XVII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Акварельные краски из растений
Автор работы награжден дипломом победителя I степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Введение
Интересно, а откуда добывали краски наши предки? Ведь красок хоть в природе и много, но как только красный сок высыхает, то он становится коричневым. Как же наши предки добивались таких ярких цветов? Именно эти вопросы меня волновали, когда я пролил на футболку вишнёвый сок. Поэтому я решил подробно изучить тему получения красок из растений.
Тема моей работы актуальна, поскольку будет полезна всем, кто увлекается историей, рисованием и экспериментами. Краски из растений могут быть легко приготовлены в домашних условиях. Мое исследование привлекло интерес учителя и моих друзей, мы планируем применять изготовленные в процессе исследования краски во время выполнения акварельных работ.
Цель работы: получение акварельных красок разных цветов из раствора антоцианов.
Задачи:
Узнать какие вещества в растении определяют цвет и могут использоваться для получения краски.
Выяснить, как на окраску раствора вытяжки из растений влияют кислоты и щелочи.
Создать акварельные краски разных цветов.
Предмет исследования: раствор растительных пигментов.
Объект исследования: акварель разных цветов, приготовленная из раствора антоцианов.
Гипотеза: из особых водорастворимых пигментов – антоцианов можно получить акварельные краски практически всех цветов.
Методы исследования:
исследовательский метод;
метод наблюдения;
эксперимент;
анализ проделанной работы.
Вклад автора:
Автор работы был инициатором исследования данного вопроса, лично проводил все экспериментальные исследования, помогал обработке результатов и в формулировке выводов.
Глава 1. Обзор литературы
Еще на заре становления человечества, несколько тысяч лет назад, люди пользовались красителями. Но их добывали исключительно из растительного или животного сырья. К примеру, синий краситель – индиго – получали из особых тропических растений в Индии, после того как их заливали водой и оставляли на открытом воздухе. Похожий синий краситель добывали из растения вайды в Европе. Знаменитый пурпурный-красный – древние добывали из особой улитки багрянки, водившейся в Средиземном море. Сама улитка не открашена, но сок, полученный при измельчении её тела и воды, на воздухе открашивал ткань в ярко-красный цвет. Перечисленные красители были очень дорогими и их могли позволить только знатные люди (Парини, 1966).
Однако и простые люди тоже хотели что-то окрашенное, яркое и красивое. В Древней Руси люди в основном окрашивали жёлтыми и коричневыми красками (Левашева, 1959). Подобный эффект я увидел на своей футболке, когда пролил на неё вишнёвый сок – на ней появилось красное пятно. Но уже к вечеру пятно стало коричневым. А в музеях и на картинках одежда у древних славян были красными. Как им это удавалось, ведь чудо-улитки у нас не водится? Я заметил, что если чай добавить лимон, то он посветлеет. Если добавить в борщ кислых помидоров, то цвет супа становится более ярким. Возможно, что наши предки использовали подобные подходы для получения красителей нужного им цвета?
Наиболее доступно различное многообразие красок в наших широтах именно у растений. Пигменты (красящие вещества) определяют цвет растений и их отдельных частей. Сегодня достаточно хорошо изучены многие растительные пигменты, одними из которых являются антоцианы. Они окрашивают растения в розовые, красные, пурпурные, фиолетовые, голубые, темно-синие цвета. Антоцианы могут присутствовать у растений в цветках, стеблях, листьях, корнях, а также в плодах и семенах (Шоева, 2013). Наибольшее количество антоцианов содержат лепестки окрашенных цветов и большинство плодов разных растений. Также есть растения с нетипичной фиолетовой окраской листьев, где содержится также очень большое количество антоцианов. Так как в этих частях растений антоцианов много, то вытяжки из них можно использовать для получения натуральных красителей (Чуб, 2008). Антоцианы хорошо растворимы в воде. Получить антоциановую вытяжку можно двумя способами. Нагревание растений в воде выше 70°С приводит к выходу антоцианов из них, окрашивая воду. Также можно измельчить окрашенную часть растения в ступке с небольшим количеством песка, и, добавив немного воды, отфильтровать. Основное свойство антоцианов – это изменение цвета при действии различных веществ на них. При действии минеральных и органических кислот образуют соли красного, при действии щелочей — синего и жёлтого цвета (Батурицкая, Фенчук, 1991).
В наше время формы акварельных красок очень разнообразны: твердые краски, мягкие краски в специальных чашечках, медовые краски в тюбиках и жидкие краски в стеклянных банках (Киплик, 2009). Все эти краски состоят из пигмента – красящего вещества и связующего материала. (Рудин, 1956). Связующий материал позволяет краскам не пересыхать и обеспечивает для удобства нанесения. Наиболее подходящим для этого является декстрин – вещество, получаемое термической обработкой картофельного или кукурузного крахмала (Киплик, 2009)
Глава 2. Материалы и методика
Исследование проводилось на свежесобранных листьях гейхеры сорта Grape Soda с красно-фиолетовыми листьями.
Оборудование и реактивы для получения акварели: магнитная мешалка (Amtast MSH-2, Китай), стаканы стеклянные жаростойкие на 150 мл, мерный цилиндр, пробирки стеклянные 5 мл, подставка для пробирок, стеклянная палочка, шпатель, одноразовые пипетки Пастера, дозатор на 1000 мкл (Thermo Fisher Scientific, США) с набором наконечников, фольга, дистиллированная вода, 20% раствор лимонной кислоты, трубоочиститель «Крот», глицерин, декстрин, пластиковые пробирки с крышкой для хранения акварели на 5 мл.
Изготавливали акварель в четыре этапа:
Сбор листьев.
Получение антоциановой вытяжки.
Приготовление связующего вещества.
Получение акварели.
Сбор листьев
Собирали на дачном (СНТ «Биоприбор», Серпуховской р-н, Московская область) в дневное время. Отбиралось 5-7 средних листьев без повреждений (рис.1). Листья промывались от остатков почвы и подсушивались на бумажном полотенце.
Рисунок 1. Собранные листья гейхеры сорта Grape Soda, участвующие в эксперименте.
Получение антоциановой вытяжки.
Антоцианы выделяли из листьев нагреванием их в воде (Батурицкая, Фенчук, 1991). Для этого помещали в стеклянный стакан мелкоизмельчённые листья (5-7 шт), заливали 30 мл воды, доводили до кипения. Давали раствору остыть. Часть раствора без листьев переливали в чистый стакан.
Приготовление связующего вещества
Связующее вещество получали путем смешивания глицерина с порошком декстрина. Глицерин – вязкое вещество, он нужен для того, чтобы краска не была слишком жидкой и не растекалась по бумаге. Декстрин нужен для скрепления краски с бумагой. В глицерин добавляли декстрин в таком количестве, чтобы окраска связующего вещества получилась светло-желтого цвета.
Получение акварели
Акварель получали смешиванием раствора антоцианов со связующим веществом в пропорции 3:1/2 (3 мл вытяжки и 0,5 мл связующего раствора). Работа проводилась экспериментальным путем. В результате добавления в вытяжку антоциана различных реагентов (кислоты или щелочи) и их разного количества мы получали растворы различных цветов. Для учёта полученного результата фотографировали пробирки с исходным раствором антоциана и созданными в ходе эксперимента растворами. Каждого вещества добавляли по капле к вытяжке с помощью одноразовой пипетки Пастера. Полученный результат фотографировали. Сделанные краски были испытаны на бумаге, и были нарисованы рисунки. Хранили акварель в закрытых пластиковых пробирках в холодильнике.
Глава 3. Результаты и их обсуждение
В связи с тем, что антоцианы очень распространены и их особенностью является то, что при действии кислот образуют соли красного цвета, а при действии щелочей — синего цвета и даже жёлтого. Поскольку в клетках содержится обычно несколько различных антоцианов, а состав веществ растений изменяется с возрастом. К примеру, у чины весенней цветки сначала красные, затем зеленовато-синие. Иногда меняется окраска только части венчика (Батурицкая, Фенчук, 1991).
Исходя из этих особенностей антоцианов, мы предположили, что почти всё разнообразие цветов (от жёлтого, красного до синего) можно получить из вытяжки антоцианов, полученной с одного вида растения, имеющего большое содержание антоцианов в своём составе. Именно поэтому в качестве опытного была выбрана красно-фиолетовая гейхера, окрашенная так благодаря антоцианам.
Наблюдения проводились на базе лаборатории «Агробиологии» структурного подразделения «БиоТех-Пущино». Были использованы листья гейхеры, как наиболее доступные, яркие и крупные. Собранные листья подготавливались на месте и измельчались в лаборатории для проведения эксперимента (рис. 2А). Получали антоциановую вытяжку (рис 2Б.).
А. Б.
Рисунок 2. Получение антоциановой вытяжки (А. Измельчение листьев гейхеры; Б. доведение до кипения листьев в дистиллированной воде).
Полученная вытяжка фильтровалась от листьев и раскапывалась по 10 пробиркам с содержащимся в нужном количестве связующим веществом (рис. 3). Из 10 пробирок 1 была выбрана в качестве контрольной, в которую ничего не добавлялось, а остальные были экспериментальные. Антоцианы хорошо растворимы в воде и изначально (может заменить словом «сначала» - это понятно больше ребенку) фильтрат получается розово-фиолетового цвета (рис. 5, пробирка №1).
Рисунок 3. Раскапывание фильтрата вытяжки по пробиркам.
В полученные пробирки с фильтратом и связующим агентом мы последовательно добавляли реагенты согласно следующей схеме: в 3 пробирки добавлялась лимонная кислота в разных количествах, в 4 пробирки добавлялся трубоочиститель «Крот» (щёлочь) в разных количествах и в 2 пробирки сливалось часть содержимого других пробирок с кислотой и щёлочью (рис.4). Таким образом, у нас получался следующий состав пробирок с растворами:
Пробирка №1 – исходный раствор антоциана.
Пробирка №2 – раствор антоциана + лимонная кислота (10 капель).
Пробирка №3 – раствор антоциана + лимонная кислота (7 капель).
Пробирка №4 – раствор антоциана + лимонная кислота (3 капли).
Пробирка №5 – раствор антоциана + содержимое пробирок №3 + №9.
Пробирка №6 – раствор антоциана + содержимое пробирок №4 + №10.
Пробирка №7 – раствор антоциана + трубоочиститель «Крот» (3 капели).
Пробирка №8 – раствор антоциана + трубоочиститель «Крот (5 капель).
Пробирка №9 – раствор антоциана + трубоочиститель «Крот (8 капель).
Пробирка №10 – раствор антоциана+трубоочиститель «Крот» (10 капель).
Рисунок 4. Проведение эксперимента для получения красок разного цвета.
Стоит отметить, что трубоочиститель «Крот» представляет собой щелочной раствор в состав которого входит: дистиллированная вода (примерно от 5 до 25 %), поверхностно активные вещества, всего от 5 до 10 %, гидроксид натрия – это основной элемент, который содержится в большом количестве – от 40 до 60%. Именно гидроксид натрия и обеспечивает щелочную среду.
При смешивании растворов антоцианов с кислотой получали цвета розовых, фиолетовых, и красных оттенков (рис. 5, пробирки № 2, 3, 4), а при смешивании с трубоочистителем (щёлочью) – желтых, зеленых, синих и коричневых оттенков (рис. 5, пробирки № 7, 8, 9, 10). Кроме этого, нами показано, что дополнительные оттенки растворов, такие как светло-розовый и серый, можно получить, смешивая приготовленные растворы друг с другом (рис. 5, пробирки № 5, 6).
Рисунок 5. Получившиеся образцы акварельных красок разного цвета (пробирки пронумерованы согласно схеме эксперимента). Цвета пробирок: №1 – розовый (контроль), №2 – красный, №3 – бордовый, №4 – розово- фиолетовый, №5 – светло-розовый, №6 – серый, №7 – синий, №8 – зелёный, №9 – охристо-жёлтый, №10 – коричневый.
Из проведенного исследования видно, что для приготовления акварели разных цветов достаточно использовать вытяжку антоцианов из одного вида растения. Главное, чтобы в исходном растении было достаточное количество антоцианов. Получилась почти полная палитра цветов. Однако насыщенный жёлтый цвет получить так и не удалось. Это скорее всего связано с тем, что жёлтый пигмент чаще всего дают каротиноиды (Бриттон, 1986).
После тщательного перемешивания с помощью стеклянной палочки раствора и связующего вещества, полученные акварельные краски были опробованы в качестве обычных покупных красок. Попробовали нарисовать ими несколько рисунков (рис. 6).
Рисунок 6. Тестирование полученных красок.
Однако при работе с этими красками нужно учитывать ряд их особенностей. Во-первых, они не такие яркие, во-вторых, нельзя чтобы краски смешивались, а то кислотность будет меняться и антоцианы будут менять цвет прямо на бумаге, в-третьих, синяя краска нестабильна и со временем изменяет цвет на воздухе до зелёной (рис. 7). Стоит отметить, что при высыхании этих рисунков и последующем их хранении цвета не изменялись, даже становились немного ярче. Сделанные краски были перелиты в пластиковые пробирки и успешно хранились в холодильнике.
Рисунок 7. Рисунки с использованием полученных красок (видно, что нужно дождаться высыхания каждого слоя красок и не допускать их смешивания).
Гипотеза, что из особых водорастворимых пигментов – антоцианов можно получить акварельные краски разных цветов, подтвердилась. Но не вся палитра цветов стабильна при использовании на практике.
Возможно, именно способность антоцианов давать к кислой среде ярко-красный цвет позволило нашим предкам окрашивать ткани и предметы быта. Различные кислоты были очень доступны для наших предков, ведь они образуются при скисании молока, фруктовых соков и квашения капусты.
Заключение
Выяснено, что окраску цветов, плодов и листьев могут определять специальные красящие вещества – антоцианы. В ходе исследования удалось освоить метод получения антоцианов из растения гейхеры с красно-фиолетовыми листьями. Получилось создать акварельные краски из полученной вытяжки антоцианов практически всей необходимой палитры цветов, исключая жёлтый. Удалось приготовить связующее вещество, при добавлении которого краска не оставляла жирного блеска после высыхания на бумаге и не теряла яркость. Краска синего цвета могла изменять цвет на воздухе, остальные же краски оставались такого же цвета, которые и был получен. Доказано, что полученные краски можно использовать, как и обыкновенные покупные, однако они менее яркие, нельзя допускать смешивания красок, а синяя краска меняет свой цвет на зеленоватый и даже коричневый. Краски на бумаги потом не меняли свой цвет после высыхания, а наоборот даже становились ярче. Возможно, одним из способов получения красной краски у наших предков было использование раствора антоцианов, смешанных с чем-то кислым.
Список литературы и использованных источников
Батурицкая Н. В., Фенчук Т. Д. Удивительные опыты с растениями: Кн. для учащихся. – Мн.: Нар. асвета, 1991. – 208 с.
Бриттон Г. Биохимия природных пигментов, пер. с англ., –М.: Мир, 1986. – 422 с.
Киплик Д.И. Техника живописи. М.: «Сварог и К», 2009. – 349 с.
Левашева В.П. Добывание и использование вспомогательных производственных материалов //Труды Государственного Исторического музея. Очерки по истории русской деревни X-XIIIвв., – 1959, – с.94-104.
Парини В.П. История натуральных и искусственных красителей// Химия и жизнь. – 1966 г. – № 2 – с.65–71.
Рудин Н.Г. Руководство по цветоведению. – М.: «Гизлегпром», 1956. – 43 с.
Чуб В. Для чего нужны антоцианы // Цветоводство – 2008. – №6 – с. 22-25.
Шоева О.Ю. Антоцианы: секреты цвета «Химия и жизнь» №1, 2013. Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://elementy.ru/nauchno-populyarnaya_biblioteka/431905/Antotsiany_sekrety_tsveta – Дата доступа: 21.10.2022