Люминофор-вещество, способное преобразовывать поглощаемую им энергию в световое излучение
Люминофоры в последние годы находят все более-широкое применение в науке и в народном хозяйстве страны.В связи с этим интерес к ним специалистов разных отраслей знаний непрерывно растет.
Мы решили попробовать синтезировать люминофор на основе борной кислоты в школьной лаборатории
Авторы работы: ученики 9 А класса Васькин Илья, Шершидский Антон
Руководитель проекта: учитель химии Гревцева Зинаида Ивановна
МБОУ СОШ № 12 г. БАЛАШИХА
Вложение | Размер |
---|---|
doklad_lyuminofory.docx | 21.04 КБ |
ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКАЯ РАБОТА
«Синтез люминофоров на основе борной кислоты
в школьной лаборатории»
Авторы работы: ученики 9 А класса Васькин Илья, Шершидский Антон
Руководитель проекта: учитель химии Гревцева Зинаида Ивановна
МБОУ СОШ № 12 г. БАЛАШИХА
Люминофоры в последние годы находят все более-широкое применение в науке и в народном хозяйстве страны. В связи с этим интерес к ним специалистов разных отраслей знаний непрерывно растет.
Люминофоры — это такое вещества, которые поглощают энергию и преобразовывают её в световое излучение. В зависимости от фильтра находящегося на поверхности люминофора или его примеси, свечение может быть различного цвета. Чаще всего - это порошок, он наделен способностью светиться в темное время суток под воздействием искусственного или естественного освещения.
Холодное свечение, которое также называют люминесценцией, происходит по следующему механизму.
Энергия, сообщаемая веществу, тратится на переход электронов с основных орбиталей выше по энергии, и, когда они возвращаются, затраченная энергия выделяется в квантах света. Такой переход обычно занимает около 10 секунд.
Вещества, обладающие люминесценцией, называют люминофорами. Их используют в старых электронно-лучевых мониторах, в досках пожарных планов выхода, в аварийных дорожках в самолетах. Они обладают несколькими измеряемыми свойствами.
Классификация люминофоров
Сегодня можно выделить несколько видов люминофоров.
По химическим свойствам их можно поделить на два вида:
Такой вид люминофоров нашел применение в люминесцентных лампах, ЭЛТ (электрических лучевых трубках), экранах для рентгена и так далее. Кроме этого, неорганический люминофор является индикатором радиации.
Свечение «неорганики» обусловлено наличием большого числа катионов, которые содержатся в минимальном объеме (до 0,001%). По своей сути неорганические люминофоры - катионы металлов.
Химическое строение органических люминофоров отличается большим разнообразием; их молекулы включают структурные группировки, в основе которых в большинстве случаев лежат ароматические или гетероароматические циклы.
Различают также по типу свечения различают несколько видов люминофоров…..
Органические люминофоры применяют для изготовления ярких флуоресцентных красок для окрашивания текстиля, пластмасс, украшений, в типографских красках, для пигментации полимерной глины, красок для обоев, пигментов для татуировки, косметики, люминесцирующих материалов, используют для выявления трещин в деталях, чувствительном люминесцентном анализе в химии, биологии, медицине и криминалистике.
Используются в производстве флуоресцентных красок, люминесцирующих материалов и так далее.
Цель нашей исследовательской работы – желание синтезировать люминесцентные вещества на основе борной кислоты, как наиболее доступного и безопасного химического соединения.
Все составляющие вещества наших порошков являются продуктами, купленными в аптеке.
Борные люминофоры состоят собственно из борной кислоты, которая выступает как основа с добавлением различных органических соединений, выступающие как активаторы промежуточных соединений, образующихся при частичном обезвоживании борной кислоты. Эти люминофоры могут быть приготовлены как при сплавлении до 200°С, так и интенсивным высушиванием смеси при 100°С
Задачей исследования явилось – поиск веществ, которые бы послужили активаторами для проявления люминесцентных свойств борной кислоты.
Продуктом нашей работы являются порошки, которые обладают люминесцентными свойствами.
Борная кислота H3BO3, или B(OH)3, аналогично многим кислородосодержащим кислотам, разлагается при нагревании на воду и соответствующий ангидрид (оксид бора B2O3).
2H3BO3 <=> B2O3 + 3H2O
Обезвоживание борной кислоты проходит через множество стадий, которые протекают, не только последовательно, но и параллельно (одновременно). В качестве промежуточных продуктов образуются многочисленные борные кислоты, которые дают сложную смесь.
В результате при нагревании кислота превращается в стеклообразную массу, пенится, постепенно выделяя пары воды. При этом образуются все более и более конденсированные борные кислоты. В упрощенном виде это можно описать уравнениями:
H3BO3 = H2O + HBO2 (метаборная кислота, >80-100 °C;
4HBO2 = H2O + H2B4O7 (тетраборная кислота>300°C;
H2B4O7 = H2O + 2B2O3 (оксид бора,).
На самом деле, "метаборная кислота" - не индивидуальное вещество, а сложная смесь полимерных борных кислот:
На основе борной кислоты H3BO3 можно приготовить простейшие люминофоры, способные некоторое время светится в темноте после облучения светом. Эти люминофоры представляют собой аморфную стекловидную массу, продукт частичного обезвоживания борной кислоты при температуре 250 - 300°C, приблизительного состава, отвечающего формулам НВО2 и H2B4O7 с добавками небольшого количества активирующих органических веществ.
Молекулы органических активаторов представляют собой сложноорганизованные структурные образования, содержащие в своем составе электронодонорный и электроноакцепторный фрагменты и, как правило, развитую систему сопряженных связей, и при действии света радиационные переходы происходят с существенным перераспределением электронной плотности внутри молекулы.
Не распавшаяся органическая молекула (активатор) единственная причина люминесценции и также единственный центр вызывающий световой эффект, а борная кислота предоставляет необходимые физические условия.
Борная кислота является фотолюминофором — разновидность люминофоров, которые обладают свойствами сохранения накопленной энергии при возбуждении, и её отдачи собственным послесвечением после прекращения возбуждения в виде светового излучения в видимой, ультрафиолетовой или инфракрасной зоне. Интенсивность и продолжительность послесвечения зависят от интенсивности и также от строения молекулы органического активатора.
Методика приготовления люминофора
Для изготовления борных люминофоров мы использовали аптечную борную кислоту. Готовили смесь борной кислоты с органическим веществом в качестве активатора.
Количество органического вещества составляла 1-3% по массе от борной кислоты. Полученную смесь хорошо перемешивали до однородности. Если хорошо перемешать не удавалось, то смесь смачивали небольшим количеством воды или спирта.
Полученную смесь нагревают до 200°C при постоянном перемешивании над спиртовкой. Перемешивание проводили стеклянной палочкой.
При нагревании сначала выделялись пары воды, затем смесь начинала постепенно сплавляться и пузырится. Нагревание вели до сплавления всей массы и загустевания.
Загустевшую массу аккуратно извлекали путём наматывания на стеклянную палочку и соскабливания, давая ей остыть.
После остывания, полученный люминофор аккуратно разламывали или перетирают в ступке.
Время послесвечения борных люминофоров зависит от применяемой органики в качестве активатора, и условий приготовления, но в среднем это порядка десяти секунд.
Нами были использованы следующие активаторы для борной кислоты:
В данной работе было синтезировано более 7 различных веществ, 5 из которых обладали люминесценцией с сине-зелёным и зеленым свечением и были сделаны следующие выводы:
Борный люминофор с флуоресцеином:
Флуоресцеин в борную кислоту вводят в количестве 0.1-0.2%. Вводить можно как в твёрдом виде, так и в виде спиртового раствора. Люминофор, полученный с использованием флуоресцеин имеет лимонно-желтый цвет при дневном освещении, с ярко-зелёным послесвечением в темноте. Оно хорошо "заряжается" от любых источников света, лучше всего от люминесцентных и ультрафиолетовых ламп (экспонат №1)
Борный люминофор с салициловой кислотой:
Салициловую кислоту вводят в количестве 2% от массы борной кислоты. Полученный люминофор имеет белый цвет с незначительным бежевым оттенком, и с голубым послесвечением в темноте. Яркость послесвечения у него несколько ниже, чем у люминофора с флуоресцеином. Заряжать его лучше всего ультрафиолетовыми лампами, в крайнем случае, подойдут люминесцентные лампы. Фотовспышки и лампы накаливания этот состав не "заводят" абсолютно (экспонат №2)
Борный люминофор с лимонной кислотой (желтое свечение, 3 – ий экземпляр);
Борный люминофор с щавелевой кислотой (салатовое свечение, 4-ый экземпляр);
Борный люминофор с мочевиной (практически очень трудно получить данный люминофор, так как он при приготовлении быстро обугливается (5- экземпляр),
Борный люминофор с ацетилсалициловой кислотой также в лабораторных условиях не удалось получить из-за постоянного возгорания;
Борный люминофор с тетраборатом натрия не дал результатов свечения.
В дальнейшем, мы планируем совершенствование различные методики синтеза люминофоров на основе борной кислоты.
К задачам работы можно отнести следующие:
ВЫВОДЫ и РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКОЙ РАБОТЫ
1) флуоресцеин;
2) салициловая кислота;
3) лимонная кислота;
4) щавелевая кислота;
5) мочевина
Если хочется пить...
Рисуем пшеничное поле гуашью
Как Снегурочке раскатать тесто?
3 загадки Солнечной системы
"Портрет". Н.В. Гоголь