Pigmenty – syntéza

Vzdelávacia oblasť: VÝZNAMNÉ CHEMICKÉ PRVKY A ZLÚČENINY; CHEMICKÉ VÝPOČTY

Tematický celok: NÁZVOSLOVIE A VLASTNOSTI VYBRANÝCH ANORGANICKÝCH CHEMICKÝCH ZLÚČENÍN/NEUTRALIZAČNÉ A REDOXNÉ REAKCIE; LÁTKOVÉ MNOŽSTVO, MOLÁRNA HMOTNOSŤ, ZLOŽENIE ROZTOKOV

Téma: OXIDY, HYDROXIDY, KYSELINY, SOLI/REDOXNÉ REAKCIE; LÁTKOVÉ MNOŽSTVO, MOLÁRNA HMOTNOSŤ, HMOTNOSTNÝ ZLOMOK, KONCENTRÁCIA LÁTKOVÉHO MNOŽSTVA

Pri pohľade na tieto obrázky si zrejme povieš, aké sú jednoduché a takmer jednofarebné… áno, je to tak. A predsa sú výnimočné. Ich jedinečnosť spočíva práve vo farbách, ktorými sú maľované. Sú to farby, ktoré sme syntetizovali na našom chemickom krúžku Kremík. Podarilo sa nám pripraviť niekoľko odtieňov zelenej, červenohnedú, čiernu, modrú a čierny a modrý atrament. Práškové pigmenty sme spojili vajíčkovo-olejovým pojivom a tak vznikla farba podobná tempere, ktorá sa dá štetcom nanášať na podklad, papier. 

Vyskúšali sme si, že tieto vlastnoručne pripravené farby skutočne maľujú. Aj keď sme museli obrázky prispôsobiť odtieňom, ktoré sme mali k dispozícii, sú určite parádne, pretože sú naše ;).

V nasledujúcich riadkoch nájdeš nami odskúšané recepty/postupy na prípravu niekoľkých pigmentov. Ako si zo syntetizovaných pigmentov pripraviť farbu vhodnú k nanášaniu na papier sa dozvieš v materiáli Temperová farba

Malachitová zeleň

Dihydroxid-uhličitan dimeďnatý sa vyskytuje v prírode vo forme zeleného minerálu malachitu (farba sa môže meniť od svetlozelenej až po čiernozelenú). Z chemického hľadiska je to kombinácia uhličitanu meďnatého a hydroxidu meďnatého, CuCO₃·Cu(OH)₂. Malachit sa používal ako minerálny pigment v zelených farbách od staroveku. Je veľmi málo rozpustný vo vode. Jeho syntéza je veľmi jednoduchá.

Pomôcky:

hodinové sklíčka, váhy, trecia miska, kadička, trojnožka, sieťka, kahan alebo varič, chemická lyžička, sklená tyčinka, odmerný valec, aparatúra na filtráciu

Chemikálie:

pentahydrát síranu meďnatého,  hydrogenuhličitan sodný , destilovaná voda

Postup: 

1. Do vyššej kadičky odmeraj 50ml vody a ohrej (cca 50°C).
2. 6,3 g CuSO₄.5H₂O spolu so 4,8 g NaHCO₃ zosyp do trecej misky, premiešaj a opatrne rozotri.
3. Zmes postupne po malých dávkach pridávaj do zohriatej vody v kadičke. Po každom vsypaní zmesi kadičku prikry hodinovým sklíčkom, pretože obsah by mohol ľahko vyšumieť.
4. Zmes v kadičke prikrytú hodinovým sklíčkom nechaj variť niekoľko minút (zmes by nemala stmavnúť).
5. Vzniknutú zelenú zrazeninu prefiltruj cez hladký (môžeš aj cez skladaný) filter a premy horúcou vodou.

CuSO₄.5H₂O + NaHCO₃ → CuCO₃Cu(OH)₂ + Na₂SO₄ + CO₂ + H₂O

TIPY:

• Ďalší minerál obsahujúci meď je sýtomodrý azurit. V prírode sa vyskytuje spolu s malachitom. Renesanční maliari ho používali na znázornenie jasnej modrej oblohy. Tento pigment je ale nestabilný na vzduchu, vo vlhkom a zásaditom prostredí, preto sa časom mení na zelený malachit. A to je dôvodom, prečo napríklad obloha v Michelangelových maľbách po rokoch ozelenela.

Azurit môžeš pripraviť rovnakým spôsobom ako malachit, ale musíš pracovať rýchlejšie a pri nižšej teplote, zmes nezahrievať a hneď prefiltrovať a premyť vodou. Ak by vzniknutý azurit ostal v roztoku, reakcia by pokračovala a vznikol by malachit.

• Pokiaľ sa ti podarí zmes v kadičke zohriať až príliš a stmavne, nič to, získaš ďalší pigment sivozelenej farby

Octan meďnatý

Octan meďnatý, modrozelený pigment môžeš pripraviť z malachitu.

Cu₂CO₃(OH)₂ + CH₃COOH → Cu(CH₃COO)₂ + H₂O + CO₂

Pomôcky:

hodinové sklíčko, kadička, váhy, aparatúra na odparovanie, chemická lyžička, sklená tyčinka, odmerný valec, aparatúra na filtráciu

Chemikálie:

dihydroxid-uhličitan dimeďnatý,  15% kyselina octová 

Postup:

1. K 6 g malachitu v kadičke pomaly prilievaj 50ml 15% kyseliny octovej.
2. Zmes opatrne zahrievaj približne pol hodinu. Potom nechaj vychladnúť.
3. Po vychladnutí zmes prefiltruj cez skladaný filter.
4. Filtrát prelej do odparovacej misky a odparuje do vytvorenia kryštalizačnej blany.
5. Octan meďnatý nechaj v kryštalizačnej miske v pokoji vykryštalizovať do ďalšieho dňa.

TIPY:

• Octan meďnatý je chemická zlúčenina, o ktorej som už písala v materiáli Patina na minci obsahujúcej meď. V uvedenom príspevku si môžeš pozrieť fotografie kryštálikov octanu meďnatého cez mikroskop, alebo aj video rastu kryštálikov na medenom povrchu mincí.

Berlínska modrá

Berlínska alebo Pruská modrá je prvé syntetické farbivo známe už od roku 1706, pripravené prvý krát v Berlíne náhodne pri pokusoch s oxidáciou železa. V 18. storočí sa stala často používanou a veľmi obľúbenou modrou farbou v maľbách.

Pomôcky:

hodinové sklíčka, váhy, kadička, chemická lyžička, sklená tyčinka, odmerné banky, aparatúra na filtráciu

Chemikálie:

síran železitý,  hexakyanoželeznatan draselný, destilovaná voda

Postup:

1. Do odmerných bánk si priprav 100 ml vodného roztoku síranu železitého s koncentráciou 0,05 mol/dm³ a 100 ml vodného roztoku hexakyanoželeznatanu draselného tiež s koncentráciou 0,05 mol/dm³
2. Pripravené roztoky zmiešaj vo väčšej kadičke v poradí Fe₂(SO₄)₃ s K₄[Fe(CN)₆].
3. Vzniknutú zrazeninu odfiltruj zo zmesi najlepšie cez hladký filter a niekoľkokrát premy destilovanou vodou.
4. Filtračný koláč nechaj voľne vysušiť.

FeSO₄ + K₃[Fe(CN)₆] → Fe + K₂SO₄ + Fe₄[Fe(CN)₆]₃

TIPY:

• Berlínska modrá je veľmi jemný modrý pigment, ktorého častice nie sú vo vode rozpustné. Tvorí koloidný vodný roztok. Tento koloidný roztok môžeš použiť ako modrý atrament a nanášať ha na papier pierkom.

Oxid meďnatý

Oxid meďnatý v podobe čierneho prášku sa používa ako farbivo do náterov a glazúr v keramike. Hoci čierny atrament vieme pripraviť z dubienok (prelinkovať s materiálom Dubienkový atrament), niekedy sa zíde aj hustejšia čierna farba.

Pomôcky:

hodinové sklíčko, chemická lyžička, váhy, kadičky, sklená tyčinka, kahan, zápalky, trojnožka, sieťka alebo varič, odmerný valec, aparatúra na filtráciu

Chemikálie:

pentahydrát síranu meďnatého,  uhličitan draselný, destilovaná voda

Postup:

1. 5 g CuSO₄.5H₂O rozpusti v 45 ml destilovanej vody.
2. 2,8 g K₂CO₃ rozpusti tiež v 45 ml destilovanej vody.
3. K roztoku modrej skalice pridaj roztok uhličitanu draselného – prilievaj ho po malých množstvách po sklenej tyčinke. Po každom pridaní zmes v kadičke premiešaj tyčinkou.
4. Zmes v kadičke prikry hodinovým sklíčkom a pomaly zahrievaj až do varu. Počas zahrievania sa zo suspenzie uvoľňuje CO₂, preto zmes šumí.
5. Suspenziu var dovtedy, kým sa v celom objeme sfarbenie nezmení na čierne.
6. Reakčnú zmes nechaj vychladnúť, usadiť a dekantuj – vychladnutý roztok nad zrazeninou  opatrne zlej. Potom do kadičky z čiernou zrazeninou prilej 100 ml destilovanej vody, premiešaj a nechaj usadiť. Roztok nad zrazeninou opäť opatrne zlej. Tento postup opakuj jeden – dva krát.
7. Zrazeniu prefiltruj cez hladký filter a nechaj vyschnúť voľne na vzduchu.

CuSO₄·5H₂O + K₂CO₃ → CuO + K₂SO₄ + CO₂ + H₂O

TIPY:

• Oxid meďnatý vytvorí v kadičke súvislú vrstvu usadeniny, ktorá počas varenia zmesi bráni uniku bubliniek. Preto občas dochádza k „vybuchnutiu“ usadeniny, čo môže byť nebezpečné vzhľadom na to, že zmes je horúca. Aby si tomu predišiel, musí byť vrstva usadeniny čo najtenšia, preto použi hlbšiu kadičku s veľkým priemerom a zmes v občas premiešavaj sklenou tyčinkou.
• Oxid meďnatý tvorí čiernu vrstvičku na medených predmetoch, napr. medených sochách, nádobách, minciach. Je súčasťou patiny, ktorá chráni medené objekty pred koróziou (viac v materiáloch Oxid meďnatý a Patina na minci obsahujúcej meď).

Oxid meďný

Oxid meďný sa v prírode nachádza ako minerál kuprit. Na rozdiel od väčšiny ostatných minerálov medi zelenej farby je kuprit červený. Aj pigment Cu₂O, ktorý sa používa najmä v keramike, je červenej farby.

Pomôcky:

hodinové sklíčka, chemická lyžička, váhy, kadičky, sklená tyčinka, vodný kúpeľ, odmerný valec, aparatúra na filtráciu za zníženého tlaku, pipeta

Chemikálie:

pentahydrát síranu meďnatého,  glukóza, vínan sodno-draselný, 20% roztok hydroxidu sodného, destilovaná voda 

CuSO₄ .5 H₂O + C₆ O₆ H₁₂ + NaOH → Cu₂O + Na₂SO₄ + C₆O₇H₁₁Na + H₂O

Postup:

1. 5,4 g CuSO₄.5H₂O rozpusti v 175 ml destilovanej vody.
2. 19,7 g glukózy rozpusti v 210 ml destilovanej vody.
3. Roztok glukózy nalej k roztoku modrej skalice.
4. K roztoku glukózy a modrej skalice vsyp 1,6 g vínanu sodno-draselného a zamiešaj.
5. Do kadičky pridaj pipetou 2 ml 20% roztoku hydroxidu sodného.
6. Kadičku postav do vodného kúpeľa a opatrne zahrievaj, až kým sa farba vznikajúcej zrazeniny nezmení na červenooranžovú. 
7. Reakčnú zmes nechaj vychladnúť, usadiť a niekoľkokrát dekantuj destilovanou vodou.
8. Zrazeniu prefiltruj za zníženého tlaku (alebo cez hladký skladaný filter, ak nemáš k dispozícii aparatúru na filtráciu za zníženého tlaku) a nechaj voľne vysušiť .

Postupná premena farby reakčnej zmesi až do vytvorenia červenooranžového Cu₂O

Oxid železitý

Hnedočervený pigment oxid železitý sa v prírode vyskytuje ako minerál hematit. Okrem využitia v umeleckej výtvarnej sfére sa tento pigment pridáva ako farbivo aj do kozmetických prípravkov červenej farby.

Pomôcky:

hodinové sklíčka, chemická lyžička, váhy, kadičky, sklená tyčinka, odmerný valec, aparatúra na filtráciu za zníženého tlaku, keramický kelímok na žíhanie, kahan, trojnožka, sieťka

Chemikálie:

heptahydrát síranu železnatého, uhličitan sodný, destilovaná voda 

FeSO₄  +  Na₂CO₃  →  FeCO₃  +  Na₂SO₄

FeCO₃  +  O₂  →  Fe₂O₃  +  CO₂

Postup:

1. Do dvoch kadičiek priprav po 100 ml vody a obe zohrej približne na 80°C.
2. 30 g zelenej skalice rozpusti v zohriatej vode v prvej kadičke.
3. 11,4 g uhličitanu sodného rozpusti v zohriatej vode v druhej kadičke.
4. Ešte horúci roztok uhličitanu sodného vlej po malých dávkach a za intenzívneho miešania k horúcemu roztoku zelenej skalice.
5. Zmes krátko povar, aby sa vylúčila všetka zrazenina okrového uhličitanu železnatého.
6. Reakčnú zmes nechaj vychladnúť, usadiť zrazeninu a niekoľkokrát dekantuj destilovanou vodou.
7. Zrazeniu prefiltruj za zníženého tlaku (alebo cez hladký skladaný filter, ak nemáš k dispozícii aparatúru na filtráciu za zníženého tlaku) .
8. Filtračný koláč presyp do keramického kelímka a za občasného premiešania kovovou lyžičkou žíhaj nad plameňom kahana až kým nezískaš jemný prášok červenohnedého oxidu železitého.

POPREMÝŠĽAJ, VYHĽADAJ, ZISTI a POPÍŠ…

1. Reakciu prípravy každého pigmentu je možné zobraziť chemickou rovnicou. Nasledovné chemické rovnice je potrebné vyrovnať a priradiť správne názvy vzniknutých pigmentov.

CuSO4.5H2O + NaHCO3 → CuCO3Cu(OH)2 + Na2SO4 + CO2 + H2O	octan meďnatý
Cu2CO3(OH)2 + CH3COOH → Cu(CH3COO)2 + H2O + CO2	oxid meďný
FeSO4 + K3[Fe(CN)6]→Fe + K2SO4 + Fe4[Fe(CN)6]3	oxid meďnatý
CuSO4·5H2O + K2CO3 → CuO + K2SO4 + CO2 + H2O	oxid železitý
CuSO4.5H2O + C6O6H12 + NaOH → Cu2O+Na2SO4+C6O7H11Na+H2O	malachit
FeSO4  +  Na2CO3  →  FeCO3  +  Na2SO4 FeCO3  +  O2  →  Fe2O3  +  CO2	Berlínska modrá

2. Pri príprave pigmentov si použil aj hydráty solí. Uveď ktoré – napíš ich chemický aj triviálny názov a chemický vzorec.

3. V príprave jedného pigmentu bola potrebná hydrogensoľ. Uveď jej chemický aj triviálny názov a chemický vzorec.

4. Z chemického hľadiska je malachit tvorený dvoma chemickými zlúčeninami medi. Uveď ktorými – chemický názov aj chemický vzorec.

5. Popremýšľaj čím sú typické zrážacie reakcie, čo je ich produktom. Pozoroval si v rámci prípravy niektorého pigmentu zrážaciu reakciu? Opíš.

6. Z uvedených chemických reakcií vypíš všetky oxidy a hydroxidy – uveď chemický vzorec s oxidačnými číslami a chemický názov každého oxidu.

7. Napíš chemické názvy a doplň oxidačné čísla prvkov v chemických vzorcoch týchto solí:

FeSO₄ …………………………………………….

Na₂CO₃…………………………………………….

K₂SO₄ …………………………………………….

K₂CO₃…………………………………………….

Na₂SO₄…………………………………………….

FeCO₃…………………………………………….

8. Uveď názvy a chemické vzorce kyselín, z ktorých sú odvodené soli z predchádzajúcej úlohy.

9. V chemickej reakcii                            FeCO₃  +  O₂  →  Fe₂O₃  +  CO₂ 

dochádza k zmene oxidačných čísel niektorých prvkov.
Uveď o aký typ chem. reakcie sa jedná.
Doplň oxidačné čísla všetkých prvkov.
Napíš čiastkové deje oxidácie a redukcie.

10. Pri syntéze Berlínskej modrej si potrebuješ vopred pripraviť roztoky určitej koncentrácie.

• Vypočítaj hmotnosť síranu železitého potrebného k príprave 100 ml vodného roztoku s koncentráciou 0,05 mol/dm³.
• Vypočítaj hmotnosť hexakyanoželeznatanu draselného potrebného k príprave 100 ml vodného roztoku s koncentráciou 0,05 mol/dm³.

11. Vypočítaj koľko percentné roztoky pripravíš:

• Rozpustením 5,4 g CuSO₄.5H₂O v 175 ml destilovanej vody.
• Rozpustením 19,7 g glukózy v 210 ml destilovanej vody.
• Rozpustením 2,8 g K₂CO₃ v 45 ml destilovanej vody.
• Rozpustením 30 g zelenej skalice v 100 ml vody.
• Rozpustením 11,4 g uhličitanu sodného v 100 ml vody.

12. Vypočítaj hmotnosť vzniknutého oxidu meďnatého, ak si na jeho prípravu použil 2,8 g uhličitanu draselného. Chemická reakcia beží podľa chemickej rovnice (nezabudni rovnicu vyrovnať):

CuSO₄·5H₂O + K₂CO₃ → CuO + K₂SO₄ + CO₂ + H₂O

13. Uveď rozdiel medzi filtráciou cez hladký a skladaný filtračný papier.

14. Pokús sa opísať priebeh filtrácie za zníženého tlaku.

15. Vysvetli, opíš proces dekantácie a jej využitie.