IV Международный конкурс
научно-исследовательских и творческих работ учащихся
«СТАРТ В НАУКЕ»
 
     

СРАВНИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ СИНТЕТИЧЕСКИХ И ПРИРОДНЫХ ИНДИКАТОРОВ СРЕДЫ
Родионова А.А.
Текст научной работы размещён без изображений и формул.
Полная версия научной работы доступна в формате PDF


Введение

Соединения, способные без многоступенчатых реакций наглядно продемонстрировать свойства среды, всегда были востребованы человеком. Среди таких веществ наиболее известны кислотно-основные индикаторы, позволяющие определить кислотность. Именно этот тип индикаторов и является объектом моей исследовательской работы.

В рамках данной работы рассматриваются два типа индикаторов – синтетические и природные. Мною выдвинута гипотеза: природные индикаторы, полученные непосредственно из растительного сырья, могут конкурировать с синтетическими. Кроме того, природные индикаторы имеют значительное преимущество перед синтетическими – их производство более экологично, так как расход продуктов нефтехимии минимален. Именно поэтому замена искусственных индикаторов актуальна.

Тем не менее, полностью заменить синтетические индикаторы не представляется возможным: многие индикаторы изготавливаются как узкоспециализированные реагенты, например, для реставрационных мастерских. Поэтому цель этой работы – не только проверить мою гипотезу, но и выявить сферы жизни, в которых синтетические индикаторы могут быть заменены природными без потери качества.

Чтобы достичь цели, необходимо выполнить ряд задач: выяснить механизмы действия и изучить границы применения различных кислотно-основных индикаторов, опытным путём установить наглядность реакций, обобщить полученные результаты и составить прогноз возможного применения природных индикаторов.

Для достижения поставленных задач я собрала необходимые данные, проанализировав специальную литературу, провела лабораторный опыт с приготовленными вручную индикаторами и сделала необходимые выводы.

Практическая значимость моей работы заключается в том, что в ней доступно изложен собранный, проверенный и обобщённый материал о природных индикаторах, а значит, данная работа может быть использована как пособие по их изготовлению.

  1. Синтетические индикаторы.

К данному типу индикаторов я отнесла вещества, полученные путём переработки продуктов нефтехимии или синтезированные с помощью сложных химических реакций.

Далее каждый индикатор проанализирован по плану: химическая формула, изменение химической формулы при реакции, интервал pH, получение и применение индикатора. Материалы для анализа собраны из различных литературных источников (см. Список литературы), обобщены и структурированы.

  1.  
    1. Метиловый оранжевый.

Формула метилоранжа - 4-(4-диметиламинофенилазо)бензолсульфонат натрия (C14H14N3NaO3S) [1]. Графическую формулу метилового оранжевого можно увидеть в приложении (Приложение 1, рис. 1).

Метилоранж - синтетический органический краситель из группы азокрасителей, является солью натрия.

При стандартной концентрации метилоранжа в водном растворе (0,1%) интервал перехода окраски меняется от 3,1 до 4,4 рН. Цвет индикатора меняется с желтого на красный соответственно [2].

Преломлению цвета в видимой области спектра способствует хромофорная группа (азогруппа) ‒N=N‒. Азогруппа соответствует проявлению жёлтого цвета, красная же окраска появляется при замещении одной из двух связей азота атомом водорода.

Для получения проводится реакция азосочетания диазобензолсульфокислоты с диметиланилином, но продуктом этой реакции является не метилоранж, а краситель (4-диметиламино-4-азобензолсульфокислота)[3]. Далее на полученное вещество воздействуют едким натром, отфильтровывают и сушат. Также в процессе получения метилового оранжевого используется соляная кислота и лёд [1].

Применяется метиловый оранжевый для титрования слабых оснований, определения содержания кислот и щелочей в растворах, в том числе в желудочном соке, для определения водородного показателя рН [4].

  1.  
    1. Фенолфталеин

Фенолфталеин – трифенилметановый краситель группы фталеинов. Формула - (4,4'-диоксифталофенон или 3,3-бис-(4-гидроксифенил)фталид) (Приложение 1, рис. 2). В щелочной среде фенолфталеин превращается в двухзарядный анион и имеет малиновый цвет. При повышении рН среды больше 10,0 рН окраска обесцвечивается вследствие нарушения сопряжения в анионе, и он из двухзарядного становится трёхзарядным [3].

При стандартной концентрации 0,1% в спирте, окраска фенолфталеина меняется в интервале 8,2-10,0 рН с бесцветной на красную соответственно.

Получают фенолфталеин путём конденсации фенола с фталевым ангидридом в присутствии водоотнимающих средств (H2SO4, ZnCl2). Используется же фенолфталеин в аналитической химии в качестве щелочного индикатора. Также использовался в слабительных лекарствах в первой половине XX века, пока не были выявлены многочисленные негативные побочные эффекты [5].

  1.  
    1. Лакмус

Несмотря на то, что лакмус получают из лишайников (некоторые виды рода Parmelia и Rocella [6]), он обычно относится к синтетическим индикаторам, так как для его производства необходимы сложные многоступенчатые реакции. Индикаторные свойства лакмуса были открыты Робертом Бойлем, когда он случайно смешал настой лишайника с хлороводородной кислотой (HCl) и заметил, что полученный раствор покраснел. При добавлении же едкого натра (NaOH) раствор приобрёл синий цвет [7].

В составе лакмуса содержится несколько веществ, реагирующих на ионы водорода, но основное действующее соединние лакмуса – азолитмин (Приложение 1, рис. 3). Чистый азолитмин получают экстракцией из лакмуса. Сам же лакмус производят путём измельчения, длительной ферментации сырья в смеси поташа и карбоната аммония. Полученную смесь разделяют, затем выпаривают или прессуют.

Лакмус известен как один из самых первых кислотно-основных индикаторов.

  1.  
    1. Универсальный индикатор

Единой формулы для универсального индикатора не существует, так как он представляет собой смесь различных веществ, изменяющих окраску в разных интервалах рН. Реагенты подобраны так, что при изменении кислотности цвет раствора постепенно переходит от красного или малинового к синему (фиолетовому) через желтый и зелёный.

Существуют разные типы универсальных индикаторов, но все они охватывают довольно большой интервал рН: от 0 до 10; от 1 до 12. Такая способность к реакции обеспечила универсальному индикатору широкую востребованность. Кроме аналитической химии он широко используется в аквариумистике для определения кислотности воды.

  1. Природные индикаторы

К природным кислотно-основным индикаторам относятся вещества природного происхождения, которые можно получить без сложного синтеза путём экстракции, фильтрования, выварки. Чаще всего такие соединения находятся в растительном сырье. На примере краснокочанной капусты мною были рассмотрены антоцианы, находящиеся в лепестках, плодах и коре различных растений, а также куркумин, содержащийся в корневище куркумы. Я выбрала именно эти вещества, так как они легкодоступны.

Также в данном разделе рассмотрен индикаторный лишайник Cetraria Islandica.

  1.  
    1. Антоцианы

Основу большинства красящих веществ цветов и ягод составляют антоцианы [8]. Именно они придают растениям разнообразные цвета. Антоцианы имеют общую структуру с несколькими свободными связями, к которым могут присоединяться различные радикалы (Приложение 1, рис. 4), что даёт большое разнообразие этому классу веществ. Получают антоцианы обычно путём выделения из экстрактов растительных тканей.

При изменении показателя рН с молекулой антоциана происходят изменения, влияющие на её цвет, такие как присоединение гидроксогрупп, дегидритация и гидрирование. Сложная реакция обеспечивает высокое качество определения кислотности среды.

Антоцианы имеют широкий спектр использования: от медицинской промышленности в качестве антиоксидантов до пищевой промышленности как красящие вещества (Е163).

  1.  
    1. Куркумин

Куркумин – это краситель, получаемый из корня куркумы и некоторых других растений семейства имбирные. Является дикетоном (Приложение 1, рис. 5), что даёт ему хорошую реакционную способность. Куркумин реагирует на щелочную среду: при рН 7,4 он меняет цвет на буро-красную, а при рН 9,4 и выше куркумин становится оранжево-жёлтым.

Как и антоцианы, куркумин (Е100) применяется в медицине как антиоксидант, а также официально разрешён для окрашивания фармпрепаратов, пищевой продукции и косметических средств по всему миру [9].

  1.  
    1. Лишайники.

Узнав, что индикатор лакмус экстрагируется из лишайников, я предположила, что схожие по свойствам лишайники должны произрастать и в Ленинградской области. Для эксперимента мной был отобран самый распространённый представитель - Цетрария Исландская (Cetraria Islandica). В отличие от остальных кислотно-основных индикаторов, этот вид реагирует только на определённое вещество. Сердцевина Цетрарии Исландской даёт оранжевый цвет при взаимодействии с катионами калия (КОН).

Многие лишайники являются отличными индикаторами чистоты среды, так как накапливают в себе тяжёлые металлы или обитают только в незагрязнённой среде, но, чаще всего, это не связно с кислотным или щелочным загрязнением.

  1. Сравнение синтетических и природных индикаторов.

В ходе работы мной был выполнен лабораторный эксперимент, по результатам которого были установлены реакционные границы каждого из отобранных природных индикаторов.

Для начала я получила шесть растворов с разным показателем рН (Рис.1) и проверила их с помощью универсального индикатора. Два раствора представляют собой сильную кислоту (H2SO4) и сильную щёлочь (KOH), остальные являются смесями кислот, щелочей и воды, составленными так, чтобы показатель рН в двух соседних растворах отличался минимум на 1,5 единицы.

Рис.1

Далее я проверила свои растворы на синтетических индикаторах, используемых в школьной лаборатории: метилоранже, фенолфталеине и лакмусе (Приложение 2, рис. 6,7,8). Результаты являются стандартными для этих видов индикаторов.

Затем я приступила к изготовлению природных индикаторов по рецепту для антоцианов, найденному в литературных источниках [9,10], начиная с краснокочанной капусты. Я смешала сырьё с водой в необходимой пропорции, прокипятила полученную смесь и профильтровала отвар (Приложение 2, рис. 9,10). Полученная жидкость имела специфический запах и тёмно-фиолетовую окраску.

При смешении с растворами индикатор показал хорошую способность к определению кислотности среды (Рис. 2).

Рисунок 2. Антоциан в разных средах. 1 – H2SO4, 6 – KOH.

На рисунке видно, что полученный индикатор меняет цвет во всех средах, переходя от красного к жёлто-зелёному через малиновый, синий и зелёный.

Индикатор куркумин (Рис. 3) я приготовила 0,1% раствор из порошка куркумы, растворив его в 90% спирте и профильтровав (Приложение 2, рис. 10, 11).

Рисунок 3. Куркумин в средах разной кислотности.

На Рисунке 3 видно, что в среде с показателем рН 7,5 куркумин значительно ярче, чем в среде с показателем рН 12, в то время как в остальных средах цвет его неизменен.

Отвар Цетрарии Исландской я решила приготовить по рецепту для растительных индикаторов, [10] чтобы проверить, можно ли получить индикатор без долговременных химических взаимодействий, как это обычно бывает с лишайниками. На рисунке 4 видно, что в то время как лакмус проявляет свои индикаторные свойства, отвар Цетрарии Исландской не проявляет себя никак, как и должно быть. Тем не менее, в чистом гидроксиде калия он также не меняет цвет, что может означать слишком малую концентрацию реакционноспособных веществ в растворе.

Рисунок 4. Лакмус (слева) и отвар Цетрарии Исландской (справа).

На основе полученных результатов я составила таблицу изменения окраски индикаторов.

 

pH=0

pH=2

pH=4

pH=5,5

pH=7,5

pH=12

М/о

           

Антоциан

           

Ф/ф

           

Куркумин

           

Лакмус

           

Цетрария

           

Таблица 1. Изменение окраски индикаторов.

По данным таблицы я сделала вывод, что антоциан, содержащийся в краснокочанной капусте, близок по своим визуальным индикаторным свойствам к лакмусу и метиловому оранжевому. Экстракт краснокочанной капусты даже в чём-то их превосходит, так как разница между цветами более заметна.

В свою очередь, куркумин меняет окраску примерно в том же интервале, что и фенолфталеин, а Цетрария Исландская, как и ожидалось, вообще не проявляет никаких признаков реакции на кислоты, но не реагирует также и с гидроксидом калия.

  1. Заключение

Целью данной исследовательской работы было подтверждение или опровержение гипотезы о том, что природные индикаторы могут конкурировать с синтетическими. На основе полученных экспериментальным путём данных можно сделать вывод, что природные индикаторы, которые легко и быстро можно получить в домашних условиях, могут быть использованы для точной проверки кислотности среды.

Тем не менее, заместить синтетические индикаторы природными повсеместно нельзя, так как природные индикаторы имеют довольно малый срок годности и слишком широкую специализацию.

Полученные в домашних условиях индикаторы могут использоваться в бытовых целях, например, для проверки рН-показателя моющих средств для посуды (если рН выше нормы, следует использовать средства защиты кожи рук – перчатки). Также приготовленными веществами можно проверить рН аквариумной воды или даже проб садовой почвы, чтобы точно определить количество щелочных или кислотных удобрений, которые следует внести.

Также я успешно выполнила побочную задачу работы: я составила понятное и простое пособие по изготовлению индикаторов из растений с антоцианами и порошка куркумы. Пользуясь описанным процессом и фотоматериалами из Приложения 2, можно изготовить индикаторы самостоятельно.

6. Список использованной литературы

[1] http://formula-info.ru от 19.04.17

[2] Рабинович В. А., Хавин З. Я. «Краткий химический справочник», стр. 346, изд. «Химия», 1977.

[3] В. В. Перекалин, С. А. Зонис, «Органическая химия», стр. 464, 3-е изд, 1977.

[4] https://pcgroup.ru/blog/metilovyj-oranzhevyj--kislotno-schelochnoj-indikator/ от 19.04.17

[5] http://www.gastroscan.ru/handbook/144/6750 от 02.05.17

[6] http://alcala.ru/brokgauz-slovari/izbrannoe/slovar-L/L1490.shtml

Энциклопедический словарь Ф.А. Брокгауза и И.А. Ефрона. — С.-Пб. Брокгауз-Ефрон.

[7] В. Малышкина, «Занимательная химия», стр. 55, Санкт-Петербург, «Тригон», 2001.

[8] В.Н. Васильев, И.А. Мусорин, Ю.Н. Омельченко, И.Я. Калвиньш, «Количественное определение лимонной кислоты в водных растворах антоциановых красителей» - Известия вузов. Пищевая технология №3-4, 1994.

[9] Ю.Д. Соколова, П.Н. Челканова, Е.В. Коновалов, «Исследование структуры куркумина спектральными способами» - Universum: химия и биология №12 (30), 2016 г.

[10] Е.Г. Копачевская, М.Ф. Макаревич, А.Н. Окснер, К.А. Рассадина, «Определитель лишайников СССР», изд. «Наука», Ленинград, 1971.

Приложения.

Приложение 1. Формулы индикаторов, задействованных в работе.

. Рис. 1. Формула метилового оранжевого.

Рис. 2. Формула фенолфталеина.

Рис. 3. Формула азолитмина.

Рисунок 4. Общая формула антоцианов. Место радикалов могут занимать группы -OH, -H, -OCH3.

Рисунок 5. Формула куркумина.

Приложение 2. Качественные реакции в ходе лабораторного опыта.

Рисунки 6,7,8: реакции лакмуса, метилоранжа, фенолфталеина на приготовленные растворы. Под цифрой 1 – серная кислота, под цифрой 6 – гидроксид калия.

Рисунок 9. Кипячение красной капусты.

Рисунок 10. Фильтрование отвара.

Рисунок 11. Спиртовая взвесь порошка куркумы.

Рисунок 12. Фильтрование взвеси.