Открытый урок–практикум по теме "Цветная химия"

Цель урока:

• Формировать комплексное представление о многообразии химических веществ;
• Расширить кругозор учащихся, познакомить их с многообразием цвета, присущего ионам хрома с различными степенями окисления;
• Повысить интерес к предмету химии;
• Закрепить практические навыки и умения учащихся при выполнении лабораторной работы.

Оборудование:

• Дихромат аммония, дихромат калия, хлорид хрома(III); сульфат хрома (III); хромат калия;
• Сульфат меди; сульфат никеля; серная кислота; сульфит натрия;
• Хлорид железа (III); перманганат калия; гидроксид натрия;
• Перекись водорода, диэтиловый эфир.

Оформление доски:

"Цветная химия".

"Все живое стремится к цвету". Гете.

Цвета ионов::

Cr³⁺ - зеленый;

Cr⁶⁺ - темно-малиновый;

Cr₂O₇^2--оранжевый ;

CrO₄^2- - желтый;

Cr²⁺ - голубой

Цвет соединений:

Опыт №1:

Опыт №2:

Опыт №3:

Опыт №4:

Практическая работа: Опыт №1:

Опыт №2:

Несколько последних уроков, мы с вами посвятили изучению металлов. Мы говорили об их общих способах получения, применении, и конечно же о их свойствах, говоря лишь о общих свойствах. Каждый металл имеет свой "характер", свои свойства, которые свойственны только ему. Сегодня мы тоже будем говорить о металлах и их ионах. Но прежде чем мы вплотную подойдем к этому, давайте поговорим о цвете.

Девизом нашего урока я взяла слова великого Гете: "Все живое стремится к цвету", говорящие о том, что цвет и есть главное в жизни всего живого. Вам не безызвестно высказывание "Ночью все кошки серые" - т.е. без света нет и цвета. Из курса физики вы должны знать, чем объясняется наличие окраски предметов. От свойств световой волны. Мы не будем вдаваться в подробности ее строения, но некоторые факты, которые сейчас будут приведены, будут для вас интересны.

Сообщения учащихся о природных красках и окраске тел.

Итак, что такое цвет? Это свойство вещества! И как всякое свойство, чем оно определяется? Составом и строением вещества!

Из этого следует, что вещества, имеющие разную окраску, должны отличаться составом и строением. Например: очевидно, различны по составу красная, желтая, зеленая и синяя краска. Но каким образом строение вещества предопределяет тот или иной его цвет. Какова вообще природа цвета? Это и будет основной темой нашей встречи.

У меня в руках банка с безводным сульфатом меди (II). К какому классу неорганических веществ оно относится? (Вспомните определение класса). Подвергнем соль диссоциации, растворив ее в воде.

Демонстрация. Опыт №1: Растворим сульфат меди (II) в воде.

Обратите внимание, на изменение окраски раствора и запишите уравнение происходящей диссоциации.

CuSO₄ -> Cu²⁺ + SO₄^2-

А теперь посмотрите на раствор другой соли-хлорида меди (II) и запишите уравнение его диссоциации.

CuCl₂ -> Cu²⁺ + 2Cl^-

Сходство окраски обоих растворов указывает на сходство их состава, которое определяется правой частью обоих уравнений. Попробуйте сообразить, какие частицы придают характерный голубой цвет растворам этих солей (Ионы меди (II)). Надо толь добавить - гидратированные ионы меди!

Продолжим дальше. (По продолжении диалога, выставляю на стол емкости с растворами: сульфата никеля, хлорида железа (III), K₂CrO₄, KMnO₄, K₂Cr₂O₇, CrCl₃).

Следующий раствор содержит сульфат никеля. Запишите уравнение его диссоциации и предположите, какой ион придает раствору характерный зеленый цвет.

NiSO₄ -> Ni²⁺ + SO₄^2-

(Окраску придают ионы никеля, что ясно из сравнения с раствором сульфата меди, в обоих случаях есть сульфат-ион, а окраска разная).

Определим таким же методом причину окраски остальных растворов:

FeCl₃ -> Fe³⁺ + 3Cl^- , окраску определяют ионы железа, что ясно из сравнения с раствором хлорида меди.

K₂CrO₄-> 2K⁺ + CrO₄^2-;

KMnO₄ -> K⁺ + MnO₄^-;

K₂Cr₂O₇ -> 2K⁺ + Cr₂O₇^2-;

CrCl₃ -> Cr³⁺ + 3Cl^-, в этих случаях окраску определяют кислотные остатки, т.к. во всех случаях есть ион калия.

В предложенных веществах содержится один элемент, входящий в состав кислотного остатка, либо в свободном виде. Это - хром. Взгляните еще раз на растворы этих солей. Во всех случаях - окраска связана с присутствием хрома (хром - "цвет"), но при этом, окраска растворов - разная. Как это объяснить? (Хром в этих соединениях находится в разных состояниях). Для проверки этой гипотезы, определите степень окисления хрома в этих веществах. Степень окисления - разная! Что, соответственно, предполагает разное строение внешних энергетических уровней, разные переходы электронов при поглощении света, а потому и разную окраску веществ в проходящем свете. И, наоборот, одинаковые степени окисления хрома в K₂CrO₄ и K₂Cr₂O₇ обуславливает близость их окраски (желтая и оранжевая).

Зная это, можно изменять цвет растворов: надо всего лишь изменить степень окисления хромофора (так называют элемент, придающий окраску соединению).

Самостоятельная работа по инструктивной карточке №1.

Окраска щелочного раствора перманганата калия при тех же условиях меняется с фиолетовой на изумрудную.

Опыт №2: Записать на доске, переписать в тетрадь, определить начальную и конечную степень окисления марганца.

2KMn⁷⁺O₄ + Na₂SO₃ + 2KOH -> 2K₂Mn⁶⁺O₄ + Na₂SO₄ +H₂O

фиолетовый                                              изумрудный

Интересно заметить, что окраска вещества зависит не только от степени окисления элемента, но и от его ближайшего окружения, поскольку соседние атомы или ионы, способны изменить строение внешнего энергетического уровня хромофора, а значит и характер перехода электронов.

Итак, мы установили, что цвет ионного вещества, определяется его ионным составом. Но при некоторых условиях, независимо от состава, это свойство - цвет - не проявляется вовсе. Догадайтесь, какие это условия? (Отсутствие освещения, темнота). Значит цвет, является результатом взаимодействия света с веществом.

Вспомните, что вещества состоят из атомов, групп атомов или ионов. Все эти частицы - это упорядоченные системы, внешнюю часть которых, составляют электронные оболочки. Состояние электронов в атоме определяет его энергию. Известно, что в пределах внешнего энергетического уровня возможен переход электронов с одного подуровня на другой (проскок). Чем будет сопровождаться переход электрона при этом? Атом поглощает часть энергии извне, т.к. электрон переходит на подуровень, характеризующийся более высокой энергией. Этот процесс называется возбуждением атома, а новое энергетическое состояние - возбужденным.

А чем будет сопровождаться обратный переход электрона (Выделением энергии).

Обратите внимание: выделяться будет точно такая же порция энергии, какая поглотилась при возбуждении! А что такое свет? Так называемый белый свет в действительности является смесью всех цветов солнечного спектра. Что же происходит, когда на пути светового луча, оказывается препятствие в виде вещества. Под действием внешнего источника энергии возможен проскок электрона, т.е. переход частиц в возбужденное состояние, сопровождающийся поглощением строго определенной порции энергии. Таким образом, цвет - это результат поглощения веществом части солнечного спектра и определенным расстоянием между энергетическими подуровнями, между которыми реально осуществляются электронные переходы. Иными словами, видимый цвет вещества зависит от строения внешнего энергетического уровня частиц.

Цвет вещества можно обнаружить и при отсутствии освещения. Для этого нужно создать условия, при которых осуществился бы электронный переход, сопровождающийся излучением света. Иными словами, сначала частицу надо перевести в возбужденное состояние, а затем дать ему вернуться в обычное состояние. Возбуждение же совсем необязательно производить, воздействуя светом. Попробуем увидеть цвет в темноте.

Опыт №3: Кабинет затемняется. В три тигля со спиртом, добавляют растворы хлоридов лития, натрия и меди. Поджигают спирт. Литий горит малиновым пламенем, натрий - желтым, медь - зеленым.

В этом опыте, возбуждение ионов лития, натрия и меди, производится за счет выделяющейся при горении спирта теплоты. Последующее возвращение электронов на более низкие энергетические уровни, сопровождается излучением света, причем, световые лучи окрашены в один из цветов спектра, благодаря чему и появляется окраска пламени. Этот цвет отличается от окраски вещества, видимой на свету: ведь в темноте мы наблюдает как раз ту часть спектра, которая в проходящем свете, веществом поглощается.

Как вы думаете, почему ионы лития, натрия и меди, окрасили пламя по разному? (Потому, что переход электронов происходит между разными подуровнями).

Значит, окраска пламени, зависит от строения внешнего энергетического уровня, а потому, по окраске пламени можно судить об ионном составе вещества. Именно на этом принципе, основан один из методов аналитической химии: определение качественного состава вещества по окраске пламени.

Опыт №4: На белом листе бумаге, один ученик рисует раствором сульфата меди (II), другой - хлоридом железа (III).

Пока рисунок сохнет, записываю уравнения взаимодействия этих солей с желтой кровяной солью, определяем степень окисления элементов.

2Cu⁺²SO₄ + K₄ [Fe(CN)₆] -> Cu₂⁺² [Fe(CN)₆ ] + 2K₂SO₄

        синий                                                          красный

4Fe⁺³Cl₃ + 3K₄[ Fe(CN)₆] -> Fe₄⁺³[ Fe(CN)₆] ₃ + 12KCl

        желто-коричневый                              синий

После этого на высохший рисунок, наносим раствор желтой кровяной соли. Записываем изменение окраски. Как видите, изменение окраски соединений меди железа, произошло без изменения степени окисления этих металлов, а только под влиянием их нового окружения.

Подведем некоторые итоги. Мы выяснили, что причина появления цвета:

• заключается во взаимодействии света и вещества;
• окраска вещества, вызвана переходами электронов между энергетическими подуровнями;
• поглощением соответствующей части солнечного спектра.

Попробуйте теперь с этих позиций, объяснить два явления:

Многие вещества (или их растворы), не имеют окраски, бесцветны. Почему?

(При прохождении света через вещество, энергия не поглощается, по-видимому, энергетическая разница, между подуровнями внешнего электронного слоя частиц не совпадает ни с одним значением энергии составляющих светового луча).

Существование веществ с черной окраской.

(Черный цвет виден при полном поглощении веществом светового луча).

Итак, мы убедились, что разные вещества, по-разному взаимодействуют со светом, что связано с особенностями их состава и строения. Таким образом, цвет - это специфическая характеристика вещества, по которой можно судить о его составе и строении.

ИНСТРУКТИВНАЯ КАРТОЧКА № 1.

Опыт № 1: Получение сульфата хрома (III).

К подкисленному раствору хромата калия K₂CrO₄ прильем раствор сульфита натрия Na₂SO₃

2K₂CrO₄ +3Na₂SO₃ + 5H₂SO₄ ->Cr₂(SO₄)₃ + 3Na₂SO₄ +2K₂SO₄ + 5H₂O

            хромат калия                                  сульфат хрома (III)

            желтый цвет                                      зеленый цвет

Опыт № 2: Цепочка цветных реакций.

2CrCl₃ + 6NaOH -> 2Cr(OH)₃ + 6 NaCl

хлорид хрома (III)     гидроксид хрома (III)

изумрудно-зеленый     белый осадок

Cr(OH)₃ + NaOH -> NaCrO₂ + 2H₂O

                                    хромит натрия

                                        зеленый цвет

NaCrO₂ + 2H₂O₂ + 2NaOH -> 2Na₂CrO₄ + 4H₂O

                                                    хромат натрия

                                                    желтый (бурый)

Na₂CrO₄ + H₂SO₄ -> Na₂Cr₂O₇ + Na₂SO₄ + H₂O

                                            дихромат натрия

                                        голубой (фиолетовый)