XXVIII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

Индикаторы в химии и зачем они нужны?

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы

Сулейманова Е.А. 1

---

1МБОУ лицей №4 г.Россоши

Суглобова И.В. 1

---

1МБОУ лицей №4 г.Россоши

Работа в формате PDF

118.8 KB

1. Введение.

В современной жизни мы ежедневно сталкиваемся с растворами, имеющими различные показатели рН: от продуктов питания и косметики до бытовой химии. Отклонение этого показателя от нормы может быть опасно: слишком кислая среда портит бытовую технику, а агрессивное щелочное мыло вызывает раздражение кожи. Умение определять среду раствора с помощью индикаторов — важный навык безопасности.

Индикаторы широко используют в химии, в том числе и в школе. Любому школьнику известны их названия - фенолфталеин, лакмус или метилоранж. Простые и доступные индикаторы позволяют проводить первичный анализ, не прибегая к дорогостоящим лабораторным приборам.

Цель:
Изучить химическую природу индикаторов, механизм изменения их окраски в различных средах и определить их роль в различных сферах жизни.

Задачи:

1. Изучить информацию  по теме индикаторов, их классификацию, механизм действия и применение.

2. Провести серию опытов по приготовлению растворов индикаторов и определению pH различных сред ( кислая, нейтральная, щелочная).

3. Проанализировать результаты и составить таблицу соответствия цветов индикаторов различным значениям кислотности.

Объект исследования – индикаторы.

Гипотеза – изменение окраски индикаторов не является случайным процессом, а обусловлено способность изменять свою химическую структуру при изменении кислотности среды.

2. Основная часть.

2.1.Откуда появились индикаторы?

Впервые вещества, меняющие свой цвет в зависимости от среды, обнаружил в XVII веке английский химик и физик Роберт Бойль.

Случайный опыт? Случайная находка?

В лаборатории горели свечи, в ретортах что-то кипело, когда зашел садовник и принес корзину с фиалками. Бойль очень любил цветы, но предстояло начать опыт. Он взял несколько цветков, понюхал и положил их на стол. Опыт начался, открыли колбу, из нее повалил едкий пар. Когда же опыт кончился, Бойль случайно взглянул на цветы, они дымились. Чтобы спасти цветы, он опустил их в стакан с водой. И – что за чудеса - фиалки, их темно-фиолетовые лепестки, стали красными.

Бойль первым ввел понятие индикатор. Кроме того, он обнаружил, что настой лакмусового лишайника — самый стабильный индикатор. Он первым пропитал им бумагу, создав прототип современной лакмусовой бумажки. С помощью индикаторов Бойль разделил все вещества на три группы: кислоты, щелочи и нейтральные. Именно индикаторы помогли ученому открыть новую кислоту - фосфорную, которую он получил при сжигании фосфора и растворении образовавшегося белого продукта в воде.

Позже, в середине XIX века химики научились искусственно синтезировать различные индикаторы.

2.2.Что такое индикатор? Виды индикаторов.

Индикатор (от латинского indicator — указатель) — это прибор, устройство, информационная система, вещество или объект, отображающий изменения какого-либо параметра контролируемого процесса или состояния объекта в форме, наиболее удобной для непосредственного восприятия человеком визуально, акустически, тактильно или другим легко интерпретируемым способом.

Хими́ческие индика́торы – это  химические соединения, введение которых в анализируемую систему позволяет получать информацию (по изменению цвета или другим визуально наблюдаемым признакам) как о протекании химических процессов, так и о составе (количестве) вещества. 

Индикаторы классифицируют:

1. По типу химической реакции:

Кислотно-основные (pH-индикаторы) - изменяют цвет в зависимости от концентрации ионов водорода рН раствора – это лакмус, фенолфталеин, метилоранж.

Окислительно-восстановительные (Редокс-индикаторы) - изменяют цвет при изменении окислительно-восстановительного потенциала раствора. Это метиленовый синий, нейтральный красный.

Комплексонометрические (металлоиндикаторы) - используются для определения ионов металлов, образуя с ними окрашенные комплексы.  Эриохром черный Т, мурексид.

Адсорбционные – это вещества, которые меняют цвет при адсорбции на поверхности осадка в момент эквивалентности. Эозин, флуоресцеин.

2. По происхождению:

3. По агрегатному состоянию и способу применения:

Жидкие (растворы): спиртовые или водные растворы, которые добавляют по каплям в исследуемую среду.

Бумажные (индикаторные полоски): бумага, пропитанная раствором индикатора и высушенная.

Универсальный индикатор: смесь нескольких индикаторов на одной полоске, позволяющая определить pH от 1 до 14 по широкой цветовой шкале.

4. По механизму изменения окраски:

Одноцветные имеют окраску только в одной форме (кислой или щелочной), а в другой — бесцветны. Это например, фенолфталеин (в кислой среде бесцветный, в щелочной — малиновый).

Двуцветные имеют разную окраску и в кислой, и в щелочной среде. Например, лакмус или метилоранж.

В школьной лаборатории используются кислотно – основные индикаторы лакмус, метиловый оранжевый, фенолфталеин и универсальный индикаторы. Их преимуществом является дешевизна, быстрота и наглядность исследования. Данные индикаторы – это растворимые органические соединения, которые меняют свой цвет в зависимости от концентрации ионов водорода Н⁺ (рН среды). Происходит это потому, что в кислой и щелочной среде молекулы индикаторов приобретают разное строение. Что же такое рН? pH - это водородный показатель, который количественно выражает степень кислотности или щелочности раствора.

Это понятие ввёл датский химик Сёренсен для точной числовой характеристики среды раствора и предложил математическое выражение для его определения:

рН = -lg [H⁺]

это отрицательный десятичный логарифм концентрации ионов водорода.

Для чего его определять?

Характер среды имеет большое значение в химических и биологических процессах. В зависимости от типа среды эти процессы могут протекать с различными скоростями и в разных направлениях. Поэтому во многих случаях важно как можно более точно определять среду раствора. При рН = 7 – среда нейтральная, при рН < 7 – кислотная, при рН > 7 – щелочная. Среду исследуемого раствора можно приблизительно определить по окраске индикаторов, а более точно с помощью приборов.

Самым первым появился кислотно-основный индикатор лакмус - это не индивидуальное химическое вещество, а сложная смесь, состоящая из 10–15 различных компонентов. Это природный полимер. Он представляет собой порошок черного цвета, растворимый в воде, 95 % спирте, ацетоне или ледяной уксусной кислоте. Его основными компонентами являются: азолитмин (C₉H₁₀NO₅) и эритролитмин (С₁₃H₂₂O₆).

Фенолфталеин С₂₀Н₁₄О₄ (продается в аптеке под названием "пурген") - белый мелкокристаллический порошок, растворим в 95% спирте, но практически не растворим в воде. Применяется в виде спиртового раствора.

Метиловый оранжевый, C₁₄H₁₄N₃O₃SNa, - кристаллический порошок оранжевого цвета, умеренно растворим в воде, нерастворим в органических растворителях.

В настоящее время химики часто пользуются универсальной индикаторной бумагой.  В основе - смесь индикаторов (обычно это метиловый красный, бромтимоловый синий и фенолфталеин), позволяющие определить значение рН растворов в большом диапазоне концентраций (1-10; 0-12). Растворами таких смесей - «универсальных индикаторов» обычно пропитывают полоски «индикаторной бумаги», с помощью которых можно быстро (с точностью до десятых долей рН) определить кислотность исследуемых водных растворов. Для определения сравнивают с эталонной цветовой шкалой.

2.3. Принцип «работы» индикаторов. Применение.

Принцип работы индикаторов основан на их способности изменять свою структуру, а значит и цвет при изменении химического состава среды. Большинство классических индикаторов — это слабые органические кислоты или основания, цвет которых зависит от формы, в которой они находятся. Согласно ионной теории, молекула индикатора в растворе находится в динамическом равновесии между двумя формами:  молекулярной и ионной. Эти формы имеют разную окраску. Цвет, который мы видим глазом, зависит от того, какой формы в растворе больше. В кислой среде в растворе избыток ионов водорода. Согласно принципу Ле Шателье система стремиться уменьшить это воздействие, поэтому раствор окрашивается в цвет молекулярной формы.

В щелочной среде ионы  из щелочи связывают свободные ионы, образуя воду. Чтобы восполнить потерю, индикатор начинает активно диссоциировать (распадаться) — равновесие смещается в сторону цвета ионной формы.

С точки зрения физики, цвет вещества зависит от его способности поглощать и отражать определенные световые волны.

1. При переходе из молекулярной формы в ионную внутри молекулы индикатора происходит перегруппировка атомов.

2. Изменяется система двойных связей (сопряжение).

3. Это приводит к тому, что молекула начинает поглощать фотоны другой энергии. Например, фенолфталеин в кислой среде имеет структуру, которая не поглощает свет в видимом спектре (поэтому он бесцветный). В щелочи его структура становится «жесткой» и плоской, он начинает поглощать зеленый свет, а мы видим комплементарный ему малиновый.

4. Интервал перехода

Индикатор меняет цвет не мгновенно, а в определенном диапазоне. Человеческий глаз замечает изменение цвета, когда концентрация одной формы превышает концентрацию другой примерно в 10 раз.

Применение индикаторов выходит далеко за рамки школьных опытов. Они являются важнейшим инструментом в науке, промышленности, медицине и даже в повседневном быту.

Основное значение индикаторов заключается в визуализации невидимых процессов. Большинство химических реакций в растворах происходят без внешних признаков, а индикаторы позволяют:

• Мгновенно определить характер среды (кислая, нейтральная или щелочная).

• В химическом анализе зафиксировать точный момент завершения реакции (точку эквивалентности).

В промышленности, сельском хозяйстве, медицине индикаторы позволяют осуществлять контроль безопасности без использования сложных приборов.

Химическая промышленность: Для контроля синтеза лекарств, пластмасс и удобрений, где строгое соблюдение уровня является обязательным условием.

Пищевая промышленность: Контроль свежести продуктов. Например, изменение кислотности молока или мяса сигнализирует об их порче.

Текстильная промышленность: При окрашивании тканей индикаторы помогают следить за тем, чтобы краска правильно закрепилась на волокнах.

Анализ воды: Проверка качества питьевой воды, воды в бассейнах или аквариумах. Резкое изменение 

Агрономия: Измерение кислотности почвы. Это критически важно, так как разные растения (например, голубика любит кислую почву, а капуста — слабощелочную) требуют разных условий для роста.

Медицинская диагностика: Индикаторные тест-полоски используются для быстрого анализа биологических жидкостей (например, определение сахара или белка в моче), что позволяет проводить первичную диагностику даже дома.

Основное применение индикаторы находят в аналитической химии. Индикаторы добавляют в исследуемый раствор, чтобы визуально определить, когда добавлено ровно столько реагента, сколько необходимо для полной нейтрализации.

3. Практическая часть.

3. 1. Опыт Бойля.

Материалы: цветы фиалки (или настой из их лепестков), раствор кислоты (уксусная кислота или раствор лимонной кислоты), раствор щелочи (раствор пищевой соды или мыльный раствор).

Ход работы:

1. Приготовление настоя - залить лепестки фиалок небольшим количеством горячей воды и дайте настояться 20–30 минут. Получится настой сине-фиолетового цвета.

2. Тест на кислоту – добавить несколько капель настоя в стакан с уксусом и цвет сменится на розовый.

3. 2. Приготовление индикаторов в лаборатории.

Большинство лабораторных индикаторов плохо растворяются в воде, поэтому для них готовят спиртовые или водно-спиртовые растворы.

• Фенолфталеин (1%-й раствор):

• • Взвесьте 1 г сухого порошка фенолфталеина.

  • Растворите его в 60 мл этилового спирта (95%).

  • Доведите объем раствора дистиллированной водой до 100 мл.

• Метилоранж (0,1%-й водный раствор):

• • Взвесьте 0,1 г порошка метилового оранжевого.

  • Растворите в 100 мл горячей дистиллированной воды.

  • Дайте раствору остыть и, если появился осадок, отфильтруйте его.

• Лакмус (водный раствор):

• • 1 г сухого лакмуса разотрите в ступке.

  • Залейте 100 мл дистиллированной воды и дайте настояться сутки.

  • Отфильтруйте полученный темно-синий раствор.

3. 3. Изменение цвета индикаторов в различных средах.

Для анализа были взяты 0,1 М растворы гидроксида натрия и соляной кислоты.

Лакмус.

Характеристики перехода цветов:

Кислая среда – красный, рН˂5,0. Индикатор находится в молекулярной форме. 

Промежуточная область – фиолетовый, рН 5,0-8,0. В растворе одновременно присутствуют и красные молекулы, и синие ионы, что при смешении дает фиолетовый оттенок.

Щелочная среда – синий, рН˃8.

Фенолфталеин.

Характеристики перехода цветов:

Кислая и нейтральная среда – бесцветный, рН˂8,2.

Слабощелочная среда- от бледно-розового до малинового, рН 8,2-10,0.

Сильнощелочная среда – пурпурный, рН 10,0-12,0.

Концентрированная щелочь – бесцветный, рН˃13.

Метилоранж.

Характеристики перехода цветов:

Сильнокислая среда – розово-красный, рН ˂3,1

Промежуточная область оранжевый, рН 3,1 – 4,4. Это смесь двух форм — красной и желтой. Глаз воспринимает это как отчетливый оранжевый цвет.

Слабокислая, нейтральная, щелочная – желтый, рН˃4,4

Универсальный.

Универсальный индикатор — это «комбо-набор» в мире химии. Он хорош тем, что объединяет свойства нескольких индикаторов сразу, позволяя не просто угадать среду, а измерить её числовое значение.

Сравнительные характеристики основных индикаторов.

Таким образом, выбор индикатора зависит от конкретной задачи химического анализа. Например, для определения сильной кислоты наиболее эффективен метилоранж. В то же время лакмус является наиболее удобным для качественного экспресс-анализа любой среды благодаря широкому диапазону и контрастной смене цветов.

1. Заключение.

В ходе выполнения проекта я узнала какая химическая природа индикаторов и выяснила механизмы их работы. На основании этого сделала следующие выводы:

Химическая природа:  индикаторы представляют собой сложные органические соединения (слабые кислоты или основания), структура которых меняется в зависимости от концентрации ионов водорода в растворе.

Механизм действия: установлено, что изменение окраски связано с протонированием или депротонированием молекул индикатора, что ведет к перестройке их электронной системы и изменению спектра поглощения света. Этот процесс визуализирует изменение среды (pH) на молекулярном уровне.

Практическая значимость: роль индикаторов выходит далеко за пределы школьных опытов. Они критически важны в медицине (диагностические тест-полоски), в экологии (мониторинг кислотности водоемов и почв), в пищевой промышленности (контроль свежести продуктов и качества сырья), в быту (анализ воды в бассейнах, аквариумах).

Таким образом, индикаторы являются незаменимыми химическими «датчиками», которые позволяют быстро и эффективно получать информацию о химических свойствах среды, обеспечивая безопасность и точность технологических процессов. Цель и поставленные задачи достигнуты.

4. Источники информации.

1. Аликберова Л.Ю. Занимательная химия. – М.: АСТ-ПРЕСС, 2002.

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

3. Крешков А.П. Основы аналитической химии, 3 изд., кн. 2 – М., 1971.

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

5. Назарова Т.С, Грабецкий А.А. Химический эксперимент в школе. – М. 1987.

6. Степин Б.Д., Аликберова Л.Ю. Занимательные задания и эффектные опыты по химии. – М.: Дрофа, 2002.

7. Пилипенко А.Т. Справочник по элементарной химии. – Киев.Наукова думка. 1973.

8. Учебно–методическая газета для учителей химии «Первое сентября», №22, 2007.

9. Штемплер Г.И. Химия на досуге. – М.: Просвещение, «Учебная литература», 1996.

10. Энциклопедический словарь юного химика. – М.: Педагогика, 1982.

11. Интернет-ресурсы:

http://www.xumuk.ru/encyklopedia/1684.html

http://festival.1september.ru/articles/534067/

http://ru.wikipedia.org/wiki.

http://www.alhimik.ru

http://www.planetseed.com/ruru