XXVI Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Почему один лист жжет, а другой лечит?
Автор работы награжден дипломом победителя II степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Введение
Природа – удивительное творение Вселенной. Мир природы красив, таинственен и сложен. Этот мир богат разнообразием фауны и флоры. Данная работа посвящена уникальным свойствам растений, которые не перестают удивлять человечество. Мы углубимся в их внутренний мир, установим их связь с такими науками как химия, биология и даже медицина.
Однажды с нами произошел неприятный случай. Играя во дворе дома в прятки, мы случайно упали в крапиву. Почувствовали боль, как при ожоге. Нас заинтересовал вопрос: как крапива без огня обжигает? И можно ли чем - то облегчить эту боль? Бабушка нам прикладывала на место ожога щавель.
Нам захотелось узнать: «А почему именно щавель?» Чтобы ответить на эти вопросы, мы решили провести исследовательскую работу.
Тема исследования: «Почему один лист жжет, а другой лечит?»
Цель: изучить в домашних условиях, чем кислоты отличаются от щелочей.
Задачи:
-
исследовать природные объекты на наличие щелочей и кислот
-
узнать что такое индикатор рН
-
провести эксперимент по определению содержания кислоты и щелочи в веществах
Объект исследования: растения
Предмет исследования: кислотно-щелочные свойства растений
Методы исследования:
-
Эксперимент
-
Наблюдение
-
Сравнение
-
Анализ полученных результатов
-
Анкетирование
Гипотеза: предположим, что крапива содержит кислоту, а в щавеле содержится вещество, нейтрализующее кислоту.
Актуальность темы заключается в том, что на сегодня все больше и больше интересуют свойства растительных объектов для применения и использования их в разных областях науки, таких как химия, биология и медицина.
2. Теоретическая часть
Прежде чем провести свои практические исследования, мы должны были узнать, что представляют собой индикаторы, какие у них свойства. Поэтому мы обратились к теоретическим источникам в этой области. Для этого мы использовали ресурсы Интернета и книги.
2.1 Химические индикаторы. История образования индикаторов
Индикаторы (от лат.Indicator –указатель) – вещества, позволяющие следить за составом среды или за протеканием химической реакции. На сегодняшний день в химии известно большое количество различных индикаторов как химических, так и природных.
К химическим индикаторам относятся такие как, кислотно-основные, универсальные, окислительно-восстановительные, адсорбционные, флуоресцентные, комплексонометрические и другие.
Также индикаторы можно найти среди природных объектов. Пигменты многих растений способны менять цвет в зависимости от кислотности клеточного сока. Следствие, пигменты являются индикаторами, которые можно применить для исследования кислотности других растворов. Общее название таких растительных пигментов флавониды. В эту группу входят так называемые антоцианы, которые обладают хорошими индикаторными свойствами.
Самый известно используемый в химии растительный кислотно-основной индикатор – лакмус. Он был известен уже в Древнем Египте и в Древнем Риме, где его использовали в качестве фиолетовой краски-заменителя дорогостоящего пурпура. Готовили лакмус из специальных видов лишайников. Измельченные лишайники увлажняли, а затем добавляли в эту смесь золу и соду. Приготовленную смесь помещали в деревянные бочки, добавляли мочу и выдерживали длительное время. Постепенно раствор приобретал темно-синий цвет. Его упаривали и в таком виде применяли для окрашивания тканей.
Позже лакмус был открыт в 1663 году. Он представлял собой водный раствор лишайника, растущего на скалах в Шотландии.
Известен и следующий исторический факт
«В лаборатории известного английского ученого физика и химика Роберта Бойля, как обычно, кипела напряженная работа: горели свечи, в ретортах нагревались разнообразные вещества. В кабинет к Бойлю вошел садовник и поставил в углу корзину с темно- фиолетовыми фиалками. В это время Бойль собирался проводить опыт по получению серной кислоты. Восхищенный красотой и ароматом фиалок ученый, захватив с собой букетик, направился в лабораторию. Лаборант сообщил Бойлю, что вчера доставили две бутылки соляной кислоты из Амстердама. Бойлю захотелось взглянуть на эту кислоту и, чтобы помочь лаборанту налить кислоту, он положил фиалки на стол. Затем, прежде чем отправиться в кабинет, он взял свой букетик и заметил, что фиалки слегка дымились от попавших на них брызг кислоты. Чтобы промыть цветы, он опустил их в стакан с водой. Через некоторое время он бросил взгляд на стакан с фиалками, и случилось чудо: темно- фиолетовые фиалки стали красными. Естественно, ученый начал исследования. Он обнаружил, что и другие кислоты окрашивают лепестки фиалок в красный цвет. Он подумал, что если приготовить из лепестков настой и добавить его к исследуемому раствору, то можно будет узнать, кислый он или нет. Бойль начал готовить настои из других растений: целебных трав, древесной коры, корней растений и др. Однако самым интересным оказался фиолетовый настой, полученный из лакмусового лишайника. Кислоты изменяли его цвет на красный, а щелочи - на синий.
Бойль распорядился пропитать этим настоем бумагу и затем высушить ее. Так была создана первая лакмусовая бумага, которая имеется в любой химической лаборатории. Таким образом было открыто одно из первых веществ, которое Бойль уже тогда назвал « индикатором».
Роберт Бойль приготовил водный раствор лакмусового лишайника для своих опытов. Склянка, в которой он хранил настой, понадобилась для соляной кислоты. Вылив настой, Бойль наполнил склянку кислотой и с удивлением обнаружил, что кислота покраснела. Заинтересовавшись этим явлением, Бойль на пробу добавил несколько капель к водному раствору гидроксида натрия и обнаружил, что в щелочной среде лакмус синеет. Так был открыт первый индикатор для обнаружения кислот и щелочей, названный по имени лишайника лакмусом. С тех пор этот индикатор является одним из незаменимых индикаторов в различных исследованиях в области химии».
2.2 Кислотно-основные индикаторы.
Чаще всего в лабораториях используют кислотно-основные индикаторы. К ним относятся фенолфталеин, лакмус, метиловый оранжевый, бромтимоловый синий и другие.
Кислотно-основные индикаторы – это органические соединения, способные изменять цвет в растворе при изменении кислотности. Они изменяют цвет в достаточно узких границах рН. Таких индикаторов известно множество, и каждый из них имеет свою область применения.
Такие индикаторы являются одними из самых устойчивых и востребованных в лабораториях химии.
2.3 Природные индикаторы. Характеристика и классификация.
С древности люди уделяли большое внимание наблюдениям за природой. И в наше время учение многих стран все больше и больше стали обращаться к природным индикаторам.
Пигменты многих растений способны изменять цвет в зависимости от кислотности клеточного сока. Поэтому растительные пигменты являются индикаторами, которые можно применять для исследования кислотности других растворов. Общее название природных пигментов флавониды. В эту группу входят каротиноиды, ксантофиллы, антоцианы, соответственно определяющие желтую, оранжевую, красную, синюю, фиолетовую окраску растений.
Антоцианы – это природные пигменты из группы флавонидов.
Известно большое количество объектов, богатыми антоцианами - это малина, клубника, земляника, вишня, слива, краснокочанная капуста, черный виноград, свекла, черника, голубика, клюква и многие другие.
Антоцианы придают фиолетовый, синий, коричневый, красный или оранжевый цвета плодам. Такое многообразие объясняется тем, что цвет изменяется в зависимости от баланса кислот и щелочей.
Антоцианы обладают хорошими индикаторными свойствами: в нейтральной среде приобретают пурпурную окраску, в кислой среде – красный цвет, в щелочной среде – зелено-желтый цвет.
Антоцианы очень часто определяют цвет лепестков, плодов и осенних листьев. Они обычно придают фиолетовую, синюю, коричневую, красную окраску. Эта окраска часто зависит от рН клеточного содержимого, и потому может меняться при созревании плодов, отцветании цветков в процессах, сопровождающихся закислением клеточного сока.
Растения с повышенной концентрацией антоцианов популярны в ландшафтном дизайне. Многие считают, что цвет осенних листьев (включая красный цвет) просто результат разрушения хлорофилла, который маскировал уже имевшиеся желтые, оранжевые и красные пигменты (каротиноид, ксантофилл и антоциан, соответственно). И если для каротиноидов и ксантофиллов это действительно так, то антоцианы не присутствуют в листьях до тех пор, пока в листьях не начнет снижаться уровень хлорофиллов. Именно тогда растения начинают синтезировать антоцианы. К сожалению, почти у всех природных индикаторов есть серьезный недостаток: их отвары довольно быстро портятся – скисают или плесневеют. Другой недостаток – слишком широкий интервал изменения цвета. При этом трудно или невозможно отличить, например, нейтральную среду от слабокислой или слабощелочную от сильнощелочной.
Антоцианы – мощные антиоксиданты, которые сильнее в 50 раз витамина С. Многие исследования подтвердили пользу антоцианов для зрения. Наибольшая концентрация антоцианов содержится в чернике. Поэтому препараты, содержащие чернику, наиболее востребованы в медицине.
Так как антоцианы обладают хорошими индикаторными свойствами, то их можно применять как индикаторы для идентификации кислотной, щелочной или нейтральной среды, как в химии, так и в быту.
2.4 Шкала рН и характер среды
Для определения характера среды используется рН-шкала. Термин рН образовался от датского слова potenz – степень и «Н» - символа водорода.
Численное значение водородного показателя (рН) в шкале от 0 до 14 характеризует концентрацию кислоты или щелочи в растворе. Значение 0 указывает на то, что раствор представляет собой сильную кислоту, среднее значение 7 соответствует нейтральному раствору, рН= 14 имеют сильные основания, или щелочи. В нейтральном растворе при 25°С рН = 7. В кислых растворах рН < 7, и тем меньше, чем кислее раствор; в щелочных растворах рН > 7, и тем больше, чем больше щёлочность раствора.
Индикаторы меняют свой цвет в зависимости от значения рН по-разному.
2.5 Требования к индикаторам
Чтобы какое-либо вещество могло служить индикатором, оно должно удовлетворять следующим необходимым условиям:
-
должно быть слабой кислотой или слабым основанием;
-
его молекулы и ионы должны иметь разную окраску;
-
окраска их должна быть чрезвычайно интенсивной, чтобы быть заметной при добавке к испытуемому раствору малого количества индикатора.
3. Практическая часть
Опыт №1
Чтобы ответить на первый вопрос, мы решили рассмотреть веточку крапивы под микроскопом. Для этого отправилась в кабинет биологии. Под микроскопом мы увидели, что волоски на веточках и листьях крапивы очень острые. Каждый из них похож на иглу маленького шприца. Мы подумали, что при касании к крапиве, эти волоски могут повредить нашу кожу. Но почему происходит ожог, всё равно было непонятно. Чтобы выяснить, что происходит с волосками крапивы при соприкосновении с ними, мы помяли веточку крапивы и снова посмотрели на неё в микроскоп. Некоторые волоски были сломаны, и из них вытекала какая-то жидкость.
Наши руководители нам объяснили, что это вытекает муравьиная кислота, а все кислоты очень жгучие. Значит, попадая на оцарапанную кожу, муравьиная кислота вызывает ожог. Вот оказывается, почему крапива и без огня обжигает!
Итак, мы сделали вывод: острые стрекальца – волоски крапивы содержат много солей кремнезема, эти волоски прокалывают кожу и тут же обламываются. Тут же из внутренних полостей волосков в ранки попадают крошечные капли муравьиной кислоты, и начинается жжение.
Параллельно с исследовательской работой мы сделали следующие открытия: что, не смотря на то, что крапива жжётся, она очень полезна. Чтобы узнать, какую пользу она приносит, мы отправились в библиотеку. Из «Полной энциклопедии (Растения)», из «Почемучки» А. Дитрих, Г. Юрмин мы узнали, что крапива — цветковое растение. Его стебли и листья покрыты жгучими волосками. Всего в мире встречается более 40 видов крапивы. В России чаще всего можно увидеть 2 вида — жгучая и двудомная. Двудомная крапива - это рослое многолетнее растение, достигает 150 см. Жгучая крапива ростом ниже, в Украине ее так и зовут – мала крапива. Ее высота не достигает больше 60 см. Кроме того, жгучая крапива гораздо сильнее ветвится, на одном растении больше стеблей. Листья двудомной крапивы крупнее и более вытянутые. Жгучая крапива имеет округлые листья с глубокими тупыми зубцами.
Листья крапивы богаты разными полезными витаминами. В ней содержатся вещества, убивающие микробы. Крапива хорошо останавливает кровь. Она укрепляет волосы. Из крапивы делают бумагу, мешковину и верёвки, потому что в её стеблях очень прочные волокна. А ещё мы узнали, что из крапивы готовят великолепные щи, салаты, крапивное пюре с яйцом, даже заквашивают её, как капусту. Она является хорошим кормом для животных.
Существует крапива, которая не жжется: Глухая крапива встречается по всему северному полушарию, кроме пустынной зоны. Растет глухая крапива в лиственных лесах, на опушках, в кустарниках и в садах рядом с жильем. Порой её путают с крапивой и обходят стороной, но она не обжигает. Зато народные целители высоко ценят белые цветки этой так называемой глухой крапивы.Скромный дикорос правильнее называть ясноткой белой.
Мы решили доказать, что в крапиве содержится кислота – научным путем. Для этого нам необходим индикатор.
Мы решили сделать из краснокочанной капусты.
Опыт № 2
Как можно сделать индикатор рН
1. Натрем полкочана краснокочанной капусты.
2. Заливаем капусту водой и кипятим 20-30 минут, пока жидкость не приобретет лиловый цвет
3. Процедим жидкость в пластмассовую посуду. Индикатор рН готов.
Мы решили доказать научным путем, что в крапиве содержится кислота.
Опыт № 3
Помяли листики крапивы, чтобы получить сок. Добавили индикатор. Раствор стал красного цвета.
Взяли лакмусовую бумагу, капнули на неё соком крапивы. Лакмусовая бумага стала красного цвета.
Это доказывает, что в крапиве содержится кислота. Стрекательная клетка заполнена кислотой, которая, попадая под кожу, вызывают ощущение ожога.
На первый вопрос мы получили ответ.
Но у нас есть второй вопрос.
Опыт № 4
Почему листья щавеля столь эффективно заживляют ожоги крапивы? Способствует ли щавель заживлению ожогов от других растений или от укусов насекомых? И по какой причине щавель называют доктором?
Помяли листики щавеля, чтобы получить сок. Добавили индикатор. Раствор стал синего цвета.
Взяли лакмусовую бумагу, капнули на неё соком щавеля. Лакмусовая бумага стала синего цвета. Оказывается боль утихнет, поскольку листья щавеля содержат щелочь, нейтрализующую кислоту.
Жала пчел и муравьев тоже содержат кислоту, поэтому при укусах этих насекомых листья щавеля помогут.
А что же делать, если под рукой не окажется листьев щавеля?
Боль от укуса, ожога крапивой можно уменьшить, протерев ужаленное место содовым раствором.
Опыт № 5
Возьмем пищевую соду. Растворим ее в воде.
Добавим индикатор рН. Вещество приобрело синий цвет.
4. Выводы
Таким образом, в ходе исследования гипотеза полностью подтвердилась. Задачи исследования выполнены.
Проведя научно-исследовательскую работу, пришли к следующим выводам:
-
-
Острые стрекальца – волоски крапивы содержат содержат кислоту, эти волоски прокалывают кожу и тут же обламываются. Тут же из внутренних полостей волосков в ранки попадают крошечные капли муравьиной кислоты, и начинается жжение. Значит, попадая на оцарапанную кожу, муравьиная кислота вызывает ожог. Вот оказывается, почему крапива и без огня обжигает!
-
В щавеле содержится щелочь нейтрализующая кислоту, от этого утихает боль.
-
Растворы растительных индикаторов можно получить в домашних условиях и использовать в качестве кислотно-основных индикаторов для определения среды растворов.
-
Индикаторы из растительного сырья лучше готовить в виде растворов соков. Можно использовать и замороженное сырье.
-
Полученные индикаторы можно использовать на уроках химии, на занятиях элективного курса, чтобы учащиеся имели представление о природных индикаторах и использовали их в своей жизни в будущем, так как синтетические индикаторы не всем доступны.
Работу с природными объектами можно продолжить, исследуя свойства других растений.
5. Литература
-
Аликберова Л.Ю., «Книга по химии для домашнего чтения»,2-е изд., М.: Химия, 1994 г.
-
Балаев И.И. Домашний эксперимент по химии. - М.: Просвещение, 1996.
-
Боннет Б., Кин Д. Химия без лаборатории. Увлекательные опыты и развлечения. - М.: «Астрель», 2008, стр. 16-26.
-
Ветчинский К.М. Растительный индикатор.М.: Просвещение, 2002. – 256с.
-
Назарова Т.С, Грабецкий А.А. Химический эксперимент в школе, - М.: Просвещение, 1987.
-
Учебно–методическая газета для учителей химии «Первое сентября», №22, 2007г.
-
« Химия в школе» №2, №8 – 2002 год.
-
Растения (полная энциклопедия). Москва «Эксмо», 2008
-
Интернет реурсы:
-
ru.wikipedia.org - определение крапивы и её применение. Информация из Википедии - свободной энциклопедии
-
erudit.newmail.ru - статья "Почему крапива жжётся?"
-
kniga.es - энциклопедия "Всё обо всём". Почему крапива жжется?
-
potomy.ru - сайт "Потому что.Ру." Вместе познаём мир. Раздел " Почему крапива жжётся?".