Проектная работа "Исследование пламени неорганических веществ визуально и с помощью спектроскопа"

Научно­практическая конференция школьников Люберецкого муниципального района «Общество, наука, инновации» Тема: Исследование пламени неорганических веществ визуально и с помощью спектроскопа Автор: Ватутин Алексей Андреевич, МОУ  ТСОШ № 14    класс 8                                              Научный руководитель: Подшивалова И.А.                                              Учитель химии и физики, МОУ  ТСОШ  № 14 2018 г. ~ 1 ~ Содержание. 1 Введение 2 Историческая справка 3 Теоретическая часть 4 Экспериментальная  .................................................................... .................................................................... .................................................................... .................................................................... 3 4 6 11 часть 5 Источники  информации .................................................................... 20 ~ 2 ~ 1. Введение 1.1 Типология проекта:реферативно­исследовательский; многопредметный. 1.2 Цель исследования: исследовать пламя неорганических веществ. 1.3   Обоснование   цели:изготовление   «цветного   пламени»   всегда   интересовало человечество   для   различных   целей.   Наша   цель   найти   самые   эффективные способы окраски пламени. 1.4 Гипотеза нашего исследования состоит в том, что все вещества при горении должны окрашивать пламя в определенный цвет. 1.5 Объект исследования: неорганические вещества: 1. хлорид магния  2. хлорид марганца 3. хлорид калия  4. хлорид железа 5. хлорид меди 6. хлорид лития  7. сульфат меди 8. хлорид бария  9. хлорид цинка  10. хлорид кальция  11. хлорид кадмия  12. хлорид натрия  13. борная кислота  14. сульфат никеля  15. сульфат кобальт  ~ 3 ~ 1.6 Предмет исследования 1.       Изготовление парафиновых таблеток с неорганическими веществами 2.       Визуальное   наблюдение   пламени   горения   парафиновых   таблеток   с неорганическими веществами и с помощью спектроскопа 3.       Приготовление насыщенных растворов неорганических веществ 4.       Визуальное   наблюдение   пламени   горения   растворов   неорганических веществ и с помощью спектроскопа 1.7 Объект, предмет и цель исследования определяют кругисследовательских задач: 1        Изучить информацию по проблеме 2        Продумать методику экспериментов 3        Приготовить необходимые растворы, парафиновые таблетки и свечи 4        Провести эксперименты 5        Свести результаты в таблицу 6        Провести анализ результатов и сделать выводы 7        Создать презентацию и написать реферат 2. Историческая справка. Особенно заинтересовал исследователей свет пламени, окрашенного солью. Известно, например, что если в пламя внести щепотку поваренной соли (NaCI), то в спектре появляется интенсивная ярко-желтая линия. Другие соли дают другие линии. ~ 4 ~ Спектрами окрашенного пламени занялись тогда многие английские ученые, среди них и Джон Гершель (1792-1871)-сын выдающегося астронома и создателя астрономических инструментов Вильяма Гершеля. Джон Гершель исследовал различные спектры, в том числе спектры стронция и калия. Вскоре точные наблюдения спектров показали, что их вид неодинаков для разных веществ. Тогда некоторые ученые начали высказывать предположение, что это даст возможность определять состав светящихся веществ по их спектрам. Однако никому пока не удавалось установить зависимость характера спектра от химического состава веществ, находящихся в пламени, хотя идея такой связи обретала все более реальную почву. При этом особое значение приобрел замеченный многими учеными, но не поддающийся объяснению факт: точно на том месте, где в спектре Солнца находилась темная линия, обозначенная Фраунгофером буквой D, в натриевом пламени можно было обнаружить светло- желтую линию. О происхождении этой желтой линии, правда, ничего не было известно. Некоторые ученые, в том числе шведский физик и астроном Лидере Йонас Ангстрем (1814- 1874)-оспаривали принадлежность желтой линии именно к спектру натрия и идентифицировали ее как линию, широко наблюдаемую у всех металлов, которая не имела постоянного положения в спектре. Примерно в это время два немецких ученых, физик Густав Роберт Кирхгоф (1824-1887) и химик Роберт Вильгельм Бунзен (1811-1899), также занялись изучением явлений, возникающих при разложении света стеклянными призмами. ~ 5 ~ Летом 1860 г. великий герцог Баденский гостил в Гейдельбергском замке. Во время ночного празднества в честь приезда герцога замок был щедро иллюминирован бенгальскими огнями. Рассказывают, что Кирхгоф и Бунзен в тот вечер наблюдали эту игру разноцветных огней с крыши своей лаборатории, расположенной неподалеку от замка. Бунзен принес из лаборатории комплект призм и принялся с их помощью исследовать пламя. Подобные наблюдения были повседневным занятием обоих ученых. Бунзен тотчас узнал характерные линии бария и красные линии стронция в спектре праздничного фейерверка. Обращаясь к Кирхгофу, он заметил: "Если мы на таком расстоянии способны определить, какие вещества горят в этом пламени, то почему бы нам не попытаться узнать, из каких веществ состоят небесные тела?" В 1859 г. в трудах Берлинской Академии наук Кирхгоф опубликовал статью - крошечную по объему, но значительную по сути. Ее название звучало более чем скромно: "О фраунгоферовых линиях". В этой статье Кирхгоф сообщал о совместных с Бунзеном исследованиях, в процессе которых им удалось определить химический состав сложной смеси по ее спектру. При этом обнаружились новые данные о происхождении фраунгоферовых линий. В ходе эксперимента Кирхгоф одновременно направил в щель спектрографа яркий свет пламени натрия и солнечный свет. Учитывая совпадение желтой линии натрия с соответствующей темной линией в солнечном спектре, он предположил, что темная фраунгоферова линия в спектре Солнца окажется несколько ярче под влиянием желтой натриевой линии. Однако ~ 6 ~ обнаружилось нечто совершенно противоположное: темная линия стала темнее, чем была. Кирхгоф прокомментировал столь неожиданный результат словами: "Либо это вздор, либо великое дело". Действительно, это было великое открытие. Кирхгоф изменил условия опыта: он стал уменьшать яркость солнечного света, и тогда при определенном значении интенсивности темные D-линии вдруг превращались в светлые. Когда же он увеличивал яркость солнечного света, светлые линии становились темными. Эти эксперименты показали, что совпадение светлых и темных линий не было случайностью. Все это наводило на мысль, что обе линии должны иметь нечто общее. Сутки напряженных размышлений привели Кирхгофа к следующему выводу: пары натрия обладали способностью поглощать свет точно той длины волны, которую они излучали в раскаленном состоянии. При ослаблении солнечного света начинало преобладать испускание света натрием и обнаруживалась желтая линия. При интенсивном же солнечном свете свет натриевого пламени оказывался недостаточным и отчетливо наблюдалась темная D-линия. Свои результаты Кирхгоф коротко сформулировал так: "Я заключаю из этих наблюдений, что пламя, в спектре которого имеются четкие светлые линии, настолько ослабляется излучением того же цвета, что на месте светлых линий выступают темные, как если бы позади пламени был помещен источник света достаточной интенсивности, в спектре которого эти линии обычно отсутствуют". ~ 7 ~ Сп ектроскоп, с помощью которого Кирхгоф исследовал солнечный спектр; именно тогда были заложены основы новой науки-астрофизики. Сегодня этот инструмент хранится в Потсдамской астрофизической обсерватории Академии наук Германии. 3. Теоретическая  часть. Почему появляются спектры ? Великий английский ученый Исаак Ньютон выполнил целый комплекс оптических экспериментов с призмами, подробно описав их в «Оптике», «Новой теории света и цветов», а также в «Лекциях по оптике». Ньютон убедительно доказал ложность представлений о возникновении цветов из смешения темноты и белого света. На основании проделанных опытов он смог ~ 8 ~ заявить: «Никакого цвета не возникает из белизны и черноты, смешанных вместе, кроме промежуточных темных; количество света не меняет вида цвета».Ньютон показал, что белый свет не является основным, его надо рассматривать как составной (по Ньютону, «неоднородный»; по современной терминологии, «немонохроматический»); основными же являются различные цвета («однородные» лучи или, иначе, «монохроматические» лучи). Возникновение цветов в опытах с призмами есть ре- зультат разложения составного (белого) света на основные составляющие (на различные цвета). Это разложение происходит по той причине, что каждому цвету соответствует своя степень преломляемости. Таковы основные выводы, сделанные Ньютоном; они прекрасно согласуются с современными научными представлениями. Выполненные Ньютоном оптические исследования представляют большой интерес не только с точки зрения полученных результатов, но также и с методической точки зрения. Разработанная Ньютоном методика исследований с призмами (в частности, метод скрещенных призм) пережила века и вошла в арсенал современной физики. Приступая к оптическим исследованиям, Ньютон ставил перед собой задачу «не объяснять свойства света гипотезами, но изложить и доказать их рассуждениями и опытами». Проверяя то или иное положение, ученый обычно придумывал и ставил несколько различных опытов. Он подчеркивал, что необходимо использовать разные способы «проверить то же самое, ибо испытующему обилие не мешает». ~ 9 ~ Спектры различных веществ. Устройство спектроскопа. ~ 10 ~ Рис. 1. Спектроскоп имеет следующие основные части (рис. 2): 1. Коллиматор К, представляющий собой трубку с объективом О1 на одном конце и со щелью Щ на другом. Щель коллиматора освещается лампой накаливания. Т.к. щель находится в фокусе объектива О1, то лучи света, выйдя из коллиматора, падают на призму П параллельным пучком. 2. П – призма, в которой происходит преломление и разложение пучка лучей по их длине волны. 3. Зрительная труба Т состоит из объектива О2 и окуляра 0к. Объектив О2 служит для того, чтобы фокусировать вышедшие из призмы П параллельные цветные лучи в своей фокальной плоскости. Окуляр Ок представляет собой лупу, через которую рассматривается изображение, даваемое объективом О2. ~ 11 ~ Рис 2. Спектроскопия и спектральный анализ. раздел физики, Спектроскопия — посвящённый изучению спектров электромагнитного излучения. В более широком смысле — изучение спектров различных видов излучения. Методы спектроскопии используются для исследования энергетической структуры атомов, молекул и макроскопических тел, образованных из них. Они применяются при изучении таких макроскопических свойств тел как температура и плотность, а в аналитической химии — для обнаружения и определения веществ. К преимуществам спектроскопии относится возможность диагностики insitu, то есть непосредственно в «среде обитания» объекта, бесконтактно, дистанционно, без какой- либо специальной подготовки объекта. Поэтому она получила широкое развитие, например, в астрономии. ~ 12 ~ Спиртовое пламя и его спектр. совокупность Спектральный анализ — методов качественного и количественного определения состава объекта, основанная на изучении спектров взаимодействия материи с излучением, включая спектры электромагнитного излучения, акустических волн, распределения по массам и энергиям элементарных частиц и др. В зависимости от целей анализа и типов спектров выделяют спектрального несколько анализа. Атомный и молекулярный спектральные анализы позволяют определять элементарный и молекулярный состав вещества, эмиссионном соответственно. методов В ~ 13 ~ и абсорбционном методах состав определяется по спектрам испускания и поглощения. Масс-спектрометрический анализ осуществляется по спектрам масс атомарных или молекулярных ионов и позволяет определять изотопный состав объекта. ~ 14 ~ 4. Экспериментальная часть. 1.  Приготовление парафиновых таблеток и свечей    : 1) Измельчаем парафин и расплавляем его на водяной бане 2) Засыпали соли в таблетки и фарфоровые тигли 3)  Разлили парафин по таблеткам и фарфоровым тиглям 2  . Приготовили 20    % растворы солей 1) Взяли навески солей по 10 грамм 2) Растворили соли в 50 мл дистиллированной воды 3) Замочили опилки в приготовленных растворах солей на 2 суток. Высушили  и  сожгли в фарфоровых чашках. 4) Часть растворов впрыскивали в пламя спиртовки. 5.Выводы 1.Узнал, что такое спектры и спектральный анализ. 2. Научился работать с спектроскопом. 3.Научился готовить растворы солей , парафиновые свечи и таблетки. 4.Самое красивое и четко окрашенное пламя получается при сгорании в спирте  щепы, замоченной в растворах и высушенной. 5. К сожалению,  соли не всех металлов окрашивают пламя, а только соли  активных металлов. ~ 15 ~ 6. Источники информации. 1.otneba.narod.ru 2.www.newreferat.com;allrefs.net Приготовление парафина Приложение ~ 16 ~ Приготовление парафиновых таблеток и свечей ~ 17 ~ ~ 18 ~ Приготовление растворов солей ~ 19 ~ ~ 20 ~ Окрашивание пламени при впрыскивании растворов солей в пламя Таблица 1 Название вещества 1. хлорид магния 2. хлорид  марганца 3. хлорид  калия 4. хлорид железа 5. хлорид меди 6. хлорид лития 7. сульфат меди 8. хлорид бария 9. хлорид цинка спиртовки Фото пламени ~ 21 ~ Цвет пламени Не изменился Пламя искрилось оранжевым цветом Бледно­фиолетовый Пламя искрилось Зеленый Малиновый Зеленый Красный Не изменился 10. хлорид  кальция 11. хлорид  кадмия 12. хлорид натрия 13. борная  кислота 14. сульфат  никеля 15. сульфат  кобальта Красный Не изменился Ярко­желтый Лаймовый Пламя искрилось Пламя искрилось Таблица 2 Окраска пламени при горении пропитанной солями щепы Название вещества 1. хлорид  магния 2. хлорид  марганца Фото пламени Цвет пламени Пламя искрилось Пламя искрилось  ~ 22 ~ 3. хлорид  калия Бледно­фиолетовый 4. хлорид  железа Пламя искрилось 5. хлорид меди Зелено­голубой 6. хлорид лития Малиновый ~ 23 ~ 7. сульфат меди Синий 8. хлорид бария Красно­фиолетовое 9. хлорид цинка Не изменился 10. хлорид  кальция Кирпичный  ~ 24 ~ Темно­оранжевый  Ярко­желтый Лаймовый Темно­голубой 11. хлорид  кадмия 12. хлорид  натрия 13. борная  кислота 14. сульфат  никеля ~ 25 ~ 15. сульфат  кобальта Светло­ голубой ~ 26 ~