Barwy związków chemicznych

W świecie chemii, barwy związków chemicznych odgrywają kluczową rolę, wprowadzają nas w fascynujący świat struktury atomowej i molekularnej i krystalicznej. Barwy jonów, osadów i gazów są rezultatem szeregu procesów chemicznych, oddziaływań fizykochemicznych i właściwości strukturalnych, tworzą jednocześnie spektakularną paletę kolorów w laboratoriach, przyrodzie i codziennym życiu.

Kolory związków chemicznych – matura

W najnowszych arkuszach egzaminu maturalnego z chemii w zakresie rozszerzonym (formuła 2023) pojawiają się tzw. „kolorowe probówki”, czyli kolorowe zdjęcia roztworów soli/osadów/gazów. Może to być nieco przerażające, w kontekście rozwiązywania zadań maturalnych, dlatego zespół ekspertów ChemMastera przygotował dla Was tablicę z kolorami WSZYSTKICH najważniejszych substancji chemicznych, wraz z zaznaczeniem jaki jest ich stan fizyczny w warunkach normalnych. Znajdziecie tam również informacje na temat jak dany jon barwi roztwór wodny oraz barwy płomieni wywołane przez obecność poszczególnych kationów czy też barwę poszczególnych gazów.

Tablice te znajdziecie tutaj:

Poniżej podgląd jak wygląda jedna z sekcji z pliku z barwami substancji chemicznych

Barwy jonów

Barwa roztworów wodnych zależy od zawartości jonów metali z bloku d o niecałkowicie zapełnionych podpowłokach. Poniżej przestawiono przykłady wybranych jonów wraz z barwą ich wodnych roztworów.

1. Jon miedzi(II) (Cu²⁺) – niebieski: jony miedzi często nadają niebieski kolor roztworom, mogą prezentować się zarówno jako blady lub ciemno niebieski.

2. Jon chromu(III) (Cr³⁺) – zielony: wodne roztwory zawierające ten jon przyjmują zabarwienie zielone ( o różnym odcieniu w zależności od stężenia ) Na maturze z chemii wystarczy jedynie wskazać, że jony te w roztwoze wodnym mają kolor zielony.

3. Jon manganu(II) (Mn²⁺) – różowy/bezbarwny: różowy lub bladoróżowy kolor jest wynikiem obecności jonów w których atomy manganu przyjmują +II stopień utlenienia. 

4. Jon żelaza(II) (Fe²⁺) – zielony: jony żelaza(II) nadają jasnozielony kolor roztworom wodnym w których się znajdują.

5. Jon żelaza(III) (Fe³⁺) – pomarańczowy/brunatny: Jony żelaza(III)nadają pomarańczowy/ brunatny kolor roztworom wodnym, ewentualnie możemy zaobserwować również kolor żółty jeśli roztwór soli żelaza(III) jest znacząco rozcieńczony.

Zmiany w stopniu utlenienia tego samego pierwiastka chemicznego mogą powodować różnice
w barwie, tak jak w przypadku kationow Fe²⁺(kolor zielony) oraz Fe³⁺ (kolor np. żółty).

Barwy roztworów wodnych mogą również być wynikiem obecności anionów metali przejściowych, np. kolor roztworu w których znajdziemy anion Cr₂O₇^2- bedzie miał kolor pomarańczowy, natomiast kolor roztworu w którym znajdować się będzie anion CrO₄^2- – żółty.

Barwy osadów w chemii

Znajomość kolorów osadów wodorotlenków, tlenków czy soli nieorganicznych pozwala na szybką identyfikację związku chemicznego, lub przynajmniej na zawężenie możliwych rozwiązań. Na maturze z chemii dostępne są tablice rozpuszczalności poszczególnych substancji, jednak nie mamy tam wyszczególnionych kolorów danych osadów. Te informacje należy zapamiętać w trakcie nauki do egzaminu. Najczęściej treść poleceń na egzaminie maturalnym z chemii w zakresie rozszerzonym dotyczy osadów związków miedzi, na +I lub +II stopniu utlenienia. Na przykład, wodorotlenek miedzi(II) jest niebieskim, galaretowatym osadem, który należy strącić „na świeżo”, tlenek miedzi(II) to czarne ciało stałe, natomiast osad tlenku miedzi(I) przyjmuje barwę ceglastoczerwoną – go warto kojarzyć z próbą Trommera umożliwiającą wykrycie grupy aldehydowej w związkach organicznych.

Barwy gazów

Jeżeli już mówimy o kolorach w chemii, to warto pochylić się nad kolorami wybranych gazów. Duża część gaów, o jakich bywa mowa w zadaniach typu maturalnego, jest bezbarwna, np. azot, tlen, wodór, amoniak, SO₂, CO₂ itd. Barwnymi gazami, w warunkach pokojowych, są Cl₂ (zielonkawo- zółty), NO₂ (brunatny gaz). Warto pamiętać również, że pary I₂ są fioletowe.

Zadania w stylu maturalnym

Zdjęcia probówek wykorzystanych do tych zadań autorskich pochodzą z najnowszych arkuszy maturalnych CKE.

Zadanie 1.

Do czterech z pięciu probówek zawierających wodny roztwór siarczanu(VI) miedzi(II) dodano roztwór wodorotlenku sodu . Następnie do jednej, z tych czterech, probówek dodano roztwór etanolu, a do dwóch kolejnych dodano wodny roztwór glukozy. Probówkę z etanolem oraz jedną z probówek zawierających glukozę podgrzano. Wyniki eksperymentów przedstawiono za pomocą fotografii I-V.

1. Na podstawie informacji wstępnej, uzupełnij poniższe równania reakcji chemicznych, wykorzystaj zapis cząsteczkowy (*poza wymaganiami egzaminacyjnymi 2023/2024):

CuSO₄ + NaOH → …………………………………………………

………………………… T→ ………………………………………………

………. + C₆H₁₂O₆ → ………………………………………………..*

……….. + C₆H₁₂O₆ T→ ………………………………………………

Rozwiązanie:

CuSO₄ + 2NaOH → Cu(OH)₂ + Na₂SO₄

Cu(OH)₂ T→ CuO + H₂O 

2. Spośród fotografii I-V wybierz te, które odpowiadają obserwacjom wynikającym
   z przeprowadzonych eksperymentów. Wpisz do tabeli wzory związków chemicznych/jonów odpowiadających za barwę roztworu/osadu (*poza wymaganiami egzaminacyjnymi 2023/2024):

Rozwiązanie:

Numer probówki	Wzór związku chemicznego/jonu odpowiadającego za barwę roztworu/osadu.
I	Cu(OH)2
II
III	Cu2O
IV	CuO
V	Cu2+/CuSO4 (aq)

Zadanie 2.

Do probówki zawierającej granulki pewnego metalu dodano wodny roztwór HCl. Przeprowadzonemu doświadczeniu towarzyszyły efekty przedstawione za pomocą poniższej fotografii.

Z pośród poniżej wymienionych symboli metali, wybierz ten który mógł znadować się
w próbowce. Swoją odpowiedź uzasadnij.

Cr Cu Ag Pb Al Fe

Uzasadnienie:

…………………………………………………………………………………………………………………….

Rozwiązanie:

Cr Cu Ag Pb Al Fe

Uzasadnienie:

Na przedstawionej fotografii obserwujemy wydzielanie się pęcherzyków bezbarwnego gazu, oraz roztwarzanie się kawałka metalu, który znajduje się na dnie probówki. Spośród podanych metali, zarówno chrom, jak i glin oraz żelazo reagują z kwasem solnym z wydzieleniem wodoru. Przedstawiony roztwór jest bezbarwny, a jony żelaza(II) i chromu(II) jakie hipotetycznie powstałyby po reakcji kwasu z żelazem i chromem barwią wodne roztwory na zielono. Dlatego żelazo i chrom należy wkluczyć. Natomiast kationy glinu(III) nie powodują zabarwienia roztworu. 

Zadanie 3.

Przeprowadzono reakcję manganianu(VII) potasu z nadtlenkiem wodoru w środowisku obojętnym.

Zapisz, na sposób jonowy skrócony, równanie biegnącej reakcji oraz opisz obserwacje jej towarzyszące. Współczynniki stechiometryczne równania dobierz metodą bilansu jonowo-elektronowego.

Równanie reakcji:

…………………………………………………………………………………………………………………….

Obserwacje:

…………………………………………………………………………………………………………………….

Rozwiązanie:

Równanie reakcji:

2MnO₄^– + 3H₂O₂ → 2MnO₂ + 2OH^– + 2H₂O + 3O₂

MnO₄^– + 2H₂O + 3e^– → MnO₂ + 4OH^– |x2

H₂O₂ + 2OH^– → O₂+ 2H₂O + 2e^– |x3

Obserwacje:

W trakcie reakcji będziemy oserwować zanik fioletowej barwy pochodzącej od jonu MnO₄^– oraz pojawienie się brunatnego osadu . Dodatkowo wydzielać się będą pęcherzyki bezbarwnego gazu.