". Цвет огня определяется температурой пламени и тем, какие химические вещества в нём сгорают. Высокая температура пламени дает возможность атомам перескакивать на некоторое время в более высокое энергетическое состояние. Когда атомы возвращаются в исходное состояние, они излучают свет с определённой длиной волны. Она соответствует структуре электронных оболочек данного элемента.

Голубой огонек, например, который можно видеть при горении природного газа, обусловлен угарным газом, который и придаёт пламени этот оттенок. Угарный газ, молекула которого состоит из одного атома кислорода и одного атома углерода, является побочным продуктом горения природного газа.

Калий - фиолетовое пламя

Калий (нем. Kalium, франц. и англ. Potassium) — один из важнейших представителей группы щелочных металлов.

Калий — металл наиболее электроположительный после рубидия и цезия. В чистом сухом воздухе при обыкновенной температуре он не изменяется, в обычном — покрывается слоем едкого калия и углекислой его соли; в свежем разрезе в темноте светится, а в тонких пластинках окисляется столь быстро, что может загореться; расплавленный и нагретый, он также горит; пламя его обладает фиолетовым цветом. Вследствие такой склонности к окислению и является необходимым сохранять его под нефтью.

Открывают присутствие калия по фиолетовой окраске газового беcцветного пламени, которая получается при внесении в пламя его соединений, особенно галоидных, на ушке платиновой проволоки (вот почему в опыте нужно вносить калий в пламя на проволоке - эффект изменения цвета пламени тогда заметнее); в присутствии солей натрия окраску наблюдают через синее кобальтовое стекло или через раствор индиго, помещенный в призматический стеклянный сосуд. Спектр пламени характеризуется двумя линиями - красной и фиолетовой.

Кальций хлористый - красное пламя

При нагревании на воздухе или в кислороде кальций воспламеняется и горит красным пламенем с оранжевым оттенком. С менее активными неметаллами (водородом, бором, углеродом, кремнием, азотом, фосфором и другими) кальций вступает во взаимодействие при нагревании.

При внесении в пламя растворимых солей кальция пламя окрашивается в кирпично-красный цвет.

При нагревании в кислороде и на воздухе кальций воспламеняется, сгорая ярко-красным пламенем, при этом образуется основной оксид СаО, который представляет собой белое, весьма огнестойкое вещество, температура плавления которого примерно 2 600 °C. Оксид кальция также известен в технике как негашеная или жженая известь.

Соляная кислота и медь - зелёное пламя

Медь придает пламени зеленый оттенок. При высоком содержании меди в сгораемом веществе пламя имеет яркий зеленый цвет, практически идентичный белому. В зеленый цвет пламя окрашивает борная кислота или медная (латунная) проволока, смоченная в соляной кислоте.

При смачивании соляной кислотой пламя окрашивается в голубой цвет с зеленоватым оттенком.

1) В зеленый цвет пламя окрашивает борная кислота или медная (латунная) проволока, смоченная в соляной кислоте.

2) В красный цвет пламя окрашивает мел, смоченный в той же соляной кислоте.

При сильном прокаливании в тонких осколках Ва-содержащие (Барий-содержащие) минералы окрашивают пламя в желто-зеленый цвет. Окрашивание пламени можно усилить, если после предварительного прокаливания смачивать минерал в крепкой соляной кислоте.

Окислы меди (в опыте для зелёного пламени используются соляная кислота и кристаллики меди) дают изумрудно-зеленое окрашивание. Прокаленные Cu-содержащие соединения, смоченные НС1, окрашивают пламя в лазурно-голубой цвет CuС1₂). Реакция очень чувствительна.

Зеленый цвет и его оттенки огню придают также барий, молибден, фосфор, сурьма.

Азотнокислый и солянокислый растворы меди имеют голубой или зеленый цвет; при прибавлении аммиака цвет раствора изменяется в темно-синий.

Жёлтое пламя - соль

Для желтого пламени требуется добавка поваренной соли, нитрата натрия или хромата натрия.

Попробуйте посыпать на конфорку газовой плиты с прозрачно-голубым пламенем чуть-чуть поваренныой соли - в пламени появятся жёлтые язычки. Такое жёлто-оранжевое пламя дают соли натрия (а поваренная соль, напомним, это хлорид натрия).

Жёлтый цвет - это цвет натрия в пламени. Натрий есть в любом природном органическом материале, поэтому пламя мы обычно и видим жёлтым. А желтый цвет способен заглушить другие цвета - такова особенность человеческого зрения.

Желтые язычки пламени появляются при распадении солей натрия. Такими солями очень богата древесина, поэтому обычный лесной костер или бытовые спички горят желтым пламенем.

Секреты сумасшедшего профессора Николя
Цветное пламя

Фото упаковки - сбоку. Набор для экспериментов.

Серия химических опытов с профессором Николя.

Цветное пламя - состав набора.

Обратная сторона упаковки - как добиться цветного пламени.

Весь состав набора - чашки (глиняная и стеклянная, потом и для других опытов пригодятся), проволока, реактивы.

Рядом с куклой ростом 18 см для размера.

Химические реактивы для опыта Цветное пламя - на каждой коробочке подписано, что это такое.

Химия пламени

Первые попытки понять механизм горения связаны с именами англичанина Роберта Бойля, француза Антуана Лорана Лавуазье и русского Михаила Васильевича Ломоносова. Оказалось, что при горении вещество никуда не «исчезает», как наивно полагали когда-то, а превращается в другие вещества, в основном газообразные и потому невидимые. Лавуазье в 1774 году впервые показал, что при горении из воздуха уходит примерно пятая его часть. В течение XIX века ученые подробно исследовали физические и химические процессы, сопровождающие горение. Необходимость таких работ была вызвана прежде всего пожарами и взрывами в шахтах.

Но только в последней четверти ХХ века были выявлены основные химические реакции, сопровождающие горение, и по сей день в химии пламени осталось немало темных пятен. Их исследуют самыми современными методами во многих лабораториях. У этих исследований несколько целей. С одной стороны, надо оптимизировать процессы горения в топках ТЭЦ и в цилиндрах двигателей внутреннего сгорания, предотвратить взрывное горение (детонацию) при сжатии в цилиндре автомобиля воздушно-бензиновой смеси. С другой стороны, необходимо уменьшить количество вредных веществ, образующихся в процессе горения, и одновременно — искать более эффективные средства тушения огня.

Существуют два вида пламени. Топливо и окислитель (чаще всего кислород) могут принудительно или самопроизвольно подводиться к зоне горения порознь и смешиваться уже в пламени. А могут смешиваться заранее — такие смеси способны гореть или даже взрываться в отсутствие воздуха, как, например, пороха, пиротехнические смеси для фейерверков, ракетные топлива. Горение может происходить как с участием кислорода, поступающего в зону горения с воздухом, так и при помощи кислорода, заключенного в веществе-окислителе. Одно из таких веществ — бертолетова соль (хлорат калия KClO₃); это вещество легко отдает кислород. Сильный окислитель — азотная кислота HNO₃: в чистом виде она воспламеняет многие органические вещества. Нитраты, соли азотной кислоты (например, в виде удобрения — калийной или аммиачной селитры), легко воспламеняются, если смешаны с горючими веществами. Еще один мощный окислитель, тетраоксид азота N₂O₄ — компонент ракетных топлив. Кислород могут заменить и такие сильные окислители, как, например, хлор, в котором горят многие вещества, или фтор. Чистый фтор — один из самых сильных окислителей, в его струе горит вода.

Цепные реакции

Основы теории горения и распространения пламени были заложены в конце 20-х годов прошлого столетия. В результате этих исследований были открыты разветвленные цепные реакции. За это открытие отечественный физикохимик Николай Николаевич Семенов и английский исследователь Сирил Хиншельвуд были в 1956 году удостоены Нобелевской премии по химии. Более простые неразветвленные цепные реакции открыл еще в 1913 году немецкий химик Макс Боденштейн на примере реакции водорода с хлором. Суммарно реакция выражается простым уравнением H₂ + Cl₂ = 2HCl. На самом деле она идет с участием очень активных осколков молекул — так называемых свободных радикалов. Под действием света в ультрафиолетовой и синей областях спектра или при высокой температуре молекулы хлора распадаются на атомы, которые и начинают длинную (иногда до миллиона звеньев) цепочку превращений; каждое из этих превращений называется элементарной реакцией:

Cl + H₂ → HCl + H,
H + Cl₂ → HCl + Cl и т. д.

На каждой стадии (звене реакции) происходит исчезновение одного активного центра (атома водорода или хлора) и одновременно появляется новый активный центр, продолжающий цепь. Цепи обрываются, когда встречаются две активные частицы, например Cl + Cl → Cl₂. Каждая цепь распространяется очень быстро, поэтому, если генерировать «первоначальные» активные частицы с высокой скоростью, реакция пойдет так быстро, что может привести к взрыву.

Н. Н. Семенов и Хиншельвуд обнаружили, что реакции горения паров фосфора и водорода идут иначе: малейшая искра или открытое пламя могут вызвать взрыв даже при комнатной температуре. Эти реакции — разветвленно-цепные: активные частицы в ходе реакции «размножаются», то есть при исчезновении одной активной частицы появляются две или три. Например, в смеси водорода и кислорода, которая может спокойно храниться сотни лет, если нет внешних воздействий, появление по той или иной причине активных атомов водорода запускает такой процесс:

Возможность взрыва смеси кислорода (или воздуха) со многими горючими газами — водородом, угарным газом, метаном, ацетиленом — зависит от условий, в основном от температуры, состава и давления смеси. Так, если в результате утечки бытового газа на кухне (он состоит в основном из метана) его содержание в воздухе превысит 5%, то смесь взорвется от пламени спички или зажигалки и даже от маленькой искры, проскочившей в выключателе при зажигании света. Взрыва не будет, если цепи обрываются быстрее, чем успевают разветвляться. Именно поэтому была безопасной лампа для шахтеров, которую английский химик Хэмфри Дэви разработал в 1816 году, ничего не зная о химии пламени. В этой лампе открытый огонь был отгорожен от внешней атмосферы (которая могла оказаться взрывоопасной) частой металлической сеткой. На поверхности металла активные частицы эффективно исчезают, превращаясь в стабильные молекулы, и потому не могут проникнуть во внешнюю среду.

Полный механизм разветвленно-цепных реакций очень сложен и может включать более сотни элементарных реакций. К разветвленно-цепным относятся многие реакции окисления и горения неорганических и органических соединений. Таковой же будет и реакция деления ядер тяжелых элементов, например плутония или урана, под воздействием нейтронов, которые выступают аналогами активных частиц в химических реакциях. Проникая в ядро тяжелого элемента, нейтроны вызывают его деление, что сопровождается выделением очень большой энергии; одновременно из ядра вылетают новые нейтроны, которые вызывают деление соседних ядер. Химические и ядерные разветвленно-цепные процессы описываются сходными математическими моделями.

Что надо для начала

Чтобы началось горение, нужно выполнить ряд условий. Прежде всего, температура горючего вещества должна превышать некое предельное значение, которое называется температурой воспламенения. Знаменитый роман Рэя Брэдбери «451 градус по Фаренгейту» назван так потому, что примерно при этой температуре (233°C) загорается бумага. Это «температура воспламенения», выше которой твердое топливо выделяет горючие пары или газообразные продукты разложения в количестве, достаточном для их устойчивого горения. Примерно такая же температура воспламенения и у сухой сосновой древесины.

Самодельные зажигалки времен Великой Отечественной (Одна сделана из патрона от авиационной пушки). Изображение: «Химия и жизнь»

Температура пламени зависит от природы горючего вещества и от условий горения. Так, температура в пламени метана на воздухе достигает 1900°C, а при горении в кислороде — 2700°C. Еще более горячее пламя дают при сгорании в чистом кислороде водород (2800°C) и ацетилен (3000°C). Недаром пламя ацетиленовой горелки легко режет почти любой металл. Самую же высокую температуру, около 5000°C (она зафиксирована в Книге рекордов Гиннесса), дает при сгорании в кислороде легкокипящая жидкость — субнитрид углерода С₄N₂ (это вещество имеет строение дицианоацетилена NC–C=C–CN). А по некоторым сведениям, при горении его в атмосфере озона температура может доходить до 5700°C. Если же эту жидкость поджечь на воздухе, она сгорит красным коптящим пламенем с зелено-фиолетовой каймой. С другой стороны, известны и холодные пламена. Так, например, горят при низких давлениях пары фосфора. Сравнительно холодное пламя получается и при окислении в определенных условиях сероуглерода и легких углеводородов; например, пропан дает холодное пламя при пониженном давлении и температуре от 260–320°C.

Только в последней четверти ХХ века стал проясняться механизм процессов, происходящих в пламени многих горючих веществ. Механизм этот очень сложен. Исходные молекулы обычно слишком велики, чтобы, реагируя с кислородом, непосредственно превратиться в продукты реакции. Так, например, горение октана, одного из компонентов бензина, выражается уравнением 2С₈Н₁₈ + 25О₂ = 16СО₂ + 18Н₂О. Однако все 8 атомов углерода и 18 атомов водорода в молекуле октана никак не могут одновременно соединиться с 50 атомами кислорода: для этого должно разорваться множество химических связей и образоваться множество новых. Реакция горения происходит многостадийно — так, чтобы на каждой стадии разрывалось и образовывалось лишь небольшое число химических связей, и процесс состоит из множества последовательно протекающих элементарных реакций, совокупность которых и представляется наблюдателю как пламя. Изучать элементарные реакции сложно прежде всего потому, что концентрации реакционно-способных промежуточных частиц в пламени крайне малы.

Внутри пламени

Оптическое зондирование разных участков пламени с помощью лазеров позволило установить качественный и количественный состав присутствующих там активных частиц — осколков молекул горючего вещества. Оказалось, что даже в простой с виду реакции горения водорода в кислороде 2Н₂ + О₂ = 2Н₂О происходит более 20 элементарных реакций с участием молекул О₂, Н₂, О₃, Н₂О₂, Н₂О, активных частиц Н, О, ОН, НО₂. Вот, например, что написал об этой реакции английский химик Кеннет Бэйли в 1937 году: «Уравнение реакции соединения водорода с кислородом — первое уравнение, с которым знакомится большинство начинающих изучать химию. Реакция эта кажется им очень простой. Но даже профессиональные химики бывают несколько поражены, увидев книгу в сотню страниц под названием «Реакция кислорода с водородом», опубликованную Хиншельвудом и Уильямсоном в 1934 году». К этому можно добавить, что в 1948 году была опубликована значительно большая по объему монография А. Б. Налбандяна и В. В. Воеводского под названием «Механизм окисления и горения водорода».

Современные методы исследования позволили изучить отдельные стадии подобных процессов, измерить скорость, с которой различные активные частицы реагируют друг с другом и со стабильными молекулами при разных температурах. Зная механизм отдельных стадий процесса, можно «собрать» и весь процесс, то есть смоделировать пламя. Сложность такого моделирования заключается не только в изучении всего комплекса элементарных химических реакций, но и в необходимости учитывать процессы диффузии частиц, теплопереноса и конвекционных потоков в пламени (именно последние устраивают завораживающую игру языков горящего костра).

Откуда все берется

Основное топливо современной промышленности — углеводороды, начиная от простейшего, метана, и кончая тяжелыми углеводородами, которые содержатся в мазуте. Пламя даже простейшего углеводорода — метана может включать до ста элементарных реакций. При этом далеко не все из них изучены достаточно подробно. Когда горят тяжелые углеводороды, например те, что содержатся в парафине, их молекулы не могут достичь зоны горения, оставаясь целыми. Еще на подходе к пламени они из-за высокой температуры расщепляются на осколки. При этом от молекул обычно отщепляются группы, содержащие два атома углерода, например С₈Н₁₈ → С₂Н₅ + С₆Н₁₃. Активные частицы с нечетным числом атомов углерода могут отщеплять атомы водорода, образуя соединения с двойными С=С и тройными С≡С связями. Было обнаружено, что в пламени такие соединения могут вступать в реакции, которые не были ранее известны химикам, поскольку вне пламени они не идут, например С₂Н₂ + О → СН₂ + СО, СН₂ + О₂ → СО₂ + Н + Н.

Постепенная потеря водорода исходными молекулами приводит к увеличению в них доли углерода, пока не образуются частицы С₂Н₂, С₂Н, С₂. Зона сине-голубого пламени обусловлена свечением в этой зоне возбужденных частиц С₂ и СН. Если доступ кислорода в зону горения ограничен, то эти частицы не окисляются, а собираются в агрегаты — полимеризуются по схеме С₂Н + С₂Н₂ → С₄Н₂ + Н, С₂Н + С₄Н₂ → С₆Н₂ + Н и т. д.

В результате образуются частицы сажи, состоящие почти исключительно из атомов углерода. Они имеют форму крошечных шариков диаметром до 0,1 микрометра, которые содержат примерно миллион атомов углерода. Такие частицы при высокой температуре дают хорошо светящееся пламя желтого цвета. В верхней части пламени свечи эти частицы сгорают, поэтому свеча не дымит. Если же происходит дальнейшее слипание этих аэрозольных частиц, то образуются более крупные частицы сажи. В результате пламя (например, горящей резины) дает черный дым. Такой дым появляется, если в исходном топливе повышена доля углерода относительно водорода. Примером могут служить скипидар — смесь углеводородов состава С₁₀Н₁₆ (C_nH_2n–4), бензол С₆Н₆ (C_nH_2n–6), другие горючие жидкости с недостатком водорода — все они при горении коптят. Коптящее и ярко светящее пламя дает горящий на воздухе ацетилен С₂Н₂ (C_nH_2n–2); когда-то такое пламя использовали в ацетиленовых фонарях, установленных на велосипедах и автомобилях, в шахтерских лампах. И наоборот: углеводороды с высоким содержанием водорода — метан СН₄, этан С₂Н₆, пропан С₃Н₈, бутан С₄Н₁₀ (общая формула C_nH_2n+2) — горят при достаточном доступе воздуха почти бесцветным пламенем. Смесь пропана и бутана в виде жидкости под небольшим давлением находится в зажигалках, а также в баллонах, которые используют дачники и туристы; такие же баллоны установлены в автомобилях, работающих на газе. Сравнительно недавно было обнаружено, что в копоти часто присутствуют шарообразные молекулы, состоящие из 60 атомов углерода; их назвали фуллеренами, а открытие этой новой формы углерода было ознаменовано присуждением в 1996 году Нобелевской премии по химии.

Ионы какого металла окрашивают пламя в зеленый цвет

Цветная химия. Причины окраски соединений и ионов d-элементов

1 Муниципальное бюджетное общеобразовательное учреждение «Средняя общеобразовательная школа №112» Авиастроительного района г. Казани.

1 Муниципальное бюджетное общеобразовательное учреждение «Средняя общеобразовательная школа №112» Авиастроительного района г. Казани

Автор работы награжден дипломом победителя III степени

Текст работы размещён без изображений и формул.
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»

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.

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.

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, ZnSO ₄, FeSO ₄, CuSO ₄, K ₂ Cr ₂ O ₇, KCrO ₄, KMnO _4. 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, ZnSO ₄, бесцветные; FeSO ₄ – грязно-желтый, CuSO ₄ – голубой, K ₂ Cr ₂ O ₇ - оранжевый, KCrO _{4 -} ярко-желтый, KMnO₄ -фиолетовый. Приведу уравнения диссоциации этих солей:

Можно сделать вывод о том, что если соли диссоциируют в воде на ионы, то они являются материальными носителями окраски растворов окрашенных солей- FeSO _4, CuSO ₄, K ₂ Cr ₂ O _7, KCrO _4, KMnO_4.

В дополнительной литературе прочитала [7, 9], что существуют ионы, которые в гидратированном состоянии бесцветны- Na + , K + , Zn 2- Cl -, NO ₃ - , SO ₄ 2- и ионы, которые в гидратированном виде окрашены – Cu 2+ , Fe 2+ , MnO ₄ - , Cr ₂ O ₇ 2- , Co 2+ , Ni 2+ .

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.

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 Е_а электронов в атомах или ионах исследуемого металла по формуле Планка:

Е_а = hν = h ( c / λ), где

h =6,6 · 10 -34 Дж с –постоянная Планка;

c = 3 · 10 8 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

LiClO ₄ - хлорат лития, соль белого цвета

NaCl - хлорид натрия, соль белого цвета

SrCl ₂-хлорид стронция, соль белого цвета

CuSO ₄-сульфат меди ( II ), соль белого цвета

NiCl ₂-хлорид никеля ( II ), соль зеленого цвета

ZnSO ₄-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»

Энергия активации электронов Е_а, Дж

3,046 . 10 -19

3,41 . 10 -19

3,09 . 10 -19

3,96 . 10 -19

Таб.2 Длина волны испускаемых фотонов и энергия активации электронов атомов

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.

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.

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.

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)

Читайте также:

  
• Двери металлические в лабинске
  
• Плоская резьба по металлу
  
• Что такое слим металл
  
• Лазерное упрочнение поверхности металлов
  
• Гост на металлические гаражи