Органические и неорганические пигменты

                                                         ТЕЗИСЫ

Название работы: ПИГМЕНТЫ ОРГАНИЧЕСКОГО И НЕОРГАНИЧЕСКОГО ПРОИСХОЖДЕНИЯ

Ф.И.О: Ткач Анна Игоревна

Внешкольное учебное заведение: «Малая академия наук учащейся молодежи Республики  Крым «Искатель»

Учебное заведение: Муниципальное общеобразовательное учреждение лицей «Многоуровневый образовательный комплекс №2»  города Джанкоя

Класс: 10 класс

Научный руководитель: Хайруддинов Борис Анатольевич, учитель химии муниципального общеобразовательного учреждения лицея «Многоуровневый образовательный комплекс №2»  города Джанкоя.

Целью работы «Пигменты органического и неорганического происхождения» является рассмотрение вопроса истории использования пигментов в прошлом,  получения пигментов растительного и животного происхождения, синтеза пигментов, применения красителей, а также самостоятельное получение зеленой краски путем проведения опыта в лабораторных условиях.

Актуальность работы «Пигменты органического и неорганического происхождения»  состоит в том, что пигменты или красители окружают человека на протяжении всей жизни, поэтому необходимо знать особенности их использования и получения.

Выводы:

1.В своей работе я изучила темы использования, строения и получения пигментов.

2.В своей работе я практическим путем доказала возможность получения зеленой краски в лабораторных условиях.

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ……………………………………………………………………  4

1.ОРГАНИЧЕСКИЕ И НЕОРГАНИЧЕСКИЕ ПИГМЕНТЫ……………..    5                                                                                                                           

1.1.Создание пигментов растительного и животного

происхождения     ……………………………………………………………   5

1.2 Минеральные пигменты………..…………………………………………..8

1.3 Первые синтезы органических пигментов в 19 веке………………        11

1.4 Синтез органических пигментов………………...………………………..11

1.5. Применение красителей ………………...………………………..           12

2. ПРАКТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ………………………………………………….14                                                                           

Литература…...……………………………………………………………… . 18                                                                                        

ВВЕДЕНИЕ

          Пигме́нт (от лат. pigmentum — краска)  — это высокодисперсные окрашенные порошки, получаемые из природного или синтетического сырья. По химическому составу пигменты разделяют на органические и неорганические, по цвету пигменты делятся  на ахроматические (белые, серые, черные) и хроматические (все цветные). В своей работе я рассматриваю органические и неорганические  пигменты.

Органические пигменты, в отличие от неорганических, не обладают защитными свойствами, они являются чисто декоративными пигментами. Яркие, чистые, насыщенные цвета органических пигментов создают такую широкую гамму расцветок, которую не удаётся воспроизвести, используя неорганические пигменты, однако неорганические пигменты – это пигменты вечности.

Важность пигментов и их использование в современном мире трудно переоценить,  учитывая их главные свойства, такие как:

   -высокая  дисперсность,  но они всегда прочно агрегированы и поэтому трудно поддаются диспергированию,

  - высокая красящая способность,

  - высокая маслоёмкость,

  -низкая стабильность к действию различных факторов (температура,
    стойкость к органическим растворителям и т.д.)

Кто же главный потребитель органических пигментов в современном мире?

В современном мире производители закупают синтетические органические пигменты у химических компаний, основными заказчиками которых являются изготовители пластмасс, промышленных и печатных красок. Производимые пигменты предназначены, в первую очередь, для удовлетворения потребностей именно этой категории производителей. Производители печатных красок предпочитают оперировать более яркими пигментами, но, как правило, показатель их светостойкости не является решающим фактором. Автомобильная промышленность, с другой стороны, нуждается в долговечных светостойких пигментах  к тому же  обладающих отличной светостойкостью и способных сопротивляться воздействию суровых атмосферных условий.

          Неорганические пигменты являются пигментами художественных красок. Красители используют для окрашивания  тканей, пластмассы, приготовления красок, в парфюмерной промышленности. Искусственные красители можно заменить природными, полученными из растений. Однако растительные краски не хранятся так долго, как анилиновые, поэтому их не применяют в промышленности.

Красители используют не только для окраски тканей, но и в пищевой промышленности , а именно для приготовления напитков, кремов, карамели и т. д..

1.ОРГАНИЧЕСКИЕ И НЕОРГАНИЧЕСКИЕ ПИГМЕНТЫ

1.1. Создание пигментов растительного и животного происхождения

Индиго

          Индиго использовали еще древние греки и римляне. Марко Поло в XIII веке первым описал изготовление индиго в Индии. Растение индигофера тинктория растет в тропическом климате, активный ингредиент находится в листьях. Для приготовления пигмента свежие листья замачивают в чане и оставляют ферментироваться. Затем листья  прессуют для использования в качестве акварели или высушивают и растирают в порошок для использования в качестве масляной краски. Индиго не удерживается в масляной основе.  Растворенный в масле, он дает очень прозрачный цвет, очень подходящий для лессировки. Индиго имеет очень ясный цвет с выраженным желтым оттенком, но на прямом солнечном свету быстро бледнеет. Он широко использовался в производстве мануфактуры

индиго

Резедовая желтая

          Пигмент получают из культивируемого в Нидерландах растения, близкого к садовой резеде. Это старейшее красящее растение в Европе. В основном пигмент получают из цветков. Он использовался при окраске шелка и шерсти. Краска растворима в масле, но к ней добавляют мел и квасцы для придания объема. Очень прозрачная, подходит для лессировки. Резедовая желтая имеет долгую историю как краска. Растение до сих пор выращивается в коммерческих целях в Нормандии и используется для производства красителя для шелка. Ни одна искусственно созданная краска не способна ее заменить. Все растение, цветы, стебли, сушат, дробят, чтобы затем вымачивать в воде или растворе квасцов. В средние века в пигмент иногда добавляли яичную скорлупу. В смеси с свинцовыми белилами получается яркий теплый светло-желтый цвет. 

    резеда желтая

  Кармин
          Кармин - это натуральный краситель, получаемый из засушенных самок насекомых кошениль, которые обитают на кактусах в Мексике, Центральной и Южной Америке. Кармин обязательно смешивают с глиной, так как он слишком легкий, чтобы использовать в чистом виде. Впервые он попал в Европу после открытия Америки и был описан Матиоли в 1549 году. Кармин лучшего качества, известный как накарат кармин не ядовит, и дает великолепный цвет, особенно в рассеянном свете. Под прямым солнечным светом он полностью блекнет за 3 месяца. Из-за своей прозрачности этот пигмент идеально подходит для лессировки. В настоящее время рецепт производства этой краски утерян.

Краситель "кармин" добывается из насекомых, паразитов кактуса, живущих в Америке на растениях и носящих название "кошениль". Поэтому в литературе иногда кармин и кошениль употребляются как синонимы.

кармин

Пурпур

          Плиний так описывал технологию получения пурпура, которую использовали финикийцы. Прежде всего, надо было выловить моллюсков нужного вида – достаточное количество краски можно было получить только из трех видов улиток: Murex brandaris (Bolinus brandaria), Trunculariopsis trunculus и Thais haemastoma. Причем из Trunculariopsis добывали красный пурпур, а из двух других – фиолетовый. Раковину разбивали и извлекали расположенную в полости мантии пурпурную железу, содержащую… прозрачную жидкость. Добытые железы (а иногда и моллюсков целиком, если они были мелкого размера) давили каменными прессами и три для выдерживали в растворе соли. Затем получившийся раствор помещали в металлические котлы и выпаривали на слабом огне в течение десяти  дней. После этого материал, который необходимо было окрасить, пропитывали все еще беловатым раствором и сушили на солнце. Только под действием солнечных лучей и кислорода воздуха полученное вещество (в растворе присутствовали и определенные ферменты) последовательно меняло цвет – сначала на зеленовато-желтый, затем на зеленый и, наконец, – на синий или пурпурный. Благодаря различиям в способах обработки исходного красящего вещества, неоднократным пропиткам и другими приемам финикийцы достигали широкого спектра конечных оттенков окраски тканей – от ярко-красного до темно-фиолетового.

пурпур

Краплак

          Из органических красителей наиболее распространенным является издавна применяемый краплак, получаемый путем вытяжки из корней марены или крапа — растения, которое французы называют гарансе, немцы именуют краи, англичане - мада.

Осаждая полученный зкстракт на минеральное основание (глинозем), получают краску. Приготовление краски из марены было известно еще в античности, о чем упоминают Плиний и Витрувий, но впоследствии она была вытеснена другой, близкой ей по тону,— кармином. Этим словом может быть названа и краска, и натуральный краситель. В качестве других синонимов употребляются также названия: "карминный лак", "кошенильный лак".

   Краплак

Жженая кость

          Жженая кость получается от сжигания костей, рогов и т.д. в отсутствии воздуха. Она дает очень глубокий черный цвет. Кусочки кости (часто - слоновой) помещаются в сосуд, который ставится в очаг и накрывается. Под воздействием тепла кости обугливаются и после ее используют, не с чем не разбавляя.

Жженая кость

1.2. Минеральные пигменты

          Минеральные красители — красочные вещества, или пигменты, получаемые из металлов и их окислов. Так, различные окислы железа дают пигменты от желтого до красного и коричневого цветов.

          На основе марганца приготовляют желтые, коричневые и фиолетовые красители, из хрома делают зеленые краски, из урана — желто-зеленые, из кобальта —синие. 

Окислы   меди  дают   широкую  гамму  цветов:  от         ярко-зеленого,   изумрудного до красного.

Из сурьмы получают желтые пигменты.

          Земляными красками называются пигменты, содержащие окислы металлов, чаще всего железа, в глинистых отложениях. Эти пигменты особенно ценят живописцы за тонкость, благородство и мягкость тонов.

          Неорганические, минеральные пигменты — это в основном земли и камни.    Из числа таких натуральных земляных пигментов, применявшихся еще художниками эпохи каменного века и любимых художниками всех последующих эпох вплоть до настоящего времени, является охра, краска не яркая, но приятная по тону. "Желтая охра — говорил Энгр,— это краска, сошедшая с неба". Такая ее популярность возможно объясняется тем, что она незаменима в живописи человеческого тела, а также устойчива к свету, влаге и в смесях с другими красками. В зависимости от процентного содержания железа и степени дисперсности охра бывает различных оттенков: светлая, темная, золотистая. Путем прокаливания получают охру красную.

          По своему химическому составу и качеству близка к охрам сиена натуральная, имеющая зеленоватый оттенок, однако у нее по сравнению с охрами большая маслоемкость и потому она образует менее прочный красочный слой. Но тем не менее сиена любима художниками за красоту тона.

          Кроме охр, к натуральным земляным краскам относятся также марс коричневый (светлый и темный), а также  умбра натуральная и жженая, ван-дик коричневый. Все эти пигменты отличаются прочностью и светостойкостью, хорошо ведут себя в смесях и соединяются с любыми связующими.

           В древнейшие времена художники применяли исключительно красящие вещества, встречающиеся в природе в виде различных минералов: малахит, азурит, аурипигмент, лазурит (ляпис-лазурь) и всевозможные цветные земли.

          Но со временем многие натуральные пигменты были вытеснены искусственными. Так, например, синюю краску ультрамарин, ценившуюся дороже золота (ее получали из минералов лазурита), в ХIХ веке заменил дешевый искусственный ультрамарин.

          Популярнейшей синей краской минерального происхождения является ультрамарин, добываемый из ляпис-лазури, полудрагоценного камня синего цвета. Ультрамарин абсолютно стоек на свету и на воздухе, не содержит даже следов серы, совершенно устойчив в смесях, подтверждением чему может служить сохранность ярко-синих тонов в готической живописи. Однако он чувствителен к действию кислот, и это приводит к утрате насыщенности и посерению синего цвета во многих живописных произведениях, что у музейных работников получило название "ультрамариновая болезнь".

           Показатель преломления света частицами ультрамарина совпадает с показателями преломления масел и смол, что в известной мере ослабляет насыщенность краски. Поэтому цветовые свойства ультрамарина лучше проявляются при клеевых связующих, некоторые живописцы, в частности, Ван Дейк, в эпоху полного преобладания масляной живописи ультрамарин растирали с клеевым связующим. Натуральный ультрамарин добывается в Иране, Китае, Италии, Афганистане, Восточной Европе. В Древнем Египте, куда по письменным источникам завозили ультрамарин в древнейшие времена, не доказано однако присутствие его ни в одной синей краске, использованной в дошедшей до нас живописи. Не известно также, применяли ли его в древнем Риме. Неочищенный ультрамарин сероватого оттенка был обнаружен на византийских иконах V — ХI вв. Очищенный ультрамарин стали применять, по свидетельству Ченино Ченнини, Иоганна де Бега, лишь с ХV века.

          Из натуральных красящих веществ сохранили свое значение лишь земляные пигменты. Они добываются обычно при разработке открытых карьеров. Добытые породы высушивают, измельчают и подвергают сепарации, отделяя наиболее мелкие частицы. Эти пигменты прочны, устойчивы к атмосферному воздействию, к свету. Они имеют не яркие, но самые разнообразные оттенки, а называются обычно по месту, где впервые был найден или добывается похожий по цвету пигмент: сиена натуральная, умбра натуральная, феодосийская коричневая, хотьковская коричневая, кудиновская коричневая, серпуховская красная, шахназарская красная, агаракская красная, гутанкарская фиолетовая, звенигородская черная, подольская черная, а также волконскоит, охры - светлые, золотистые и темные, марсы коричневые - темный и светлый.

          Земляные краски известны с давних времен. Так, охрами, стертыми на животных жирах, рисовал силуэты животных еще первобытный человек.

   Некоторые земляные пигменты подвергаются термической обработке (прокаливанию при различных температурах), в результате чего они приобретают новые оттенки. Таким образом, из охры светлой получают охру красную, из сиены и умбры натуральной - сиену и умбру жженую.

          Художники эпохи каменного века свои наскальные рисунки исполняли только натуральными земляными пигментами. В древнем Египте умели уже делать и искусственные. Путем прокаливания охры, умбры, сиены получали новые оттенки. В дальнейшем число искусственных пигментов неуклонно росло и особенно заметно число их увеличилось в ХIХ веке в связи с развитием химической науки и техники производства.

1.3.  Первые синтезы органических пигментов в 19 веке

          Постепенно с развитием химии пигменты растительного и животного происхождения вытеснялись синтетическими органическими пигментами.

 В 1876 г. А. Гофман и его соотечественник О. Витт установили строение диазосоединений. К числу простейших диазосоединений относится диазобензол, легко вступающий в реакцию с фенолами и ароматическими основаниями. В результате образуются устойчивые основания, которые с кислотами дают разнообразные красители. Большую гамму красителей удалось получить в результате взаимодействия диазосоединений с производными нафталина (нафтены, нафтиламины)

          В 1868 г. немецкие химики К. Гребе и К. Т. Либерман расшифровали строение ализарина, издавна производившегося из корней марены. Они установили, что ализарин является производным антрахинона — широко доступного продукта, получаемого окислением антрацена, входящего в состав каменноугольной смолы. К. Гребе и К. Т. Либерман первые синтезировали ализарин, а с 1869 г. началось его промышленное производство. В связи с широким распространением синтетического ализарина и его низкой стоимостью разведение марены было полностью прекращено. Наряду с ализарином на основе производных антрахинона было получено много других красителей.

          Большое научное и практическое значение имел синтез индиго —ценного естественного красителя темно-синего цвета. Индиго — известный с глубокой древности краситель, добывавшийся из растений. Его получение из растений сопряжено со значительными трудностями. Индиго применяют при крашении не в том виде, в котором он содержится в растениях. В результате исследований в конце XIX века было установлено, что индигоносные растения содержат глюкозид индикан, который при ферментации превращается в глюкозу и белое индиго или лейкосоединение. Окислением лейкосоединения получают синее индиго, или индиготин. Структура индиготина была установлена А. Байером. Синтез индиго осуществлен им же в 1880 г. Однако лишь через семнадцать  лет, в 1897 году,  производство этого красителя было поставлено на промышленную основу.

1.4 Синтез органических пигментов

 Предметом исследования был вопрос о том, как давно и какие пигменты используются в качестве красителей, как самим в лабораторных условиях получить неорганические пигменты, какие реактивы для этого нужны, при каких условиях следует проводить реакции.

В ходе работы выяснили, что краски, красители, пигменты – это вещества, придающие определённый цвет, окраску. Существуют краски, красители, пигменты природные (получают из природного сырья) и искусственные (полученные путём химических реакций).

Толчком к развитию химии красителей послужило открытие Н.Н.Зининым в 1842 году реакции восстановления ароматических нитросоединений:

                                        С₆Н₅NO₂ + 6Н → С₆Н₅NН₂ + 2Н₂О

Таким путём учёный получил анилин и некоторые другие аминопроизводные ароматических соединений, что в дальнейшем послужило основой создания новой отрасли химической промышленности - анилиново -красочной.

В наши дни насчитывается более 15000 красителей самых различных оттенков, принадлежащих к разным классам соединений. Различают пигменты органические и неорганические, природные и синтетические, хроматические и ахроматические.

1.5. Применение красителей

Белые пигменты.

          Самый древний метод окраски в белый цвет – это побелка. Побелка стен жилищ трипольской культуры уже была устоявшейся традицией. Для побелки использовалась водная взвесь или суспензия гашёной извести или непосредственно мел. Меловую побелку делали преимущественно внутри помещения, т.к. она легко смывается водой. Мел удобен для письма и используется в этих целях с давних пор.

Карбонат кальция к пигментам не относится. Его можно использовать в составе краски как белый наполнитель с каким-нибудь эффективным пигментом, например: титановыми белилами или цинковыми белилами.

Технология получения титановых белил довольно сложна, а вот цинковые белила вполне можно получить в лабораторных условиях.

Можно получить карбонат цинка из карбоната натрия и сульфата цинка, полученный осадок просушить, потом, прокалив, получить оксид цинка – цинковые белила.

Можно к раствору сульфата цинка прилить раствор щёлочи, полученный осадок просушить и прокалить в печи при температуре 150 – 200⁰С в течение 1 - 2 часов.

Зелёные пигменты.

          Оксид хрома (III) получают из дихромата аммония в результате его разложения.

Ярь-медянка, или ярь. Этот пигмент начали получать очень давно. Существует старинный способ получения, когда медную пластинку подвешивают над уксусом.        

Можно получить этот пигмент, используя растворы сульфата меди, карбоната натрия и уксусной кислоты.

Голубые пигменты.

          Голубые пигменты интересны тем, что позволяют существенно расширить зелёную цветовую гамму за счёт совместного использования голубого и жёлтого пигментов в разных пропорциях. Однако голубые пигменты представляют интерес и сами по себе.

Берлинская лазурь – в промышленности этот пигмент чаще называют железной лазурью. А в химии исторически укоренились термины «берлинская лазурь» и «турнбулева синь». В лабораторных условиях её можно получить из раствора хлорного железа (FeCl₃), соляной кислоты и раствора жёлтой кровяной соли.

Кроме берлинской лазури есть и другие пигменты. Это аммиакат меди (васильково синий цвет), кобальт синий, кобальт фиолетовый светлый, кобальт фиолетовый тёмный.

Жёлтые пигменты.

          Свинцовый крон – пигмент интенсивного жёлтого цвета, поэтому он называется также жёлтым кроном. Получают его взаимодействием солей свинца и хромовокислого калия (или натрия).

Оксид свинца – свинцовый глёт – также имеет жёлтую окраску и раньше его использовали в качестве пигмента, но по интенсивности окраски он уступает свинцовому крону.

          Жёлтый ультрамарин состоит главным образом из хромовокислого бария. Получить её можно взаимодействием раствора хлористого бария с хромовокислым калием. Железная жёлтая состоит из хромовокислого железа.

Кадмиевую жёлтую получают взаимодействием нитрата кадмия с сульфидом натрия.

2. ПРАКТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

Цель работы: получение зеленой краски

         Для получения зеленой краски пигмента были выбраны ортофосфаты меди.

Проведённые в пробирке реакции сульфата меди с фосфатом, гидрофосфатом и дигидрофосфатом натрия показали, что зеленый цвет выражен лучше у соли Cu₃(PO₄)₂.

Синтез фосфата меди

         Для получения фосфата меди в один мерный стакан были слиты 10 мл раствора Na₃PO_{4 с} концентрацией 0,5М и 15мл растворвa CuSO₄ c концентрацией 0,5 М. Этому соответствует следующее уравнение реакции:

2Na₃PO₄ +3CuSO_{4 →} Cu₃(PO₄)₂↓+3Na₂SO₄

Затем соль была отфильтрована и высушена.

 После была приготовлена основа для краски – крахмал (влили в порошкообразный крахмал горячую воду при нагревании). 

 

  

Крахмал и Cu₃(PO₄)₂ смешали до получения однородной массы.

Таким образом, в результате синтеза была получена зеленая краска

ЛИТЕРАТУРА

1. Андросов. В.Ф., Голомб А.М. Синтетические красители в текстильной промышленности. М., лёгкая промышленность, 1998.

2.Арзамасов Б.Н. Материаловедение. - М.: Изд-во МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2003. – 648 с.

3. Венкатараман К. Химия синтетических красителей Т. 1-6. Л., 1996

4. Винюкова Г.М. Химия красителей. М., Химия 1999

5. Глинка Н.Л. Общая химия. - Л.: Химия, 1988. - 702 с.

6. Коган И.М. Химия красителей. Изд. 5-е М. Государственное научно-техническое издательство химической литературы 1996.

7. Лантев Н.Г. Богословский Б.М. химия красителей. Изд. 2-е М., Химия, 1970

8. Степанов Б.И. Введение в химию и технологию органических красителей. М., Химия 1997.

9. Чекалин М.А., Пассет Б.В., Иоффе Б.А. Технология органических красителей и промежуточных продуктов Л., Химия, 2002.