химия и цвет. лошкарева д.с.. Индивидуальный проект по дисциплине естествознание Тема Химия и цвет

• Название: Индивидуальный проект по дисциплине естествознание Тема Химия и цвет
• Анкор: химия и цвет
• Дата: 27.05.2020
• Размер: 184 Kb.
• Имя файла: лошкарева д.с..doc
• Тип: Реферат; #125971
• страница: 2 из 3

Электроны и свет

Частица или волна? Эти два понятия применительно к свету долгое время существовали раздельно. Потребовалось довольно много времени на разрешение этого противоречия. Этому помогли физики объясни в природу электрона- элементарной частицы. Оказалось, что электрон одновременно представляет и волну и частицу. Кроме того состояние электрона в атоме можно описать с помощью запаса его энергии. Электроны, атомы и молекулы веществ обладают определенным запасом энергии, могут поглощать и излучать ее. Кванты света, падая на молекулы вещества, сообщают ему определенное количество энергии.

Итак, квант света воздействует на электроны молеку­лы, переводит их в иное состояние. Если электрон из всего видимого спектра «чувствителен» к какому-то опре­деленному виду лучей, то мы видим цвет вещества. Так, электроны, связывающие атомы в молекуле хлора, вос­приимчивы к зеленовато-желтому участку спектра; в ме­таллическом натрии — к красному.

Когда энергия кванта достаточно велика, то возможно более сильное взаимодействие фотона и электрона. В та­ком случае электрон переходит на более высокий энерге­тический уровень и некоторое время спустя излучает запасенную энергию. Волны, излучаемые электроном, как правило, иной длины. По­этому серый или белый сульфид цинка становится голу­бым, оранжевым или синим и светится в темноте.

Электронно-возбужденные молекулы представляют собой по сути дела новые молекулы, характеризующиеся своим распределением электронной плотности, структу­рой, своими химическими свойствами. Наличие избыт­ка энергии делает возбужденную молекулу химически более активной, чем исходная молекула. Значит, ве­щество может приобретать цвет не только под действием видимого света, то и в результате взаимодействия с элек­тромагнитными колебаниями в более широком диапазоне.

Таким образом, цвет обусловлен двумя потоками из­лучения. Первый — это тот, что прошел сквозь вещество или отразился от него. В этом потоке нет уже квантов той резонансной частоты, которая поглощена веществом. Это явление мы и воспринимаем как появление цвета. Второй поток возникает в результате того, что возбужден­ный электрон скачком возвращается в свое прежнее со­стояние, а избыточная энергия высвечивается в виде квантов вторичного излучения — флуоресценции.

Цвет неорганических веществ

Единой теории цвета не существует. Однако твердо установлены основные закономерности, связывающие окраску вещества со строением его молекулы. Выяснено главное - цвет связан с подвижностью электронов на атомных орбиталях в молекуле вещества и с «подвижностью» электронов, т.е. с возможностью при поглощении ими энергии кванта света переходить на свободные энергетические уровни, но уже не в атоме, а молекуле вещества.

У металлов для цвета важна правильность кристаллической решетки и относительная свобода передвижения электронов по всему куску металла. У большинства неорганических соединений цвет обусловлен электронными переходами и соответствующим переносом заряда от атома одного элемента к атому другого в молекуле. Свет, падая на молекулу, вызывает изменение энергетического состояния ее атомных группировок. Цвет вещества обусловлен в основном переходами электронов из одного состояния в другое. Изменение всех видов энергетических составляющих при переходе молекулы из основного в возбужденное состояние характеризует и цвет вещества, и весь спектр поглощения.

Оптические свойства металлов

Металлы – элементы, содержащие, как правило, не более трех электронов на внешних энергетических уровнях, поэтому в конденсированном состоянии у них возникает большие незаполненные зоны разрешенных энергий. Это обусловливает их высокую электропроводность, явление фотоэффекта и, конечно, отражающую способность, и, цвет металла.

Цвет металлов зависит от того, волны какой длины они отражают. Белый блеск серебра обусловлен равномерным образованием почти всего набора видимых лучей. Золото желтовато- красное потому, что им отражается почти полностью длинноволновая часть видимого спектра и поглощаются голубые, синие и фиолетовые лучи. А вот тантал и свинец лучше поглощают длинноволновые лучи, поэтому они кажутся синеватыми. К серебристо – белому цвету висмута и кобальта примешивается розовый оттенок из-за разности в поглощении коротких и длинных лучей. Убедительными примерами взаимодействия света с электронами, при которых происходит перевод их на более высокий уровень, и даже полный отрыв, являются полупроводники и фотоэлементы. Фотоэффект легче всего проявляется у щелочных металлов, так как у них электроны слабее связаны с ядром и их легче оторвать.

Существуют s, p, f и d-элементы. Каждый из них имеет свои особенности при образовании соединений. Не имеют окраски неорганические вещества, молекулы которых образованы s и p – элементами и имеют ионы с заполненными электронами оболочками: катионы щелочных и щелочноземельных металлов, анионы неметаллов первых трех периодов. К ним примыкают соединения сурьмы, висмута, свинца, алюминия, так как находятся на границе металл – неметалл.

Из побочных групп белый цвет имеют соединения элементов четвертой группы: титан и цирконий. Широко применяются в качестве белых пигментов соли титановой кислоты.

Ионы, имеющие незавершенные оболочки в большинстве случаев образуют окрашенные соединения. Так, поглощение квантов света определяет цвет Cu²⁺, Fe ²⁺, Fe ³⁺, Co ²⁺, Ni ²⁺, Cr ³⁺, Mn ³⁺, Mn ⁴⁺, Mn ⁶⁺, Mn ⁷⁺и других окрашенных ионов переходных элементов. Затягивая электроны с орбиталей аниона на вакантные орбитали своих атомов, катионы хрома, марганца, железа, кобальта, никеля и других металлов придают окраску соответствующую окраску своим соединениям

Цвет некоторых веществ, например оксида железа (III) Fe₂O₃ и гидроксида железа(III) Fe(OH)₃ определяется сразу двумя обстоятельствами: электронными переходами с одной d -орбитали на другую и переносом заряда с аниона на катион.

Такие вещества как азот, водород, фтор, благородные газы, кажутся нам бесцветными. Кванты видимого света не поглощаются ими, так как не могут привести электроны на более высокий возбужденный уровень. Чем больше электронов в атоме, тем теснее друг к другу электронные уровни. Если в атоме есть незаполненные орбиты, то для перехода электронов из одного состояния в другое требуется уже меньше энергии. Такие многоэлектронные галогены как хлор, бром, йод, уже окрашены. Имеют окраску оксиды азота NO₂, N₂O₃и ковалентные соединения CuCl_{2, AlI3}.

Цвет и структура вещества

Атомы и ионы в кристаллической решетке беспрерывно совершают колебательные движения. Это может приводить к деформации кристалла. Сера может иметь различную окраску от желтого до темно- коричневого в зависимости от того, какова ее кристаллическая решетка. Разнообразные аллотропные модификации фосфора: белый, красный, желтый, коричневый, фиолетовый, черный и т.д. – обладают разными физическими и химическими свойствами. Влияние структуры на цвет проявляется и в более сложных соединениях. Так, хромат свинца PbCrO₄ может быть и темно – желтым и светло – желтым.

Цвет полярных молекул

Если молекула состоит из ионов с заполненными электронными оболочками, то возможность перехода практически исключена. Такие молекулы не имеют окраски. В растворах они бесцветные, а в твердом состоянии белые. Цвет появиться лишь в том случае, если катион с подуровнями, заполненными электронами, связан с анионом, способным к значительной поляризации, например с тяжелыми ионами галогенов или PO₄^3- , AsO₄ ^3- .

Соли и оксиды металлов, имеющих атомы с незаполненными оболочками, в большинстве своем обладают окраской. Взаимное влияние катионов и анионов позволяет варьировать оттенки цвета.

Примеры:

2Ag ⁺ + CrO₄ ^2- = Ag₂ CrO₄

Бесцветный желтый красный

Нg ²⁺ + CrO₄ ^2- = Нg CrO₄

Бесцветный желтый оранжевый

Цвет и среда раствора

В растворах ионы могут воздействовать не только друг на друга, но и на окружающие их молекулы растворителя, а те в свою очередь на ионы. При растворении и в результате сольватации возникает цвет у иона ранее бесцветного.

Например, безводные CuF₂ и CuSO_{4 белые}, а их растворы окрашены в голубой цвет. Это окраска гидратированного иона меди Cu ^2+. Замена воды на аммиак углубляет цвет. Аммиачные молекулы деформируются легче и интенсивность окраски усиливается.

Еще более резко, чем просто растворение, может сказываться на цвете соединения замена одного растворителя на другой. Синий раствор СоСl₂ в этиловом спирте при разбавлении его водой становиться розовым. Вместо привычного голубого цвета гидратированных ионов меди появляется зеленый, если белый порошок безводной соли СuСl₂ растворить не в воде, а в этиловом спирте. Причиной изменения окраски является различная деформируемость молекул растворителей и катионов, испытывающих в свою очередь поляризующие действие со стороны молекул воды и этанола.

Известно, что кристаллический йод практически нерастворим в воде и имеет фиолетовый цвет. В 100% серной кислоте образуется розовый раствор, а в этиловом спирте – коричневый. Таким образом, растворители меняют состояние молекул и ионов.

Степень окисления атома и цвет

Известно, что цвет большинства неорганических соеди­нений определяется состоянием окисления входящих в него ионов. Этим широко пользуются в аналитической химии. Возможности изменения цвета обусловлены как различным состоянием электронов в зависимости от степени окисле­ния, так и изменением поляризующего действия этих ионов (рис. 20).

Ион марганца Мп ²⁺ не обладает окраской в водном растворе. Удаление двух электронов с 4s-орбитали не силь­но затрагивает состояния внутренних электронов, кото­рых у марганца как раз пять и каждый занимает одно из пяти возможных состояний. Однако более высокие степени окисления уже сильно влияют на эти электроны.

Кристаллы МnSO₄ или МnСОз бесцветны (иногда МnСОз светло-розовый), но оксид МnО серо-зеленый, МnСl₂ и Мn(NO₃)₂ розовые. Если в морской воде создается повышенная концентрация марганца, то это сказывается на образовании кораллов, перламутра и жемчуга. В Япо­нии существуют специальные подводные плантации, где разводят жемчужниц — двустворчатых моллюсков. У этих организмов на внутренней поверхности раковин отклады­ваются пластинчатые слои арагонита — одна из кристалли­ческих форм карбоната кальция. Если в эти слои попадают ионы марганца, то слои начинают приобретать розовый оттенок и получается розовый жемчуг. Включения в них других ионов придают желтоватый оттенок, а очень редко жемчуг бывает даже черным. Так как жемчуг по со­ставу - это карбонат кальция, то он может возникнуть и в подземных пещерах. В пещерах в Новом Афоне был обна­ружен такой жемчуг в довольно значительном количестве. Степени окисления марганца +3 соответствует бурый цвет Мn₂0з или черно-коричневый у Мn₂0₄. Правда, по­следнее соединение содержит не только Мn ³⁺, но и Мn⁴⁺, который и углубляет цвет. В обычных условиях Мn0₂ —-черные кристаллы. Ион Мп ⁶⁺ может присутствовать только в составе аниона МпО₄ ^2- , окрашенного в зеленый цвет.

Аниону МnО₄ ^-, где степень окисления марганца самая высокая + 7, соответствует уже иной - фиолетово-мали­новый цвет.

Такое разнообразие цветов соединений марганца раз­личных степеней окисления и их одновременное сочетание в растворе позволило К. Шекеле назвать К₂Мп0₄ мине­ральным хамелеоном.

Такое разнообразие цветов объясняется изменением характера ионов марганца. Чем выше степень окисления, тем больше поляризующее действие марганца. Дело дохо­дит до того, что Мn⁺⁶ и Мn⁺⁷ являются одними из сильных окислителей. У воды они отбирают ион кислорода, созда­вая себе окружение из четырех ионов 0^-2. Разница в со­стоянии лишь одного электрона определяет цвет — зеле­ный или фиолетово-малиновый, а кроме этого — окисли­тельные способности.

Нечто похожее происходит и с ионами хрома. Гидратированный ион хрома Сг²⁺ голубого цвета. Это один из са­мых сильных восстановителей. Он неустойчив ни в раство­ре, ни в составе твердого вещества. Одно из его относитель­но стойких (в отсутствие воздуха) соединений — ацетат Сг(СН₃С00)₂. Поляризующее действие иона Сг²⁺ таково, что ацетат приобретает красный цвет. Ион Сг²⁺ стремится пе­рейти в Сг³⁺, который имеет в растворе уже другой цвет — зеленый, а некоторые из его соединений — фиолетовый (например, СгС1з). Окислением пероксидом натрия можно перевести хром в его высшую степень окисления +6:

Такой ион Сг⁶⁺ может входить в состав аниона двух кис­лот: хромовой — Н₂Сг0₄ и двухромовой — Н₂Сг₂0₇. Каждо­му из них свойственна своя окраска: первому — желтая, а второму — оранжевая. Перевести из одной формы в дру­гую можно добавлением кислоты или щелочи:

2Сг0₄^2- + 2Н⁺ -> Н₂О + Сг₂0₇ ^2-

Сг₂О₇ ^2- + 2ОН ^- -> 2СгО₄²- + Н₂О

Степень окисления определяется состоянием валентных электронов. Каждой степени окисления соответствует свой цвет и свой характер. От голубого неустойчивого иона +2 с восстановительными свойствами до Сг^б+ — окислителя проходит целая гамма цветов. Изменение свойств иона и изменение цвета имеют одну и ту же основу — определен­ное состояние электронов. Переход от одной степени окис­ления к другой делает электронную систему иона чувствительной к световым квантам строго определенной энер­гии, соответствующей разнице энергетических d -подуровней. Многообразие цвета ионных состояний одного и того же элемента доказывает, что это различие довольно тонкое. Подобные цветовые гаммы существуют и у других переходных элементов.

Влияние цвета на человека

Разнообразие и яркость цветов играет в жизни организмов огромную роль. Для одних это проявляется в умении слиться с окружающей их природой, чтобы избежать встречи с хищником или, наоборот, напасть незаметно. А для других яркая контраст­ная окраска служит как бы сигналом и предупреждением о их несъедобности. Кальмары и осьминоги способны чер­неть или бледнеть почти мгновенно. Камбала на дне бас­сейна из чередующихся черных и белых плиток превра­щается в живую шахматную доску. Огромный пятнистый жираф совершенно исчезает из поля зрения среди афри­канской растительности. Ядовитый мухомор — почти все­гда первый из грибов, которых встречаешь, едва войдешь в лес.

Явление цветового контраста служит одним из источ­ников разнообразия цветов и оттенков, воспринимаемых нашим глазом. Зеленый цвет морских волн подчеркивает пурпурный оттенок тени. Серый дом кажется краснова­тым, если смотреть на него сквозь зеленую штору. Ночью глаз после оранжевого пламени костра воспринимает свет Луны как голубоватый. Эти и другие подобные ощущения были обобщены В. Гёте в его книге «Учение о цветах». Он не только собрал, но и глубоко проанализировал воз­действие цвета на состояние человека. Сейчас мы можем объяснить то или иное состояние психики человека род воздействием определенного цвета, а во времена В. Гёте это в значительной степени было еще тайной.

В настоящее время твердо установлено, что любой од­нородный цветовой фон утомляет глаз, который уже не способен различать этот цвет. В этом причина, по которой папуасы Невой Гвинеи не способны различать зеленый цвет, а в стихах Гомера нет эпитета «синий». На цветовом фоне белый или слабоокрашенный предмет приобретает окраску, дополнительную к окраске фона, потому что у глаза повышается чувствительность к дополнительному цвету. Если лучи, соответствующие дополнительному цве­ту, содержатся в свете, отраженном от предмета, то глаз выделит их и как бы подчеркнет его окраску. Мне доводи­лось видеть, как в ясную лунную зимнюю ночь одна сто­рона горного ущелья, на которую падал лунный свет, ка­залась голубоватой, а снег на другой, темной стороне

Цвет не оставляет человека равнодушным. По В. Гёте, ярко-красный — цвет действия, цвет активности. Значит, цвет революционных знамен отражает человеческую по­требность к действию, к преобразованию мира. Лиловый и фиолетовый — цвета грусти, а зеленый вызывает на­строение покоя и умиротворения. Непрямым путем отражаются в памяти и психологии людей цвета окружающего мира. Казалось бы, общеизвестный розовый цвет; название его явно связано с розой, но почему среди множества белых, злых, красных и других роз дал название цвету именно такой оттенок розы. Корал­лы, образующиеся в море, имеют множество окрасок, но коралловый цвет один – ярко - розовый. Так же тропическая пышность дала название лишь одному из разнообразных оттенков зеленого цвета: джунглево - зеленый—это зна­чит темно-зеленый. Попробуйте сами среди знакомых вам оттенков окраски яблок выбрать соответствующий яблоч­но-зеленому, а вспоминая цвет меда от почти белого липо­вого до темно-коричневого — гречишного, выбрать цвет медово-желтый. Становится ясен принцип: цвета называют именами общеизвестных предметов, чтобы сделать их описание понятным всем. Однако не все здесь просто. Не всякий человек сумеет описать цвета, которые с легкостью охарактеризует любая модница: само, пале­вый, электрик, беж, бордо.

Различают эстетику одного изолированного цвета и эс­тетику группы цветов. Высшее проявление человеческих эмоций заключается в гармонии цветов (от греческого сло­ва «хармония» — созвучие, соразмеренность, стройная согласованность частей единого целого). Общий принцип гармонии цветовых ощущений — наиболее приятные соче­тания, которые образуются цветами, либо близкими друг к другу по тону, либо являющимися взаимно дополняющими.

Цвет широко применяется, как средство для управления вниманием человека. Некоторые сочетания цветов считаются более благоприятными (например, синий + жёлтый), другие — менее приемлемыми (например, красный + зелёный). Психология восприятия цвета объясняет, почему те или иные сочетания способны сильно воздействовать на восприятие и эмоции человека.

Гармонические сочетания цветов подбираются худож­никами, декораторами, текстильщиками, модельерами одежды, мебели и специалистами десятков других профес­сий. Гармония цвета составной частью входит в искусство «дизайна». Сами цветовые сочетания могут быть весьма разнообразны. Они комбинируются на разной основе: близкие по данному цветовому тону, но различные по светлоте; контрастные и полноцветные; из промежуточных между чистыми цветовыми тонами. К гармоническим сочетаниям могут быть отнесены такие пары и триады:

Парные сочетания: синий — оранжевый, фио­летовый — желтый, пурпурный — желтый, пурпурный — зеленый, синий — зеленовато-желтый, голубой — красный;

Гармонические триады: красный — жел­тый — синий, пурпурный — желтый — голубой, крас­ный — зеленый — синий, желтый — оранжевый — фиоле­товый.

Гармония пар и триад учитывается при утверждении такого важного символа, как флаг и герб государства. На знамени нашей Страны Советов пурпурный цвет сочета­ется с золотом пятиконечной звезды, серпа и молота. При­менение цветовых гармонических сочетаний является поч­ти правилом в архитектуре, декорировании тканей и кера­мики, при создании одежды, мебели и картин. Конечно, в процессе творчества художник, создавая изделие или про­изведение, волен выбирать как гармонические, так и дис­гармонические отношения цветов в соответствии с эмоцио­нальным воздействием произведения. Использование цве­та должно быть подчинено единству формы и содержания, реалистическому отражению явлений природы и жизни, требованиям моды и стиля.

Цвет — важнейшее средство воздействия во всех видах искусства. В первую очередь, разумеется, в живописи. Хо­тя восприятие цвета человеческим глазом практически не изменилось (по крайней мере, за последние 100000 лет), роль цвета в живописи, как в целом и сама живопись, про­шла немалый исторический путь. В музыке цветовые ана­логии почти неизбежны при восприятии и анализе самых глубоких и самых сложных программных симфонических произведений. И наоборот, те цветы, что выращены цвето­водами, способны вызвать музыкальные ассоциации. По­жалуй, самым свежим примером является конкурс на луч­шее название гладиолусов (выращенных одним из извест­ных цветоводов). Этот конкурс объявлен одной из популярных передач центрального телевидения — «Музы­кальный киоск». Среди предложенных названий есть и «Король вальса», и просто «Вальс»; «Сонет» —- в честь по­пулярной эстрадной певицы, и «Спартак» — ассоциация с прекрасным балетом Л. И. Хачатуряна.