II Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

ИССЛЕДОВАНИЕ СОСТАВА КОНФЕТНЫХ ОБЕРТОК С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ МЕТОДОВ АНАЛИТИЧЕСКОЙ ХИМИИ

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Палатов К.А. 1

---

1МОУ "Лицей 8 Олимпия"

Артемова О.Г. 1

---

1МОУ Лицей 8 Олимпия

Работа в формате PDF

747.3 KB

Автор работы награжден дипломом победителя II степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителя

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность Интерес людей к конфетным и шоколадным оберткам в России постоянен. Причин несколько: традиционно высокий уровень их исполнения и огромное разнообразие по тематике. Культурно-просветительская и общественно-политическая тема занимают одно из ведущих мест в содержании и оформлении конфетной продукции. Мы знаем, что большинство графических миниатюр для упаковки кондитерской продукции традиционно создается при участии профессиональных художников и даже поэтов. С течением времени, менялось представление об обертке, и использовались все более новые технологии в их изготовлении. На обертке мы можем видеть состав конфеты, госты по ее изготовлению, но, ни слова о самой обертке. В литературе множество материалов о различных красящих веществах, но какие из них можно использовать при изготовлении конфетной обертки, а какие нельзя.

В 1872 году Томас Алве Эдисон (великий изобретатель) придумал парафинированную бумагу, впоследствии ставшей первой оберткой для конфет.

Целью нашего исследования было выяснить химический состав красящих веществ конфетной обертки, используя методы аналитической химии.

Качественный химический анализ — первый этап в проведении химического анализа объектов неизвестного происхождения. Химический анализ может ответить на некоторые вопросы:

• Каков основной компонент образца?

• Содержит ли образец токсичные вещества?

Исходя из этого, мы выдвинули следующие задачи:

1. Провести анализ имеющейся литературы по данной теме;

2. Изучить методы аналитической химии, которые можно использовать для анализа состава красящих веществ конфетной обертки;

3. Провести химический эксперимент по определению состава красящих веществ конфетной обертки.

Мы определили условия для успешного решения задачи по качественном анализу:

1. Необходимо иметь базовое представление о составе исследуемого объекта, его природе.

2. Необходимо учитывать границы возможностей аналитических методов.

3. Необходимо знать, что для нашего объекта невозможно на сто процентов гарантировать точность определения. Но всегда возможно получить ценную информацию, которая поможет в дальнейшем решении задачи.

Методы исследования

Изучение литературы по данной теме, химический эксперимент, анализ, синтез.

Часть 1. Обзор литературы

1.1. Основные методы аналитической химии для определения различных веществ

Аналитическая химия – это раздел химической науки, разрабатывающий на основе фундаментальных законов химии и физики принципиальные методы и приемы качественного и количественного анализа атомного, молекулярного и фазового состава вещества. Качественный анализ дает возможность применять теоретические знания по общей и неорганической химии для решения практических задач, раскрытия химизма процессов, лежащих в основе методов анализа. [Комова, 2011, с.5]

Методы анализа классифицируются по-разному. Это зависит, прежде всего, от свойств вещества, взятого за основу определения.

Они делятся на химические методы (в их основе химические аналитические реакции, сопровождающиеся ярко выраженными признаками), физико-химические (в их основе измерение каких-то параметров химической системы), физические (в их основе изменение физических свойств изучаемого вещества).

Мы в своем исследовании решили основываться на химическом методе качественного анализа, который дает реакции с конкретными веществами – аналитическими реагентами. Характерными признаками таких реакций будут: выпадение или растворение осадка, появление, изменение или вообще исчезновение цвета, выделение газа (с запахом или цветом) или кристаллизация. Ознакомились с некоторыми учебниками по аналитической химии. (В.И. Фадеева, Т.Н. Шеховцова, С.И. Гильманшина, Ю.Я.Харитонова, В.И. Климовой и др.)

Химический анализ чаще всего начинают с отбора и подготовки пробы к анализу.

В процессе отбора и хранения пробы возможны потери определяемого компонента, внесение загрязнений, изменение химического состава. Всё это приводит к увеличению общей погрешности анализа.

При анализе смеси веществ может оказаться так, что часть пробы растворима в воде, часть - в кислотах, часть - в растворе аммиака и т.д. В этом случае целесообразно провести дробное растворение пробы и получить ряд вытяжек - растворов, содержащих различные катионы и анионы и их смеси. Следует при этом добиваться, чтобы та часть пробы, которая растворяется в данном растворителе, была полностью извлечена из смеси и переведена в соответствующую вытяжку. Каждую вытяжку анализируют отдельно, так как при этом достигается дополнительное разделение сложной смеси и устраняется мешающее действие некоторых ионов.

Мы ознакомились с сероводородной и кислотно-основной классификацией катионов и групповыми реагентами на катионы.

Первая из них была известна еще в XIX веке и была вытеснена во второй половине XX века из-за получения и применения ядовитого сероводорода. В качестве четырёх аналитических реагентов использовали: раствор хлороводородной кислоты (HCl), раствор сероводорода (H₂S), раствор сульфида аммония ((NH₄₎₂S) и раствор карбоната аммония ((NH₄₎₂CO₃). Все катионы делятся на пять аналитических групп.

Таблица 1. – Сероводородная классификация катионов

Вторая классификация (кислотно-основная) на основе использования аналитических реагентов в виде растворов кислот и оснований. Это хлороводородная кислота (HCl), серная кислота (H₂SO₄), гидроксид натрия (NaOH) (в присутствии пероксида водорода H₂O₂) и аммиак (NH₃). Эта классификация разработана менее тщательно, но при ее применении нет токсичного сероводорода. [Крешков, 1970, с. 20]

Таблица 2. - Кислотно-основная классификация катионов

В основу классификаций анионов положены либо их окислительно-восстановительные свойства, либо отношение анионов к Ag(I), Ba(II), Ca(II), либо способность образовывать газообразные вещества при действии кислот и т.д. В таблице 3 приведена классификация анионов, основанная на различной растворимости солей бария и серебра. Такой тип классификации наиболее часто используется в качественном неорганическом анализе на анионы. [Свинцова, 2008, с. 40]

Таблица 3. – Классификация анионов

Наиболее распространена сейчас кислотно-ocновная классификация катионов.

Достоинства кислотно-основного метода систематического анализа:

а) используются основные свойства элементов — их отношение к кислотам, щелочам;

б) аналитические группы катионов в большей степени соответствуют группам периодической системы элементов Д.И. Менделеева;

в) значительно сокращается время проведения анализа посравнению с сероводородным методом.

Исследование начинают с предварительных испытаний, в которых устанавливают рН раствора по универсальному индикатору и обнаруживают ионы NH₄, Fe³⁺, Fe²⁺специфическими и селективными реакциями.

Не редко встает и вопрос определения объекта неизвестного состава — определение химического состава неизвестной смеси или материала, или попытка понять происхождение какого-то объекта, вещества или примеси.

С помощью «элементного» анализа определяют в пробе присутствие какого-то отдельного элемента, при этом не выясняется, в каких конкретно видах соединений этот элемент присутствует. Определить все виды форм, в которых определяемый элемент присутствует в пробе, не всегда просто. Качественный элементный анализ может дать достаточно много информации о неизвестном образце. По его результатам иногда можно предположить происхождение образца. Так, например, в субстанции биологического происхождения всегда обнаруживаются элементы, входящие в состав аминокислот: углерод, водород и азот; если же качественный анализ показывает присутствие значительных количеств углерода и водорода, но при этом практически отсутствует азот, можно сделать вывод, что данный образец образован органическими веществами, но не биологического происхождения.

С помощью «вещественного» анализа проводят определение конкретного вещества, а не элементов. Необходимость такого анализа обусловлена тем, что различные вещества, иногда имеющие одинаковый набор элементов, в зависимости от строения, обладают совершенно разными свойствами. Например, большинство органических смесей, используемых в современной промышленности (растворителей, исходных материалов, лакокрасочных материалов, и др.) состоят из большого набора различных веществ, некоторые из которых являются токсичными для человека. Проводить элементный анализ таких смесей с целью определить их токсичность бессмысленно, необходимо идентифицировать сами вещества. Для этого необходимо разделение смеси на отдельные компоненты и затем определение. [Свинцова, 2008, с. 7]

В 1894 году В.Оствальд публикует книгу «Теоретические основы аналитической химии». В ней он впервые описывает многие явления аналитической химии с точки зрения физической химии – дисциплины, бурно развивавшейся в то время. Сейчас физико-химические основы составляют лишь один из разделов аналитической химии. Помимо них, для аналитической химии большое значение имеют основы неорганической химии, например, в связи с проблемами элементного анализа.

В начале проводят предварительные испытания. К ним будут относиться:

• оценка агрегатного состояния, запаха, цвета (соли меди окрашены в голубой цвет, никеля – в зеленый, железа – в желтый), но цвет раствора не может говорить об окончательном составе анализируемого образца. Далее проводят систематический анализ катиона и аниона.

• цвет пламени;

Интенсивность окраски будет зависить от количества присутствующего иона;

• кислотное разложение (воздействие кислотами для определения анионов), при этом возможно выделение газообразных продуктов;

• растворение вещества (в холодной воде, затем при нагревании)

• определение рН раствора (для растворимых в воде солей). В сильнокислой среде исключено наличие карбонатов, тиосульфатов, сульфитов, нитритов, фосфатов (средние соли). Кислая среда указывает на присутствие солей сильных кислот и слабых оснований (NН₄Сl, АlСl₃, ZnSO₄, NН₄NО₃ и др.), а также кислых солей. В случае нейтральной реакции среды возможно присутствие солей сильных кислот и сильных оснований (NаСl, КNО₃ и др.) или солей слабых кислот и слабых оснований (NН₄СН₃СОО и др.). Щелочная среда свидетельствует о наличии солей сильных оснований и слабых кислот (К₂СО₃, Nа₂SО₃ и др.). При рН = 7–9 практически однозначно отсутствуют катионы Аg⁺, Рb²⁺, Сd²⁺, Мn²⁺ (в случае присутствия в исследуемом растворе только одного катиона);

• обнаружение окислителей и восстановителей.

Затем проводят систематический, или дробный, анализ катионов и анионов.

Аналитические реакции, применяемые в качественном анализе делят на:

1.) групповые реакции — это реакции для осаждения целой группы ионов;

2;) характерные реакции:

а) селективные (избирательные) — дают одинаковые или сходные аналитические реакции с ограниченным числом ионов;

б) специфичные (высокоселективные) — избирательны по отношению к одному компоненту. [Лебедева, 2002, с. 25]

Часть 2. Опытно-экспериментальная работа по изучению химического состава конфетных оберток

2.1. Химический эксперимент по качественному определению состава красящих веществ конфетной обертки

Аналитическая химия - это раздел химической науки, разрабатывающий на основе фундаментальных законов химии и физики принципиальные методы и приёмы качественного и количественного анализа атомного, молекулярного и фазового состава вещества.

Химический анализ можно разделить в соответствии с решаемыми проблемами на качественный и количественный. В данной работе мы рассмотрим только качественный химический анализ. Мы не пытались брать конфетные обертки конкретных производителей, а выбрали самые яркие и подвергли их анализу. (приложение №1)

Качественный химический анализ - это определение (открытие) химических элементов, ионов, атомов, атомных групп, молекул в анализируемом веществе.

Химический анализ чаще всего начинают с отбора и подготовки пробы к анализу.

Экспериментальная часть

1. Растворение в воде

Мы измельчили самые яркие на наш взгляд конфетные обертки и взяли по 1грамму, далее растворили их в воде и нагрели до 80^о.(Приложение №1)

В воде растворяются большинство нитратов, галогенидов (кроме галогенидов серебра, ртути и свинца), сульфатов (кроме BaSO₄, SrSO_4, PbSO₄, CaSO₄) и ацетатов. Только в водной вытяжке находятся катионы K⁺, Na⁺, NH₄⁺ и нитрит и нитрат анионы (NO₂^- и NO₃^-). Растворимость солей в воде, как правило, увеличивается с повышением температуры, иногда очень значительно.

Что наблюдали:

Проба №2 была окрашена в слабо-розовый цвет (возможно это ионы Mn²⁺).

Возможно это органические пигменты, тогда это может быть азопигмент розового цвета.

Профильтровали полученные растворы.

2. Проверка на Pool тестере

Затем проверили на Pool тестере пробу по трем показателям:

1. содержание хлора;

2. pH раствора;

3. щелочность раствора.

Как видно на фото (Приложение №2) содержание хлора в норме, но проба №6 имеет больше хлора, pH среды везде слабокислый, а щелочность по CaCO₃ наблюдается в пробах № 1,2,3

Таблица 6. – Результаты Pool тестера

3. Реакция на хлорид бария

При добавлении к пробам хлорида бария – осадки не выпали, значит сульфатов не обнаружили.

4. Растворение в соляной кислоте

Растворили остатки конфетных фантиков в соляной кислоте. (Приложение №2)

Пробы № 5 и 6 прореагировали с выделением газа (лучина в нем тухнет, возможно это карбонаты).

CO₃^2- + 2HCl = 2Cl^- + CO₂ + H₂O

Отфильтровали, взяли пробы, в пробах 1,2,3,4 – розовый цвет (возможно наличие [Co(H₂O)₆]²⁺), нагрели. (Приложение №3)

Что наблюдали:

Раствор в некоторых пробах позеленел, так как хлор дает с медью зеленый комплекс (1). В первой и четвертой пробе бурый цвет (Это или наличие ионов железа 3⁺, или образуется синий комплекс ионов кобальта (2), которые с розовым будут давать бурый цвет).

CuSO₄ +4NaCl = Na₂[CuCl₄] + Na₂ SO₄ (1)

[Co(H₂O)₆]²⁺ + 4Сl^- = [CoCl₄]^2- + 6H₂O (2)

Таблица 7.- Результаты растворения и нагревания

5. Реакция с K₄[Fe(CN)₆]

К подкисленным пробам добавили гексацианоферрат калия (II).

Что наблюдали:

В пробе №4 появился сине-фиолетовый цвет, что говорит о наличии ионов никеля, в остальных зеленоватый цвет, говорящий о наличии ионов железа, которые могут образовывать комплексы зеленого цвета, не устойчивые при нагревании. При нагревании пробы посинели – значит во всех имеются ионы железа 3⁺. (Приложение №4)

Таблица 8. – Результаты взаимодействия с K₄[Fe(CN)₆]

6. Реакция с K₃[Fe(CN)₆]

При добавление K₃ [Fe(CN)₆] к пробам в пробирках № 2 и 5 появилось бурое окрашивание, т.е. ионы железа 2⁺ перешли в ионы железа 3⁺. Значит в растворе было Fe²⁺. (Приложение №5)

Таблица 9. – Результаты взаимодействия с K₃[Fe(CN)₆]

7. Реакция с гидроксидом меди

Добавили гидроксид меди.

Что наблюдали:

Он растворился (среда кислая), а в пробирках 5 и 6 появился зеленый цвет, который при нагревании стал бирюзовым. Это говорит о наличии ионов хлора или катионов кобальта. При нагревании комплекс разрушается и становится голубым. (Приложение №5) Возможно:

[Cu(H₂O)₆]²⁺ + 4Cl^- = [CuCl₄]^2- + 6H₂O

синий желтый

Реакция обратимая, и желтый комплекс переходит в синий через зеленый цвет (желтый плюс синий дает зеленый). (Приложение №5)

Таблица 10. – Результаты взаимодействия с гидроксидом меди

8. Взаимодействие с перманганатом калия (KMnO₄)

Добавили раствор марганцовки. В пробирке №5 раствор обесцветился сразу, присутствуют восстановители. При нагревании появился зеленый цвет MnO₄^2- (Возможно наличие органических веществ). Значит, присутствуют восстановители.

9. Взаимодействие с Na₂S

При добавлении сульфида натрия, в пробирках 2 и 4 появился темный осадок. Возможно это ионы меди.

Cu²⁺ + S^2- = CuS

Таблица 11. – Результаты взаимодействия с сульфидом натрия

10. Растворение в щелочи

Далее промыли дистиллированной водой и растворили остатки фантиков в щелочи. В пробах №1 и 2 появился белый студенистый осадок, возможно ионы алюминия 3⁺ или цинка 2⁺. Затем они растворились, т.к. амфотерны.

Цвет проб стал желтоватым. Возможно из-за наличия ионов хрома CrO₄^2-. А в пробе №2 оранжевое окрашивание – это ионы Cr₂O₇^2- При нагревании цвет стал зеленым из-за присутствия ионов [Cr(H₂O)₆]³⁺. (Приложение №6)

Таблица 12. - Результаты взаимодействия с гидроксидом натрия

11. Реакция на AgNO₃

В щелочные вытяжки добавили нитрат серебра. В пробах №1,2,3 и 5 выпал темный осадок, возможно, это ионы меди или свинца. В тоже время это может быть оксид серебра (но в пробах №4 и №6 он не появился?) В пробе №4 осадок белого цвета, а в №6 грязно-желтый. Это могут быть ионы Cl^-, Br^-, I^-, PO₄^3-.

(Приложение №6)

Таблица 13. – Реакция на нитрат серебра

12. Горение

Фантики внесли в пламя спиртовки.

Что наблюдали:

Фантик №1 горел коптящим пламенем и в результате остался твердый шарик. Это говорит о наличии органического полимерного вещества. Остальные фантики горели без копоти, и оставался пепел, который рассыпался.

Заключение

Решая поставленные перед нами задачи, мы ознакомились с основными методами аналитической химии для определения различных веществ, узнали, что существуют элементный и вещественный анализы проб.

Ознакомились с красками и пигментами, используемыми для окрашивания тканей, бумаги, полимеров. Они бывают органического и неорганического происхождения. Мы использовали методики определения катионов и анионов неорганических веществ. Иногда делали предположения о наличии органических веществ. В дальнейшем хотим провести пробы на органические вещества.

Таким образом в конфетных обертках были обнаружены катионы алюминия 3+, цинка 2+, хрома, меди, железа, никеля, марганца. Анионы слабых кислот - карбонат-ион, хлорид-ион, сложные ионы хрома.

Таблица 3.- Обнаруженные в пробах ионы.

Возможно, в обертках использовался фосфорнокислый кобальт - он имеет фиолетовую окраску, а при растворении дает розовый цвет, который мы наблюдали и основной карбонат меди, имеющий зеленый цвет. Так как анионы практически не обнаружены, то можно сделать вывод о наличии металлических красок. В их состав входят ионы меди и цинка, которые в различных сочетаниях дают большую палитру красок. Работа по определению состава конфетных оберток продолжается.

Список использованной литературы

1. Аналитическая химия и физико-химические методы анализа. Качественный анализ: учебно-методическое пособие для высшего профессионального образования / [Текст] В.И. Комова. – Орел: ФГБОУ ВПО «Госуниверситет-УНПК», 2011. – 119 с.

2. Климова, Н.В. Методические указания к лабораторным работам по аналитической химии (качественный анализ)/ /[Текст] Н.В. Климова. − Орел: ОрелГТУ, 1995.

3. Крешков, А. П. Основы аналитической химии. Теоретические основы. Качественный анализ / [Текст]-. Издательство химия, 1970.

4. Марогулова, Н., Стефанов С. Расходные материалы для офсетной печати. М., Русский университет, 2002.

5. Основы аналитической химии. Практическое руководство: учеб. пособие для вузов /[Текст] В.И. Фадеева, Т. Н. Шеховцова, В.М. Иванов и др.; под ред. Ю.А. Золотова. – 2-е изд., испр. – М.: Высшая школа, 2003.

6. Практикум по аналитической химии /[Текст] М.И. Лебедева, Б.И. Исаева и др. – Тамбов : Изд-во Тамб. гос. техн. ун-та, 2002. – 79 с.

7. Свинцова, Л.Д. Химические методы анализа. Часть I. Идентификация вещества [Текст]/: учебное пособие / Л.Д.Свинцова – Томск: Изд-во Томского политехнического университета, 2008. – 74с.

8. Харитонов, Ю.Я. Аналитическая химия/[Текст]. В 2 кн.: учеб.для вузов/ Ю.Я. Харитонов. – М.: Высшая школа, 2005.

9. Цитович, И.К. Курс аналитической химии. /[Текст] учеб. для вузов/ И.К. Цитович. – М.: Высшая школа, 2009.

10. Web – сервер журнала «Мир этикетки» [электронный ресурс], режим доступа: http://labelworld.ru/article.aspx?id=12726#begin (дата обращения: 28.10.2015.)

Приложение №1

Исследуемые конфетные обертки Растворение в воде

Приложение №2

Проба на пул тестер Растворение в кислоте

Выделение газа в пробах №5 и №6