XXIV Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

Использование природных индикаторов для определения рН растворов стиральных порошков

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Егорова В.П. 1Родионов И.Р. 1Евдошенко К.А. 1

---

1МОУ СШ № 117 Волгоград

Игнатьева С.Ю. 1

---

1МОУ СШ № 117 Волгоград

Работа в формате PDF

2 MB

Автор работы награжден дипломом победителя II степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителя

Введение

Начав изучение химии в 8 классе, мы познакомились с необычными веществами -индикаторами. Индикаторы – это органические и неорганические вещества, изменяющие свою окраску в зависимости от реакции среды. Название «индикаторы» происходит от латинского слова «indicator», что означает «указатель».

Индикаторы используются для определения реакции характера среды (это может быть кислая, щелочная или нейтральная).

На уроках химии для определения кислотности среды мы используем различные индикаторы - фенолфталеин, лакмус, метилоранж. Но существуют природные индикаторы. Это могут быть соки ярко окрашенных ягод, плодов и цветов, и других органов растений обладают свойствами кислотно-основных индикаторов, т. к. тоже изменяют свою окраску при изменении кислотности среды.

В качестве домашнего эксперимента мы проводили исследование изменения окраски природных индикаторов в растворах бытовой химии и стиральных порошков, на этикетках которых помещена информация о возможности или невозможности использования данного порошка для стирки шелка и шерсти.

Наши родители задавались вопросом: «Как в домашних условиях определить – каким стиральным порошком можно стирать то или иное изделие?»

В результате проведенных экспериментов, определилась цель данной работы: выявить природный индикатор, который поможет определить стиральный порошок, который можно использовать для стирки шелка и шерсти, и порошок, который будет разрушать натуральные ткани.

Объект исследования – природные натуральные индикаторы.

Предмет исследования – изменение цвета природных натуральных индикаторов в растворах стиральных порошков.

Задачи исследования:

• Изучить информацию по природным индикаторам и растениям, содержащих их. 

• Изучить литературные источники по составу стиральных порошков и использованию их для стирки тканей.

• Получить природные индикаторы из растительных объектов.

• Определить рН растворов стиральных порошков и изучить изменение окраски индикаторов в их растворах.

• Выявить индикаторы, которые визуально изменяют окраску в зависимости от рН раствора, для использования в домашних условиях.

В работе использованы следующие методы исследовательской деятельности:

1. Теоретические методы исследования.

2. Экспериментальные методы исследования.

3. Обобщение данных и предложенные выводы.

Актуальность работы заключается в том, что процесс стирки и использование бытовой химии сопровождается различными химическими реакциями, при которых возникает негативное воздействие на ткани натурального происхождения и кожу рук.

В отличие от химической лаборатории в домашних условиях нет возможности использовать химические индикаторы для определения кислотности или щелочности того или иного средства бытовой химии.

Природные индикаторы изменяют окраску в различной среде по-разному, по их окраске сложно различить сильнощелочную от слабощелочной среды, а также сильнокислотную от слабокислотной.

Мы определились целью определить вид индикатора, который поможет любой домохозяйке выбрать стиральный порошок для стирки натуральных тканей.

Глава 1. Изучение теоретического материала

1.1. История открытия индикаторов

Вещества, меняющие свой цвет в зависимости от среды, обнаружил в XVII веке английский химик и физик Роберт Бойль. Он приготовил водный настой лакмусового лишайника. Колба, в которой он хранил настой, понадобилась для приготовления соляной кислоты. Бойль наполнил колбу кислотой и с удивлением обнаружил, что кислота покраснела. Заинтересовавшись этим, Бойль добавил несколько капель настоя лакмуса к водному раствору гидроксида натрия и обнаружил, что в щелочной среде лакмус синеет.

Эксперименты проводились и другие, проверялись васильки и другие растения, но, всё же, лучшие результаты дали опыты с лакмусовым лишайником. Так, в 1663 году, был открыт первый индикатор для обнаружения кислот и оснований, названный по имени лишайника лакмусом.

В 1667 году Роберт Бойль предложил пропитывать бумагу отваром тропического лишайника – лакмуса, а также отварами фиалок и васильков. Высушенные и нарезанные бумажки Роберт Бойль назвал индикаторами [6].

Именно индикаторы помогли ученому открыть новую на тот момент кислоту - фосфорную, которую он получил при сжигании фосфора и растворении продукта реакции в воде.

В середине XIX века, химики научились искусственно синтезировать кислотно–основные индикаторы. Так в 1871 году немецкий химик-органик Адольф фон Байер, будущий лауреат Нобелевской премии, впервые осуществил синтез фенолфталеина.

В наши дни известны несколько сот кислотно-основных индикаторов, полученных искусственно.

1.2. Классификация индикаторов

Одни из самых распространенных – кислотно-основные индикаторы, изменяющие цвет в зависимости от кислотности раствора. Происходит это потому, что в кислой и щелочной среде молекулы индикаторов имеют разное строение. Примером может служить общеизвестный индикатор фенолфталеин. В кислой среде это соединение находится в виде недиссоциированных молекул и раствор бесцветен, а в щелочной среде – в виде ионов и раствор имеет малиновый цвет.

Растительные индикаторы

Кислотно-основные индикаторы бывают не только химическими. Они находятся вокруг нас, только обычно мы об этом не задумываемся. Если нет настоящих химических индикаторов, то для определения среды растворов можно успешно применять самодельные индикаторы из природного сырья.

Исходным сырьем могут служить цветы герани, лепестки цветов пиона или мальвы, ириса, темные тюльпаны или анютины глазки, а также ягоды малины, черники, черноплодной рябины, соки вишни, смородины, винограда, плоды крушины и черемухи др.

Эти природные индикаторы содержат окрашенные вещества, способные менять свой цвет в ответ на то или иное воздействие. Их окраска определяется избирательным поглощением света в видимой части солнечного спектра. Попадая в кислую или щелочную среду, они наглядным образом изменяют окраску [3].

  Меланин - пигмент, встречающийся в кожуре красных сортов винограда, лепестках некоторых цветков. Структура молекул меланина жидкокристаллическая. Пигмент является сильным антиоксидантом.

Фитохром - голубой растительный пигмент белкового строения, контролирует процессы цветения и прорастания семян. У одних растений ускоряя цветение, у других - задерживает. Фитохром играет роль "биологических часов" растения, механизм действия пока не изучен. Известно, что строение пигмента меняется в зависимости от светлого и тёмного времени суток, и он сигнализирует об этом растению.

Антоцианы - придают растениям окраску в диапазоне от розовой, красной, сиреневой, до синей и тёмно-фиолетовой.

Усиленное образование антоцианов в клетках растения происходит при снижениях температур окружающей среды, при остановках синтеза хлорофилла, при интенсивном освещении УФ-лучами, при недостатке фосфора, необходимого для ввязывания гидролизованных крахмалом сахаров. При этом окраска листьев растений изменяется от зелёных до красных и синих цветов. Антоцианы хорошо растворимы в воде и присутствуют в соке вакуолей. В зависимости от кислотности (рН) среды сока вакуолей, антоциан придаёт ту или иную окраску. В кислой среде он обычно имеет красные тона, например, у герани, гортензии, фиалок. В щелочной среде эти растения приобретают сине-голубые тона. Считается, что антоциан защищает растения от низких температур, от вредного воздействия солнечного света на цитоплазму. 

Обычный чай – тоже индикатор. Если в стакан с крепким чаем капнуть лимонный сок или растворить несколько кристалликов лимонной кислоты, то чай сразу станет светлее. Если же растворить в чае питьевую соду, раствор потемнеет (пить такой чай, конечно, не следует). Чай же из цветков каркаде дает намного более яркие цвета в зависимости от характера среды.

Соки или отвары ярко окрашенных плодов или других частей растений, используемые в качестве природных индикаторов необходимо хранить в темной посуде. К сожалению, у природных индикаторов есть серьезный недостаток: их отвары довольно быстро портятся – скисают или плесневеют [5]. Поэтому в химических лабораториях используют синтетические индикаторы, резко изменяющие свой цвет в достаточно узких границах рН.

1.3. Уровень рН растворов и его определение

Уровень кислотности среды принято измерять по условной шкале от 0 (очень кислая среда) до 14 (очень щелочная среда). Нейтральным считается показатель, равный 7 - это рН чистой воды.

Величина рН показывает уровень кислотности среды. Введена эта характеристика была в самом начале XIX века для обозначения активности ионов водорода в растворе. Концентрация ионов выражается числами порядка 10^-1… 10^-14. Для удобства новую характеристику стали представлять через формулу рН = - lg(H⁺), т.е. уровень кислотности среды — это степень (без знака) числа, выражающего концентрацию ионов водорода.

Для определения уровня кислотности среды существует три основных способа - с помощью:

• • химических индикаторов;

  • электронных рН-метров;

  • аналитических методов.

Электронные рН-метры очень точные, могут применяться в полевых условиях, но относительно дороги и требуют регулярной калибровки. Кроме того, они требуют бережного обращения и точного следования инструкции.

Использование химических индикаторов не требует серьезной подготовки; может применяться как в лабораториях, так и природе. Если говорить о точности этого метода, то она самая низкая, к тому же зависит от субъективной оценки исследователя. Метод очень прост, дешев и, в большинстве случаев, его точности достаточно. Именно поэтому он - самый популярный как у химиков, так и у специалистов других областей.

В качестве химических индикаторов значения рН среды применяются органические вещества, изменяющие окраску в зависимости от кислотности. Такие вещества называются кислотно-основными индикаторами. Это могут быть водные или спиртовые растворы; реактивы в виде порошка; полоски бумаги, пропитанные индикатором и высушенные; полоски пленки с нанесенным на нее индикатором. Проще всего пользоваться индикаторной бумагой. Она выпускается с таблицей или шкалой эталонных цветов, соответствующих кислотности раствора или с напечатанными значениями уровня рН. Бумага может быть выполнена в виде полосок, рулонов, книжечек и т.п.

Большинство индикаторов имеют несколько точек перехода и применяются в относительно узком диапазоне значений кислотности. Для измерений в широком интервале используются полоски, пропитанные смесью индикаторов. Например, выпускается «универсальный индикатор», определяющий рН от 0 до 10.

Самым известным индикатором является лакмус и лакмусовая бумага. Этому индикатору несколько сотен лет, в кислой среде он окрашивает раствор в разные оттенки красного; в щелочной - в оттенки синего разной интенсивности. В нейтральной среде раствор фиолетовый.

Пользоваться химическими индикаторами очень просто. В исследуемый раствор добавляется несколько капель индикатора или в растворе смачивается тест-полоска. Сравнивая полученный цвет с эталонной цветовой схемой, судят об уровне кислотности среды.

1.4 Состав стиральных порошков и требования ГОСТ

Согласно данным, полученным из Интернет-ресурсов, в состав порошков входят:

ПАВ или поверхностно - активные вещества. Именно они смывают грязь и очищают ткань. Чем больше ПАВ, тем порошок лучше стирает. Уже долгое время самым известным поверхностно-активным веществом было мыло. В настоящее время мыло все больше вытесняется синтетическими активными смесями. Однако высокая моющая активность синтетических поверхностно-активных веществ снижается в жесткой воде.

Фосфаты, их добавляют для того, чтобы вода стала более мягкой. Тогда порошок сможет отстирывать трудновыводимые пятна – жир, томатный сок, пятна от травы. Но сами фосфаты тоже трудновыводимые. После стирки они плохо смываются с одежды, а с ткани фосфаты вполне могут проникнуть в кожу. Необходимо после каждой стирки ополаскивать одежду минимум 5 раз в горячей воде и 2 раза в холодной – тогда большая часть фосфатов смоется с одежды. Чем меньше фосфатов в стиральном порошке, тем лучше. Их количество не должно превышать 5%.

Также главным компонентом являются ферменты. За определенное время и при условии, что температура моющего раствора не превышает 40 градусов, ферменты разрушают белки.

Следующий компонент стирального порошка - отбеливающие вещества. Они важны для обработки пятен на белом, цветном белье, белье, подвергающемся кипячению, и тонком белье.

Кроме всего вышеописанного в состав синтетических стиральных порошков входятотдушки, придающие запах, пенообразователи.

Ткани из шелка и шерсти отличаются от хлопчатобумажных тканей химическим составом. Шелк и шерсть - это белковые соединения, которые могут разрушаться при стирке в щелочных растворах, например, мыльный раствор шерстяные изделия сваливаются, а шелк разрушается постепенно. А хлопчатобумажные ткани по составу представляют целлюлозу (клетчатку). т.е. полисахарид - углевод, нерастворимый в воде, поэтому эти изделия можно стирать любым стиральным средством.

ГОСТ 32479-2013 «Межгосударственный стандарт средства для стирки». Общие технические условия. определяет характеристики средств для стирки:

1 Средства представляют собой смесь поверхностно-активных веществ, органических и неорганических добавок и наполнителей.

2 Идентификационным признаком средств является их назначение, указанное в маркировке и подтвержденное документально.

3 Средства должны соответствовать требованиям настоящего стандарта и технической документации на средство (или группу однородной продукции), должны быть изготовлены по рецептуре, а также и технологической документации, утвержденным в установленном порядке.
4 Физико-химические показатели средств, обеспечивающие их безопасность:

Глава 2. Экспериментальная часть

2. 1. Определение рН растворов стиральных порошков

Для исследования мы использовали образцы стиральных порошков, которым отдают предпочтение родители учащихся нашего класса (8 образцов).

Навеску каждого порошка массой 5 граммов растворяем в 30 мл дистиллированной воды.

С помощью индикаторной бумаги определяем характер раствора каждого образца. Результаты фиксируем через 5 мин после опускания индикаторной бумаги в раствор порошка. Все растворы порошка изменили цвет индикаторной бумаги в диапазоне рН больше 7, то есть все растворы стиральных порошков имеют щелочную среду.

Для более точного определения рН мы использовали цифровую лабораторию Releon, программу измерений Releon Lite, цифровой датчик pH.

Принцип действия состоит в том, что измеряется разность потенциалов между индикаторным электродом, потенциал которого зависит от концентрации ионов водорода, и электродом сравнения с постоянным потенциалом.

Ход определения

Датчик рН тщательно ополаскивают дистиллированной водой, после чего осторожно осушивают фильтровальной бумагой.

Подключают датчик рН к планшетному регистратору, запускают программу измерений.

Исследуемый раствор объемом 30 мл наливают в стакан и погружают электрод не менее, чем на 3 см, измеряют рН.

Таблица № 1

2.2 Изучение свойств природных индикаторов из растительного сырья

В качестве объектов исследования были отобраны плоды вишни, луковицы лука фиолетового, листья чая черного и каркаде, ягоды красной и черной смородины, корнеплоды свёклы.

Для приготовления растительных индикаторов были взяты свежие и замороженные ягоды и части растений, листья чая высушенные.

В приготовленные растворы из растительного сырья добавляли по 2 мл растворов стиральных порошков, данные заносили в таблицу 2.

Глава 3. Результаты и выводы

На основании проведенных экспериментов мы получили следующие результаты:

1. Все растворы образцов стиральных порошков имеют рН выше 9, то есть имеют щелочную среду.

2. Все природные индикаторы из растительного сырья изменяют окраску в щелочной среде.

Выводы по результатам исследования

1. Все образцы стиральных порошков соответствуют ГОСТу по величине рН (от рН=9,7 до 10,62).

2. Самым щелочным раствором является раствор стирального порошка образца № 2 рН = 10,62.

3. Стиральный порошок Образец № 4 для шерсти имеет рН = 9,81, что говорит о щелочном характере раствора.

4. Природные индикаторы можно использовать для определения среды раствора.

5. Большинство природных индикаторов в щелочной среде приобретают оттенки зеленого до черного цветов.

6. Лучшими природными индикаторами для определения в домашних условиях сильно щелочной среды стирального порошка является сок лука фиолетового. При добавлении даже нескольких капелек раствора стиральных порошков сок, приготовленный из органов этих растений, меняет интенсивность окраски в зависимости от величины рН.

7. Соки вишни, отвар черного чая, сок черной смородины изменяют окраску в щелочной среде, независимо от величины рН примерно одинаково.

8. Сок свеклы и отвар чая каркаде изменяют окраску в щелочной среде, приобретая различную окраску в зависимости от концентрации раствора и его рН. Поэтому, считаем, что данные индикаторы не могут использоваться для определения различия значений рН стиральных порошков.

Заключение

В ходе проведения исследовательской работы мы изучили литературу по данной теме, рассмотрели классификацию индикаторов, изготовили растворы индикаторов из природного сырья, определили окраску природных индикаторов в щелочной среде, определили изменение цвета природных индикаторов в растворах самых востребованных стиральных порошков, установили зависимость интенсивности окраски природного индикатора от рН раствора стирального порошка.

Растворы растительных индикаторов можно приготовить самостоятельно и применять в домашних условиях для определения среды растворов моющих средств, а также использовать в школьной лаборатории.

Многие индикаторы обладают достаточно высокой чувствительностью, особенно ярко окрашенные соки чая каркаде, красной смородины.

Шелк и шерсть - белковые соединения, которые могут разрушаться при стирке в щелочных растворах, например, мыльный раствор шерстяные изделия сваливаются, а шелк разрушается постепенно.

Для определения характера щелочности стиральных порошков в домашних условиях лучше всего использовать раствор сока лука фиолетового, интенсивность зеленого цвета которого в щелочном растворе зависит от величины рН.

Список литературы

1. Аликберова Л.Ю. Занимательная химия. Книга для учащихся, учителей и родителей. – М.: АСТ-ПРЕСС, 1999.

2. Балаев И.И. Домашний эксперимент по химии (Пособие для учителя) - М.: Просвещение, 1977.

3. Вронский В.А. Растительный индикатор. - СПб.: Паритет, 2002. – 253с.

4. Грищенко А., Кодацкая С. Игра цветов, или Пигменты в нашей жизни. Электронный ресурс. Код доступа: bio.1sept.ru›view_article.php?id=201000604 .

5. Зацер Л.М. К вопросу об использовании растений-индикаторов в химии. – М.: Наука, 2000. – 253с.

6. История открытия индикаторов. Электронный ресурс. Код доступа: obuchonok.ru.

7. Леенсон И.А. Занимательная химия. - М.: РОСМЭН, 2001.