I Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

ИЗУЧЕНИЕ ВОЗМОЖНОСТИ СИНТЕЗИРОВАНИЯ ИНДИКАТОРОВ В ЛАБОРАТОРИИ

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Егунова Д.В. 1

---

1

Сафина Л.Г. 1Нелюбина Е.Г. 1

---

1

Работа в формате PDF

225.3 KB

Автор работы награжден дипломом победителя I степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителяСвидетельство руководителя

Введение 3

Глава 1. Литературный анализ по проблеме исследования 5

1.1. Индикаторы – определение, классификация и характеристика 5

1.2. Особенности пара-нирофенола как вещества-индикатора 7

1.3. Сравнительная характеристика лакмуса и лакмоида 8

Глава 2. Экспериментальная часть 10

2.1. Методика синтеза пара-нитрофенола 10

2.2. Методика синтеза лакмоида 10

2.3. Результаты экспериментальной работы 11

Заключение 15

Список литературы 17

Приложение . 18

В прошлом году мной совместно с руководителем была подготовлена научно-исследовательская работа по экологии. Для выполнения своей работы мы использовали метод Н.А. Алямовского для определения рН вытя­жек из почвы. Мы столкнулись с такой проблемой – комбинированный индикатор с зоной перехода рН=4,0—8,0, используемый при реализации данного метода, очень сложен в приготовлении и требует больших затрат этилового спирта и проверки показаний его через каждые десять дней, что не очень приемлемо для проведения анализов в полевых условиях. С похожей проблемой сталкиваются многие юные исследователи, так как не во всех школьных кабинетах химии и биологии есть необходимые индикаторы или рН-метры. Поэтому нами были сформулированы следующие вопросы: На какой индикатор можно произвести замену в данной методике? Можно ли синтезировать аналог в лаборатории?

В связи с этим мы в этом учебном году достаточно плотно занялись данной проблемой и поэтому тему нашего исследования «Изучение возможности синтеза индикаторов в лаборатории» можно считать актуальной.

Цель исследования – подобрать методики синтеза индикаторов, изучить возможности синтеза данных веществ в лаборатории и экспериментально доказать эффективность подобранных методик.

Задачи исследования:

1. Провести литературный анализ, направленный на выявление, подбор и систематизацию методик синтеза индикаторов.

2. Осуществить экспериментальный синтез индикаторов в лаборатории.

3. Доказать эффективность подобранных методик, направленных на синтезирование индикаторов в лаборатории.

Объект исследования – индикаторы.

Предмет исследования – методика синтеза индикаторов.

Гипотеза исследования – если можно будет синтезировать индикатор, которым можно произвести замену комбинированного индикатора с зоной перехода рН=4,0—8,0, то метод Н.А. Алямовского будут использовать чаще в научно-исследовательских работах учащихся.

Методы исследования:

1. теоретические – анализ, синтез, систематизация информации по литературным источникам.

2. практические – лабораторные синтезы индикаторов, испытание свойств синтезированных индикаторов, определение зоны перехода.

Структура работы: работа состоит из введения, двух глав, заключения, списка литературы и приложений.

1.  
   1. Индикаторы – определение, классификация и характеристика

В словаре С.И. Ожегова дано такое определение понятие индикатора: «Индикатор, -а, м. (спец.). 1. Прибор (устройство, элемент), отражающий ка-кой-н. процесс, состояние наблюдаемого объекта. Визуальный и. Акустический и. 2. Вещество, являющееся химическим реактивом. Химический и. II прил. индикаторный, -ая,-ое....».1

Можно сделать вывод, о том, что в нашей работе нас интересует большое второе толкование: «Индикатор – это химический реактив».

Более четкое определение с точки зрения химии мы нашли в энциклопедическом словаре: «Индикатор – это химическое вещество, которое вводится в исследуемый раствор для обнаружения (изменением цвета, выпадением осадка) химического процесса, происходящего в растворе».2

По технике применения различают внутренние и внешниеиндикаторы. Более распространенные внутренние индикаторы непосредственно вводят в титруемый раствор. Внешние индикаторы применяют тогда, когда нельзя использовать внутренние.

По обратимости возникновения или исчезновения внешнего эффекта реакции различают обратимые и необратимыеиндикаторы. Обратимые индикаторы - это соединения, способные существовать в двух или более формах, причем переход одной формы в другую обратим. Большинство известных индикаторов относятся к этому типу. Например, индикатор метиловый оранжевый окрашен в желтый цвет в щелочной среде, а в кислой - в красный. Необратимые индикаторы - это соединения, которые разрушаются при введении избытка реагента, и окраска которых не восстанавливается добавлением анализируемого раствора. Эта группа индикаторов применяется достаточно редко.

Индикаторы различают по типу реакции титрования, для регистрации окончания которой их применяют.

Кислотно-основные индикаторы - это окрашенные органические соединения, существующие в двух формах, в зависимости от рН раствора.

Окислительно-восстановительные индикаторы - это органические соединения, изменения окраски которых связано с окислительно-восстановительным (оксред-, редокс-) потенциалом Е титруемого раствора.

Металлоиндикаторы (металлохромные) используют в комплексонометрическом титровании. Это органические красители, которые образуют окрашенные комплексы с ионами металлов.

Различают специфические, индивидуальные, смешанные и универсальные индикаторы. Специфические индикаторы позволяют обнаружить только одно конкретное вещество. Например, крахмал образует синие адсорбционные комплексы с I₂, тиоцианат-ионы (CNS^-) образуют красные комплексы с Fe³⁺-ионами и т.д. Для обнаружения КТТ(МЭ) может применяться один индикатор-индивидуальный. Смешанный индикатор - это смесь двух разных индикаторов или смесь, состоящая из индикатора и нейтрального красителя, окраска которого не изменяется при разных рН. Универсальныеиндикаторы - смесь нескольких индикаторов, приобретающих различную окраску при нескольких значениях рН, что позволяет судить о величине рН по всему диапазону шкалы.

В агрохимических исследованиях при определении рН вытя­жек из почвы применяется метод Н.А. Алямовского. 3 Осо­бенно широко он используется в полевых условиях.

Главной частью прибора Н. И. Алямовского, сконструиро­ванного в 1957 году 4, является смешанный (комбинированный) индикатор с зоной перехода рН=4,0—8,0. Приготовление комбинирован­ного индикатора весьма сложно, требует затрат этилового спирта и проверки показаний его через каждые десять дней.

1.  
   1. Особенности пара-нирофенола как вещества-индикатора

Пара-нитрофенол — одноцветный индикатор с зоной перехо­да в области рН-5,4—7,0. Он входит в число четырех одно­цветных индикаторов как макро-, так и микро-прибора Михаэлиса.5 Как отмечено выше, индикатор пара-нитрофенол имеет зону перехода, относительно близкую к таковой индикатора Н. И. Алямовского (рН = 4,8—8,0).

Большинство авторов для получения пара-нитрофенола ре­комендуют нитрование фенола. 6,7 Фенол нитруется очень легко уже на холоду под действием разбавленной азотной кислоты. В соответствии с ориентирующим влиянием OH-группы как заместителя 1-го рода при этом получается о- и п-нитрофенол:

Разделение этих изомеров основано на том, что о-нитрофенол, в отличие от п-нитрофенола, перегоняется с водяным паром.

При нитровании фенола нужно избегать повышения температуры реакционной смеси во избежание образования ди- и тринитрофенола.

Прянишников Н.Д. приводит описание метода получения пара-нитрофенола из пара-нитроанилина методом диазотирования.8 Однако эти способы получения пара-нитрофенола сложны и длительны по времени.

У Залькинда 9 и Кларка 10 имеется сообщение, что пара-нитроанилин при продолжительном кипячении с концентри­рованным раствором гидроксида натрия дает аммиак и пара-нитро­фенол. Эта методика и была положена в основу разработанно­го более простого способа получения пара-нитрофенола. Мы для опыта использовали пара-нитроанилин и гидроксид натрия. Известно, что пара-нитрофенол и его производные обладают противогрибковым действием, а наиболее активным является 2-хлор-4-нитрофенол (I). Он входит в состав антимикозного препарата «Нитрофунгин».

1.  
   1. Сравнительная характеристика лакмуса и лакмоида

Лакмус-индикатор широко применяется в школьных хими­ческих опытах. Лакмус — сложный синий пигмент, получаемый из некоторых видов лишайников. Главную часть красящей системы составляют азолитмин С₉Н₁₀О₅Н и эритролитмин C₁₃H₂₂О₆. Получают лакмус из лишайников путем процес­са сбраживания. 11

Изначально для получения лакмуса применялся следующий способ: растительное сырьё измельчали до порошкообразного состояния; порошок до 3-х недель вымачивали в содово-аммиачном растворе (сода или поташ + NH₄OH) при постоянном перемешивании. Вместо раствора аммиака обычно использовалась моча (как источник ионов (CO₃)^2- и NH₄⁺); после того, как в результате вымачивания (экстрагирования) и ферментации цвет смеси меняется с красного на голубой, осадок отделяли; полученный голубой экстракт высушивали и размалывали. В результате образовывался порошок смеси лакмусового и орцеинового пигментов; после спиртовой экстракции порошка карминово-красный раствор красящих веществ удалялся и оставался тёмно-синий лакмус.

Современный способ получения орцеинового пигмента и лакмуса, запатентованный двумя английскими химиками (G. Gordon и Cuthbert Gordon) в 1758 году, заключался в следующем: растительное сырьё измельчают до порошкообразного состояния; порошок смешивают с водным раствором-суспензией извести-поташа и карбоната аммония и оставляют для ферментации на воздухе; примерно через 3 недели ферментации цвет смеси изменяется с фиолетового или коричневого на насыщенный синий; смесь разделяется на сите, выделенный раствор содержит до 90 % орцеина и до 8 % веществ лакмуса в пересчете на сухой остаток.

Лакмоид (резорциновый синий) — смесь нескольких красителей, получаемых из резорцина. Лакмоид, как и лакмус в кислой среде, дает красный цвет, в щелочной — синий, хотя зона перехода для этих двух индикаторов несколько различная: лакмус — рН = 5,0—3,0; лакмоид — рН = 4,0—6,4. 11

Структурная формула лакмоида: С₁₂H₉O₃N

Условия приготовления раствора индикатора: 0.2 и 0.5% (90%-ный спирт)

Число переходов окраски: 1

Интервал pH перехода: 4 — 6.4

Изменение окраски раствора: красная → синяя

Диаграмма перехода окраски в зависимости от pH раствора:

Известны разные методы синтеза лакмоида, но они сложны и достаточно продолжительны по времени. Нами был поставлен эксперимент упрощенного синте­за лакмоида, доступного для школьных условий.

1.  
   1. Методика синтеза пара-нитрофенола

В химический стакан помещают 1 г пара-нитроанилина и приливают 20мл концентрированного раствора гидроксида натрия. В течение 1-1,5 часа при нагревании на электроплитке, посто­янно перемешивая, добавляют малыми порциями раствор гидроксида натрия общим объемом 75-80мл. Наблюдается вначале по­степенное, а затем сильное вспенивание системы и изменение окраски от слабо-желтой до жёлто красной. После охлаждения в стакан осторожно по каплям прилива­ют концентрированную соляную кислоту для нейтрализации из­бытка щелочи до момента обесцвечивания системы.

Для очистки получаемого вещества в химический стакан на­ливают около 200мл дистиллированной воды и при перемеши­вании все содержимое стакана, где велось получение пара-нитрофенола, выливают в воду. Полученную систему фильтруют. Фильтрат упаривают в 4-5 раз, и из горячего фильтрата про­изводят кристаллизацию. Выпадают белые кристаллы. Кристал­лы отфильтровывают и сушат.

Для очистки от хлорида натрия и других возможных при­месей пара-нитрофенол промывают 3 раза небольшим количест­вом безводного этилового спирта. Для окончательной очистки можно перекристаллизовать пара-нитрофенол из этилового спирта. Выход пара-нитрофенола примерно будет составлять 5 г. Синтез пара-нитрофенола по данной методике может быть выполнен за два учебных часа.

1.  
   1. Методика синтеза лакмоида

В выпарительную чашку отвешивают 10г резорцина и 1г азотистокислого натрия. Смесь перемешивают и нагрева­ют на песочной бане (при помешивании) приблизительно 30 минут. Система пенится вследствие выделения аммиака и паров во­ды. Затем становится темно-фиолетовой. Нагревание прекра­щают, когда температура смеси поднимается до 130°С. Чашку с баки снимают и ее содержимое охлаждают. Когда темпера­тура смеси достигнет 30°С, приливают 20мл воды и растворя­ют плав. Полученный раствор содержит лакмоид и различные приме­си. Следующий этап работы — выделение из полученного раст­вора лакмоида.

Для этого в химическом стакане в 100мл воды растворяют 30г хлорида аммония, туда добавляют 1,8 мл концентриро­ванной соляной кислоты и вливают раствор плава. Перемешива­ют. Лакмоид при этом выпадает в виде мелкого порошка тем­но-синего цвета. Жидкость в стакане должна иметь нейтраль­ную реакцию. Для проверки проводят пробу на дистиллированную воду. При нейтральной среде вода от нескольких капель пробы примет красноватый цвет. Если нейтральной среды нет, то соответственно добавляют концентрированной соляной кислоты или концентрированного раствора аммиака. После нейтрализации систему выдерживают 2 часа, для более полного выделения лакмоида.

Затем систему отфильтровывают через двойной фильтр. Осадок на фильтре промывают 2-3 раза небольшими порциями холодной дистиллированной водой. Лакмоид высушивают на воздухе и взвешивают. Выход продукта по резорцину во всех опытах составляет примерно около 30%, что составляет примерно 3 г по массе. На синтез необходимо около четырех учебных часов.

1.  
   1. Результаты экспериментальной работы

Экспериментальная часть работы была произведена на базе кафедры химии, географии и методики их преподавания ФГБОУ ВПО «Самарский государственный социально-педагогический университет» в октябре и ноябре 2015 года (приложение 1).

Согласно описанной в пункте 2.1. методики синтеза пара-нитрофенола, нами было получено вещество желтого цвета, которое представлено на рисунке 1.

Рисунок 1. Внешний вид полученного вещества - пара-нитрофенола.

Результаты эксперимента приведены в таблице 1.

Таблица 1. – Результаты экспериментального синтеза индикатора пара-нитрофенола (октябрь 2015 года)

Массовая доля выхода была рассчитана по следующей формуле:

Исходя их условий проведения опыта, выход продукта должен составлять 5г, полученные нами результаты соответствуют заявленной цифре на 92,4%, следовательно, можно сделать вывод, что методика синтеза выполнена правильно. Далее мы провели испытание индикаторных свойств, полученного пара-нитрофенола. По нескольку крупинок полученного продукта поместили в пробирки с раствором 10% соляной кислоты и 10% раствором гидроксида натрия. В первой пробирке жидкость окрашивается в практически прозрачный слабожелтый цвет, а во второй в желтый цвет.

Согласно описанной в пункте 2.2. методике синтеза лакмоида, нами было получено вещество темно-синего цвета, которое представлено на рисунке 2.

Рисунок 2. Внешний вид полученного вещества - лакмоида.

Результаты эксперимента приведены в таблице 2.

Таблица 2. – Результаты экспериментального синтеза индикатора лакмоида (октябрь 2015 года)

Массовая доля выхода была рассчитана по следующей формуле:

Исходя их условий проведения опыта, выход продукта по резорцину составляет примерно около 30%, полученные нами результаты соответствуют заявленной цифре, следовательно, можно сделать вывод, что методика синтеза выполнена правильно. Далее мы провели испытание индикаторных свойств, полученного лакмоида. По нескольку крупинок полученного продукта поместили в пробирки с раствором 10% соляной кислоты и 10% раствором гидроксида натрия. В первой пробирке жидкость окрашивается в розовый цвет, а во второй в синий цвет.

Для более точной характеристики индикаторных свойств определили зону перехода по буферному ацетатному ряду. По литературным данным, для лакмоида зона перехода находиться в пределах рН = 4,0—6,4.

Для каждого испытания мы готовили новый раствор полученного продукта в следующем соотношении: 50 мг лакмоида к 50 мг этилового спирта. Таких растворов было приготовлено три и проведено три опыта.

В трех проделанных нами опытах зона перехода была при рН = 3,8-6,8, т.е. переход окраски из красной в синюю, следовательно, точка перехода полученного индикатора в среднем составила рН = 4,1.

Можно сделать вывод о том, что мы получили индикатор лакмоид с зоной перехода рН = 3,8-6,8. Лакмоид, синтезированный в этих опытах, можно использовать при проведении опытов в лаборатории вместо лакмуса.

По итогам проведенного исследования можно сформулировать следующие выводы, цель исследования достигнута, так как подобраны методики синтеза индикаторов, изучены возможности синтеза данных веществ в лаборатории и экспериментально доказана эффективность подобранных методик.

В работе приведены методики синтезов индикаторов: пара-нитрофенола и лакмоида, выполненные нами в лаборатории.

Синтезированный индикатор пара-нитрофенол был получен согласно массовой доле выхода 92,4%. В кислой среде он окрашивается в прозрачный бесцветный цвет, а в щелочной среде он окрашивается в желтый цвет.

Лакмоид был получен нами, определив его массовую долю выхода мы установили что она составляет 77,17%. Исходя их условий проведения опыта выход продукта по резорцину составляет примерно около 30%, полученные нами результаты соответствуют заявленной цифре, следовательно, можно сделать вывод, что методика синтеза выполнена правильно. Далее мы провели испытание индикаторных свойств, полученного лакмоида и был сделан вывод о том, что мы получили индикатор лакмоид с зоной перехода рН = 3,8-6,8.

Продукты этих синтезов: пара-нитрофенол и лакмоид можно использовать непосредственно в школе. Лакмоид на занятиях в место лакмуса. Пара-нитрофенол при агрохимических опытах.

Выполнение синтезов этих индикаторов будет способствовать расширению конкретных представлений учащихся о роли органического синтеза в химической промышленности и сельском хозяйстве.

При изучении раздела органической химии, на примере синтеза пара-нитрофенола, можно показать учащимся значение работ Н.Н. Зинина для производства индикаторов, т.к. исходный продукт для этого синтеза пара-нитроанилин – продукт нитрования анилина.

Синтез лакмоида можно связать с изучением фенолов, указывая на их значение для изготовления индикаторов (фенолфталеина, флюоресцина, лакмоида).

1. Ожегов С.И.

2. Энциклопедический словарь http://dic.academic.ru/dic.nsf/es/23114

3. Петербургский А.В. Практикум по агрономической химии. – М: Просвещение, 1978г.- 315с.

4. Аринушкина Е.В. Руководство по химическому анализу почв. – М: МГУ, 1987г. – 273с.

5. Академик. Словари и энциклопедии. http://dic.academic.ru/

6. Гаттерман Л., Виланд Г. Практические работы по органической химии. – М: Просвещение, 1974г.- 215с.

7. Голодовников В.Г., Низовкина Т.В., Рыскальчук А.Т. Практикум по органическому синтезу. – Санкт-Петербург: Изд-во «Университет», 1995г. – 228с.

8. Прянишников Н.Д. практикум по органической химии. М: Химиздат, 1969г. – 188с.

9. Залькинд Ю.Д. Химия цикличных соединений. ОНТИ, 1977г.

10. Кларк Г.Т. Руководство по качественному и количественному анализу, ГНТИУ,1964г.

11. Краткая химическая энциклопедия, Т.2, 1993г.

Фотоотчет о проведении экспериментальной части работы на базе кафедры химии, географии и методики их преподавания ФГБОУ ВПО «Самарский государственный социально-педагогический университет» в октябре и ноябре 2015 года.

18