Тип урока: урок изучения нового учебного материала.
Цели урока:
- раскрыть роль химии в живописи и реставрации;
- развитие знаний и представлений учащихся о многообразии химических веществ, их свойствах и применении;
- удовлетворение познавательных интересов школьников в области искусства;
- показать химическую науку как часть мировой культуры
Задачи урока:
- исследовать живопись и реставрацию глазами химика;
- продемонстрировать реализацию методов аналитической химии для обнаружения катионов и анионов в реставрации живописи;
- активизировать познавательную деятельность учащихся на уроках химии, содействовать возникновению и развитию интереса ребят к традициям культуры, быта, научным знаниям.
Оборудование и реактивы: спиртовка, набор пробирок, минеральные кислоты и щелочи, раствор бихромата калия, ацетата натрия, 3% раствор йодида калия, раствор хлорида железа (III), раствор желтой кровяной соли.
За 2-3 недели до урока были сформированы группы
учащихся. Каждая группа получила конкретное
задание, итогом выполнения которого должна была
служить презентация, сделанная в Microsoft Power Point.
Отбор материала и построение презентации
проводилось под руководством учителя.
На уроке учащиеся выступали в роли учителя,
излагая материал. Причем допускались разные
варианты изложения материала: одним
представителем группы или всеми участниками по
очереди.
ХОД УРОКА
I. Вступительное слово учителя (1, 2, 3, 4 слайды)
– Здравствуйте, ребята. Сегодня у нас
необычный урок, а урок химии в картинной галерее.
Живопись, как вид искусства существует с V века до
нашей эры. Из всей живой природы только человек
способен к творчеству. Произведения живописи
отражает и оценивает эпоху, в которую было
создано. Поэтому человечество бережно хранит
произведения искусства.
В настоящее время проблема сохранения живописи
стала очень актуальной, так как человек осознал,
насколько хрупки творения великих мастеров.
Именно в наш «информационный» век стало
возможным понять, как же именно сохранить
произведения искусства для потомков. Этому
способствуют науки: физика, химия и, в большей
степени, химия.
Пожар во Всероссийском художественном
научно-реставрационном центре имени академика
Грабаря, в июне этого года, уничтожил множество
ценных икон, картин, скульптур. Оставшиеся
картины нуждаются в большой реставрации. Сегодня
на уроке мы с вами познакомимся с химическими
исследованиями, которые применяются при
реставрации картин.
II. Изучение нового материала
Презентация группы 1. Основные техники живописи. (5 слайд)
Задание учащимся класса. Прослушайте выступления первой группы и ответе на вопросы:
– На какие типы подразделяются краски в
зависимости от вида связующего?
– Что такое энкаустика?
– Объясните происхождение названия фресковой
живописи.
– Что такое темпера? Чем темперные краски
отличаются от масляных?
Презентация группы 2. Состав красок (6 слайд)
Задание учащимся класса. Слушая сообщения учащихся второй группы, составьте таблицу «Классификация состава красок».
Презентация группы 3. Методы реставрации (7, 8 слайды)
Задание учащимся класса. Прослушайте выступления третьей группы и ответе на вопросы:
– Что означает слово «реставрация»?
– Кто такие «поновители»?
– Назовите современные методы реставрации.
Презентация группы 4. Исследование белых пигментов (9, 10 слайды) (Приложение 1)
Задание учащимся класса. Прослушав выступление группы 4, дайте ответ на вопросы и сделайте эксперимент.
– Свинцовые белила под воздействием сернистых
соединений, например, сероводорода, темнеют, а
цинковые – нет. Почему?
– Какое широко распространенное в быту средство
может отреставрировать потемневшую (в
результате превращения свинцовых белил в
сульфид свинца) картину или икону?
Запишите уравнения реакции.
Эксперимент: с помощью качественных
реакций проведите исследование белой краски и
дайте ей название.
Презентация группы 5. Исследование синих пигментов (11, 12, 13 слайды) (Приложение 2)
Задание учащимся класса. Предложите и проведите эксперимент получения берлинской лазури.
Презентация группы 6. Исследование красных пигментов (14, 15 слайды) (Приложение 3)
Задание учащимся класса. Прослушав выступление группы 6, запишите уравнения реакций обнаружения иона Pb2+ в молекулярном и ионном виде.
Презентация группы 7. Исследование зеленых пигментов (16, 17, 18 слайды) (Приложение 4)
Задание учащимся класса. Прослушав выступление дайте ответ на вопросы.
– С помощью какой простой качественной реакции
можно различить изумрудно-зеленые краски:
швейнфуртскую зелень Cu(CH3COO)2.3Cu(AsO2)2
и малахит CuCO3.Cu(OH)2.
– Проверьте ваши предположения с ответом
учащихся группы 7.
– Как изменяют цвет все медные зеленые пигменты
при нагревании? Проделайте эксперимент. Какие
правила техники безопасности необходимо
соблюдать при выполнении данного эксперимента?
Презентация группы 8. Исследование черных пигментов (19, 20 слайды) (Приложение 5)
Задание учащимся класса. Прослушав выступление, дайте ответ на вопросы.
– Как в живописи используются уголь и сажа?
– В каких условиях нужно вести обжиг сырья для
получения таких сажевых красок, как жженая
слоновая кость, виноградная (из лозы), персиковая
(из косточек персика)?
Презентация группы 9. Исследование металлических пигментов (21, 22, 23 слайды) (Приложение 6)
Задание учащимся класса. Прослушав выступление учащихся группы 9, дайте ответ на вопросы.
– Как отличить пигмент из золота от других
золотистых пигментов – меди и ее сплавов.
– Почему пигменты из серебра быстро темнеют на
воздухе.
III. Подведение итогов (24, 25, 26, 27 слайды)
Заключительное слово учителя. В живописи часто используются одинаковые по цвету, но отличные по составу и кристаллической структуре пигменты. Отличить такие пигменты друг от друга помогает лаборатория микрохимического анализа. Аналитическая химия «спасла» многие работы, вовремя подсказав, какой материал нужно использовать. Новейшие технологии (атомарный кислород, нано-технологии) способствуют дальнейшему развитию реставрации, ее выходу на совершенно иной технологический уровень. Таким образом, химия способствует сохранению художественных произведений, раскрывает «тайны» картин и возвращает их к жизни. В реставрации наука и искусство как никогда близки.
Ресурсный материал для урока
Основные техники живописи.
Живопись, как вид искусства существует с V века до н.э. Краски традиционно приготовлялись из органических (глина, растения, кровь животных) или минеральных веществ.
Первой техникой живописи была энкаустика – восковая живопись, выполняемая расплавленными красками.
Фресковая живопись – способ писания картин по сырой штукатурке красками, разведенными на воде. Используется свойство сырой штукатурки впитывать в себя краски и удерживать их надолго. Фреска относится к монументальной живописи (живописи «на века», в архитектуре), это наиболее трудно реставрируемая отрасль искусства, но и наиболее долговечная. Рафаэль и Микеланджело снискали себе вечную славу именно потому, что их фрески сохранились до наших дней. Однако не совсем правильная техника фрескового письма может повлечь за собой разрушение картины. Так произошло с «Тайной Вечерей» Леонардо да Винчи.
Темпера – это живопись красками, связующим веществом в которых является эмульсия. Традиционно применялись эмульсии из воды, яичного белка и животного клея. Темпера была характерна для Византийской иконописи и станковой живописи раннего Возрождения. Темперная техника многослойна, она подразумевает множество канонов и строгую последовательность действий художника. Цвета темперной живописи были довольно блеклыми, акварельными.
Именно поэтому темперу вытеснило масло. Создание масляных красок принадлежит ирландскому живописцу Яну Ван Эйку. Он первым стал использовать высыхающие масла: маковое, ореховое, конопляное, льняное. Масло наносится на холст пастозно (толстым слоем), сами краски яркие, блестящие, обладают большой укрывистостью. Когда связующее вещество (то или иное масло) высыхает под воздействием воздуха, образуется линоксин (прочная прозрачная пленка), далее картину покрывают лаком.
Химические вещества и материалы в живописи
Краски. В природе существует не так много органических красок. Всего 30-40, некоторые из них близки по составу, который несильно изменился со времен Рублева по наши дни. Сегодня развитие химической промышленности позволило значительно пополнить красочный материал. Теперь краски сосчитать практически невозможно.
Краска состоит из пигмента и связующего вещества (масло, клей и др.). Пигменты – это цветные порошки, нерастворимые в органических растворителях (лаках, маслах), а также в воде. Красители – другие красящие вещества – образуют с водой растворы. Наиболее прочны краски, приготовленные на природном минеральном сырье, менее прочны – органические краски. Минеральные краски бывают натуральные (охры, сиены, умбры, азурит, малахит, горная киноварь и др.) и искусственные – получаемые путем химического синтеза нескольких веществ, прокаливания при высоких температурах.
Пигменты обладают определенным цветом, основанным на способности вещества отражать дневной свет. Химический состав пигмента обуславливает его свойства – укрывистость, маслоемкость, красящую способность, свето- и щелочестойкость.
Масла, применяющиеся в живописи, делятся на жирные высыхающие масла и эфирные. Жирные масла (льняное, конопляное) обладают способностью полностью или частично высыхать под воздействием воздуха. Эфирные масла – вещества химически малоактивные. Они имеют способность улетучиваться без остатка, к ним относятся производные из нефти: керосин, бензин, толуол, ксилол и др.
Чаще всего в масляной живописи применяется льняное масло, оно не имеет запаха и бесцветно (цвет проявляется при наличии флорофилла, эритрофилла и ксантофилла). Очищенное от белковых примесей и воды, оно называется лаковым.
Реставрационные техники и мастерские
Мастерство реставратора – тяжелый и кропотливый труд, требующий от реставратора немалых познаний в области науки и искусства. Искренне стараясь не навредить картине, реставратор прибегает к помощи наукоемких технологий. Основу теории современной реставрации музейных экспонатов составляет понятие о реставрационном методе и дифференциации различных реставрационных методов: консервации, работы не меняющей облик экспоната; аналитический метод, сформированный в России И. Э. Грабарём и применяющийся на практике; синтетический метод, предусматривающий целостную реставрацию памятника.
Микрохимический анализ неорганических материалов живописи. Обнаружение пигментов в красках
Самым распространенным является аналитический метод Грабаря. Произведение исследуют в научных лабораториях, берут химические пробы с помощью приборов определяют путь возможной реставрации. Всесторонне изучение памятника предусматривает спектральный, хроматографический, микрокристаллический и другие анализы, рентгенографирование, обследование в инфра-красных лучах и др. Обязательно проводится фотофиксация всех процедур реставрации. Микрохимический анализ широко используется в реставрационных и музейных лабораториях, что объясняется возможностью исследования с его помощью незначительного количества вещества и быстротой выполнения анализа. Микрохимический анализ не требует сложного оборудования, а техника его выполнения достаточно проста. Ввиду того что аналитику, работающему с образцами живописи, в большинстве случаев приходится иметь дело с очень малыми пробами, представляющими собой многокомпонентные смеси, прежде чем приступить к микрохимическому анализу, необходимо провести микрохимическое исследование микропробы и термический анализ, что позволяет сделать предварительные выводы о составе пробы.
Анализируемые вещества испытывают на растворимость в растворах минеральных кислот, щелочей, в органических растворителях. За процессом растворения наблюдают под микроскопом, делая соответствующие выводы. Если вещество труднорастворимо, его растворяют при нагревании. Нерастворимые соединения переводят в раствор сплавлением с содой, со смесью соды с селитрой, с перекисью натрия и т.п.
После того как сделаны предварительные испытания, производят обнаружение катионов или анионов. В аналитической химии анализ смеси ионов проводят систематическим или дробным методом. Систематический метод требует очень большого количества пробы, которым обычно не располагают исследователи; поэтому, как правило, при анализе микропроб пигментов используют дробный метод. В этом случае применяют характерные реакции, обладающие достаточной чувствительностью и избирательностью действия, позволяющие обнаружить искомый ион в присутствии всех остальных ионов. Однако в ряде случаев приходится прибегать к приемам, устраняющим мешающее влияние сопутствующих ионов. Для обнаружения иона лучше использовать несколько дробных реакций, что повышает достоверность получаемых результатов.
Для определения пигментов применяют «сухой» и «мокрый» способ химического анализа. В первом случае реакции проводят с веществом, находящимся в твердом состоянии. К нему относится метод растирания, окрашивание пламени горелки солями и др. Однако чаще всего в качественном анализе пигментов используют «мокрый» способ, то есть исследование проводится с веществом, переведенным в раствор. Растворителем могут служить вода, минеральные кислоты или щелочи. В растворе неорганические пигменты распадаются на ионы, которые и определяют с помощью аналитических реакций. Зная состав ионов в растворе, можно предположить наличие тех или иных пигментов, входящих в состав красочного слоя.
Микрокристаллоскопический метод. Реакции между исследуемым веществом и реактивом проводят в капле раствора не предметном стекле. Метод дает возможность судить о присутствии того или иного иона в растворе на основании формы, величины и окраски образующихся в результате реакции кристаллов. Наблюдение за ходом реакции ведут с помощью микроскопа при увеличении в шестьдесят-восемьдесят раз. С этой целью можно использовать биологический микроскоп.
Так как в микрокристаллоскопии о присутствии иона судят по образованию характерных кристаллов, главное требование к реакции – это образование малорастворимого соединения, обладающего хорошо выраженной способностью к кристаллизации. На образование кристаллов определенной геометрической формы, размеров и цвета влияют самые различные факторы, прежде всего природа образующих их веществ и условия роста. Крупные, хорошо выраженные кристаллы образуются только при медленном охлаждении, поэтому для замедления охлаждения применяют разбавленные растворы. При осаждении же из концентрированных растворителей осадок выпадет быстро, но образуются, как правило, нехарактерные, мелкие кристаллы. Замедления образования осадка также можно достичь медленной диффузией исследуемого раствора и раствора реактива друг в друга. Для этого на предметное стекло наносят раздельно две капли реагентов, которые затем соединяют с помощью стеклянной палочки или капли воды. В этом случае реакция протекает медленно, главным образом в ходе последней. Медленная диффузия также может быть достигнута, если реактив внести в исследуемый раствор в твердом виде. Для этого небольшую крупинку помещают на краю капли исследуемой жидкости или же в каплю воды, положенную рядом с ней; затем капли соединяют с помощью стеклянной палочки.
На процесс образования кристаллов большое влияние оказывает скорость испарения растворителя, приводящая к увеличению концентрации раствора. Наиболее крупные кристаллы выпадают из больших капель, так как процесс испарения здесь минимален. Следует иметь в виду, что на размеры и форму кристаллов может также влиять наличие посторонних примесей.
Другая важная характеристика кристаллов – их окраска. Нужно, однако, учитывать, что определение цвета кристаллов иногда зависит оттого, в проходящем или в отраженном свете происходит наблюдение.
После внесения реактива в каплю с исследуемым веществом кристаллы появляются лишь спустя некоторое время, когда часть растворителя испариться. При этом образующийся по краю капли поясок сухого вещества является затравкой, которая и вызывает кристаллизацию. Поэтому выпадение кристаллов, как правило, начинается по краям капли. Часто бывает полезно потереть стеклянной палочкой по предметному стеклу для ускорения образования центров кристаллизации. Центром кристаллизации могу быть и посторонние твердые вещества, присутствующие в растворе, или даже пылинки. В этом случае главная масса кристаллов может быть сосредоточена на их поверхности.
Капельный метод. Реакции, как правило, проводятся на фильтровальной бумаге (лучше беззольных сортов). Основной признак определения ионов в капельном анализе – окраска, возникающая, меняющаяся или исчезающая в ходе реакции. В отличие от микрокристаллического метода наблюдения за продуктами реакции ведут невооруженным глазом. Наиболее эффективен капельный метод в том случае, когда в результате образуются ярко окрашенные продукты реакции. Главное достоинство капельного метода – его высокая чувствительность, а также возможность в одной капле определить одновременно несколько ионов.
Для увеличения чувствительности капельных реакций исследуемый раствор предварительно выпаривают на бумаге, а затем обрабатывают реактивом или же используют фильтровальную бумагу, предварительно пропитанную раствором реактива, а затем высушенную.
Люминесцентный метод. Для обнаружения иона исследуемый раствор обрабатывают специальным реактивом. При этом образуется люминесцирующее соединение, дающее под действием ультрафиолетовых лучей характерное свечение. Этот метод очень чувствителен, и применение его в некоторых случаях дает хорошие результаты. Так, например, при определении каолина проводят реакцию на ион алюминия со спиртовым раствором кверцетина; при этом образуется комплексное соединение, дающее характерное желто-зеленое свечение.
Обнаружение пигментов
Помимо ламповой копоти и древесного угля в
качестве черных пигментов использовались
пережженная виноградная лоза и персиковые
косточки, а также слоновая кость. Черные
пигменты, полученные при сжигании растений,
практически полностью состоят из углерода, тогда
как пигменты, полученный из животных костей,
содержат лишь около 10 % углерода; основная же их
часть – фосфат магния Mg3(PO4)2 и
карбонат кальция СаСО3. Поэтому, если после
прокаливания исследуемой пробы остается
минеральный остаток, необходимо его
проанализировать на присутствие ионов Са2+,
PO43–, Mg2+.
Металлические пигменты (Приложение
6) – тонкодисперсные порошки, либо
тончайшие листки по составу представляют собой
металлы или их сплавы. Среди минеральных
пигментов они выделяются металлическим блеском.
Для исследования состава металлических
пигментов последовательно проводят операции
растворения микропроб в различных кислотах,
наблюдение цветовых изменений при нагревании до
1000оС и обнаружении с помощью специфических
реакций катионов металлов.