XXVIII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

Цвет подскажет: что умеют индикаторы

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Пахнутова А.О. 1

---

1МОАУ «Гимназия №9» г. Свободного

Пахнутова Е.А. 1Фомина М.И. 2

---

1ФГАОУ ВО «Томский государственный университет»

2МОАУ «Гимназия №9» г. Свободного

Работа в формате PDF

1.6 MB

Автор работы награжден дипломом победителя III степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителяСвидетельство руководителя

Введение

Моя мама – химик, и на ее занятиях со студентами я обратила внимание на очень интересную бумагу оранжевого цвета. Когда ее опускали в различные жидкости, она изменяла цвет от темно-синего до ярко-красного. Мне стало очень интересно, что это за волшебная бумага. Оказалось, это индикаторы, которые показывают какая среда в различных растворах и жидкостях: кислотная, щелочная или нейтральная.

Индикаторы широко применяют в химии: при добавлении в различные растворы они меняют свою окраску в зависимости от кислотности среды.

Меня заинтересовал вопрос: а могу ли я приготовить индикаторы самостоятельно, используя цветные овощи и фрукты? Можно ли с помощью таких индикаторов определить среду продуктов питания, средств бытовой химии для оценки их натуральности, влияния на наш организм?

Создание индикаторов из натуральных продуктов актуально по нескольким причинам, связанным с практическим применением. Во-первых, природные индикаторы являются более доступной альтернативой традиционным лабораторным материалам. Овощи, фрукты и другие растительные компоненты (свёкла, краснокочанная капуста, вишня, черника, морковь и др.) часто есть в домашнем хозяйстве, что позволяет сэкономить на покупке специализированных индикаторов. Во-вторых, после использования они не оставляют токсичного мусора, а их растворы можно безопасно утилизировать. В-третьих, для получения индикаторной бумаги достаточно пропитать фильтровальную бумагу полученным раствором и высушить, что делает технологию доступной для домашнего использования, обучения в школах и даже на дачных участках. 

Гипотеза: растворы растительных индикаторов можно приготовить самостоятельно и применять в бытовых условиях для определения среды продуктов питания, растворов моющих средств.

Цель работы: создание и изучение свойств индикаторов для определения кислотности различных сред на основе природного сырья.

Задачи:

- изучить литературные источники по исследуемой теме;

- научиться выделять индикаторы из природного сырья;

- исследовать действие природных индикаторов в различных средах и приготовить бумажные индикаторы на их основе.

1. Открытие индикаторов: как это было?

Ключевое открытие Роберта Бойля (XVII век)

О ткрытие индикаторов связывают с английским химиком и физиком Робертом Бойлем (1627–1691). История открытия носит отчасти случайный характер. Во время очередного эксперимента в лабораторию принесли корзину с фиалками. Бойль, восхищённый цветами, взял несколько штук и перенёс в лабораторию. В процессе работы брызги кислоты попали на лепестки — они начали дымиться. Чтобы спасти цветы, учёный опустил их в стакан с водой. Вскоре он заметил, что тёмно‑фиолетовые лепестки стали красными. Бойль не оставил это без внимания и начал целенаправленно изучать явление: он погружал фиалки в разные растворы и фиксировал изменение цвета. Выяснилось, что кислоты окрашивают лепестки в красный цвет. Затем учёный стал экспериментировать с другими растениями и обнаружил, что особенно ярко реакция проявляется с настоем лакмусового лишайника: в кислой среде он становился красным, в щелочной — синим. Бойль предложил пропитывать бумажные полоски этим настоем, высушивать их и использовать как удобный индикатор. Так появилась первая лакмусовая бумага.

Хотя научное применение индикаторов началось с Бойля, сам лакмус был известен гораздо раньше. В Древнем Египте и Древнем Риме его использовали как фиолетовую краску — более дешёвый заменитель дорогого пурпура. Со временем рецепт приготовления лакмуса был утерян. В начале XIV века во Флоренции вновь открыли похожую краску — орсейль, фактически тождественную лакмусу. Способ её изготовления долго держали в секрете. В XVII веке производство орсейли наладили во Фландрии и Голландии; сырьём служили лишайники с Канарских островов. В 1704 году немецкий учёный М. Валентин назвал эту краску лакмусом.

Дальнейшее развитие

После открытия Бойля исследования продолжились:

1667 год — Бойль систематизировал использование индикаторных бумаг, пропитывая их отварами лакмуса, фиалок, васильков и других растений.

XIX век — появились синтетические индикаторы, более устойчивые и дешёвые: фенолфталеин (введён в науку в 1871 году немецким химиком А. Байером). В щелочной среде он окрашивается в малиновый цвет, в нейтральной и кислой — бесцветен. Метиловый оранжевый (открыт в 1877 году) — в кислой среде красный, в нейтральной оранжевый, в щелочной синий.

Изучение природных пигментов показало, что многие растения содержат антоцианы — вещества, меняющие цвет в зависимости от кислотности среды. Они придают окраску от розовой до тёмно‑фиолетовой и встречаются в свёкле, чернике, краснокочанной капусте и др.

Строение антоцианов установил в 1913 году немецкий биохимик Р. Вильштеттер, а первый химический синтез осуществил в 1928 году английский химик Р. Робинсон.

2. Кислотно-основные индикаторы: что это такое?

В настоящее время известно очень много кислотно-основных индикаторов - синтезированных искусственно, и они применяются для установления конца реакции между кислотами и основаниями. Кислотно-основные индикаторы — органические соединения, способные изменять цвет в растворе при изменении кислотности.

Больше всего распространены индикаторы лакмус, фенолфталеин и метилоранж. Самым первым появился кислотно-основный индикатор лакмус. В кислой среде он розово-малиновый, в в нейтральной –фиолетовый, в щелочной-синий. 

Фенолфталеин  (продается в аптеке под названием "пурген") - белый мелкокристаллический порошок, растворим в 95% спирте, но практически не растворим в воде. Применяется в виде спиртового раствора, приобретает в щелочной среде малиновый цвет, а в нейтральной и кислой он бесцветен. Синтез фенолфталеина впервые осуществил в 1871 году немецкий химик Адольф фон Байер, будущий лауреат Нобелевской премии. 

Метиловый оранжевый - кристаллический порошок оранжевого цвета, умеренно растворим в воде, нерастворим в органических растворителях. Метилоранж действительно оранжевый в нейтральной среде. В кислотах его окраска становится розово-малиновой, а в щелочах – желтой. В зависимости от кислотности среды изменяет окраску и краситель бриллиантовый зеленый (его спиртовой раствор используется как дезинфицирующее средство – зеленка). В сильнокислой среде его окраска желтая, а в сильнощелочной среде раствор обесцвечивается.

В настоящее время химики часто пользуются универсальной индикаторной бумагой.  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 более точного определения полученный при нанесении капли раствора цвет индикаторной бумаги немедленно сравнивают с эталонной цветовой шкалой.

3. Природные индикаторы: какие они?

Когда нет настоящих химических индикаторов, то для определения среды растворов можно успешно применять самодельные индикаторы из природного сырья. Исходным сырьем могут служить цветы: герань, лепестки пиона или мальвы, ирис, темные тюльпаны или анютины глазки, ягоды: малина, черника, черноплодная рябина, сок вишни, смородины, винограда, плоды крушины и черемухи. В этих растениях содержатся антоцианы, которые изменяют цвет в ответ на любое воздействие. Попадая в кислую или щелочную среду, они меняют цвет от красного до синего или зеленого в зависимости от кислотности раствора.

Например,

Обычный чай – это тоже индикатор. Если в стакан с крепким чаем добавить лимон или растворить несколько кристалликов лимонной кислоты, то чай сразу станет светлее. Если же растворить в чае питьевую соду, раствор потемнеет. Сок свеклы в кислой среде изменяет свой рубиновый цвет на ярко-красный, а в щелочной – на желтый. Зная свойство свекольного сока, можно сделать цвет борща ярким. Для этого к борщу добавляют немного столового уксуса или лимонной кислоты.

Какие растения и плоды можно использовать для создания природных индикаторов:

Очень важно: соки или отвары, используемые для приготовления природных индикаторов, необходимо хранить в темной посуде. У природных индикаторов есть серьезный недостаток: их отвары довольно быстро портятся – скисают или плесневеют. Поэтому в химических лабораториях используют синтетические индикаторы, резко изменяющие свой цвет в различных средах.

4. Где применяются индикаторы?

Природные индикаторы находят широкое применение в медицине и экологии, в сельском и домашнем хозяйстве, а также в пищевой промышленности.

Медицина

Так как антоцианы обладают хорошими индикаторными свойствами, то их можно применять как индикаторы кислотной, щелочной или нейтральной среды. Антоцианы используются в виде добавки E163 в качестве природных красителей: в производстве кондитерских изделий, напитков, йогуртов и других пищевых продуктов, они являются мощными антиоксидантами, которые сильнее в 50 раз витамина С. Поступая в организм человека с фруктами и овощами, антоцианы проявляют действие, схожее с витамином Р, они поддерживают нормальное состояние кровяного давления и сосудов, предупреждая внутренние кровоизлияния. Антоцианы требуются клеткам головного мозга, улучшают память. Антоцианы обладают уникальными свойствами – подавляют рост опухолей.

Народное хозяйство

В сельском хозяйстве, для оценки химического состава почвы, степени её плодородия, при разведке полезных ископаемых. Добавив в антоциановый раствор горсть земли, можно сделать заключение о ее кислотности, т. к. на одной и той же почве в зависимости от ее кислотности один вид растений может давать высокий урожай, а другие будут угнетенными.

Применение индикаторов в быту

Растительные индикаторы используются в быту: они помогают определять среду растворов различных средств бытовой химии и косметических средств, удалять пятна растительного происхождения.

Например, чтобы борщ был ярко-красным перед окончанием варки, добавляют немного уксусной или лимонной кислоты, при этом цвет меняется прямо на глазах.

В прошлом веке реакцию йода с крахмалом (в результате которой все окрашивается в синий цвет) использовали, чтобы уличить недобросовестных торговцев, которые добавляли в сметану «для густоты» пшеничную муку. Если на образец такой сметаны капнуть йодной настойки, синее окрашивание сразу выявит подвох.

5.Экспериментальная часть

5.1 Исследование продуктов питания, лекарств, косметических средств и бытовой химии с использованием универсального индикатора

Задачи исследования:

1.Определить реакцию среды продуктов питания и некоторых других веществ, которые встречаются в быту универсальными индикаторами.

2.Составить итоговую таблицу и сделать вывод о кислотности веществ.

Объект исследования: универсальные индикаторы, продуктов питания, средства бытовой химии, косметические средства, лекарств и другие вещества.

Предмет исследования: реакция среды продуктов питания, бытовой химии, косметических средств, лекарств и других веществ.

Перед приготовлением индикаторов из природного сырья необходимо узнать, какая среда в характерна для исследуемых продуктов бытового назначения. Полученные данные я объединила в итоговую таблицу.

Таблица 1. Реакция среды исследуемых веществ, полученная с помощью универсального индикатора

Фото 1-4. Исследование реакции среды различных веществ с помощью универсального индикатора

В результате проведения эксперимента я сделала следующие выводы:

• ягоды и варенье дают кислотную реакцию, поэтому мы ощущаем кислый вкус при их употреблении;

• кремы, шампуни, средства бытовой химии показывают нейтральную среду, что необходимо для нашей кожи;

• пищевая сода и моющие средства дали щелочную реакцию;

• продукты питания показали разную реакцию: нейтральную, кислотную или щелочную;

• дождевая вода, собранная 23 мая 2026 г в городе Свободном Амурской области – нейтральная реакция;

• кефир, сметана, аспирин и глицин показали слабокислую среду, потому что в составе содержатся кислоты;

• уксусная и лимонная кислота – реакцию кислот средней силы, при проведении экспериментов с ними нужно быть аккуратными.

5.2. Приготовление природных индикаторов

из растительного сырья

Задачи исследования:

1. Получить природные индикаторы из доступных природных объектов (красная капуста и чай Каркаде).

2. Составить шкалу изменения цвета для каждого индикатора.

Объект исследования: природные индикаторы.

Предмет исследования: изменение цвета природных индикаторов в различных средах.

Анализируя работы по исследованию индикаторов, я узнала, что приготовить вытяжку природных индикаторов можно кипячением продуктов в воде в течение нескольких минут. В качестве природных индикаторов я выбрала чай Каркаде и красную капусту.

1. Изготовление индикаторов

Для приготовления растительного индикатора на основе капусты я взяла по 200 г сырья, измельчила, залила 1000 мл воды и кипятила течение 10-15 минут. Индикатор из Каркадэ получила завариванием чая и последующим использованием после охлаждения через 30 минут. Полученные отвары были отфильтрованы и разлиты по стаканчикам.

Фото 5-6. Приготовление индикаторов

2. Изучение действия индикаторов в различных средах, составление таблицы изменения цвета

Получив растворы индикаторов, я проверила, какую окраску они имеют в разных средах. К растворам индикаторов я добавляла растворы лимонной кислоты (среда кислая) и пищевой соды (среда щелочная). Все данные исследования внесены в таблицу 2:

Таблица 2. Исследование изменения окраски природных индикаторов в различных средах

Фото 7-8. Изучение изменения цветов природных индикаторов в различных средах

В результате проведения эксперимента я сделала следующие выводы:

• все исследуемые индикаторы изменили свой цвет в кислой и в щелочной среде.

5. 3. Индикаторная бумага из капустного сока

Задачи исследования:

1. Получить бумажные индикаторы на основе сока красной капусты.

2. Исследовать полученные индикаторы в различных средах.

Объект исследования: бумажные индикаторы на основе сока красной капусты.

Предмет исследования: изменение цвета бумажных индикаторов на основе сока красной капусты в различных средах.

Для проведения опыта белую бумагу замачивали на 15 минут в соке краснокочанной капусты, затем разрезали на полоски толщиной 1 см. Готовые индикаторы из природного сырья опускали в раствор кислоты, воды и пищевой соды. В кислой среде индикаторная бумага приобрела ярко-розовый цвет, в нейтральной-осталась синей, в растворе соды – зеленая.

Полученные индикаторы необходимо хранить в темном месте и можно использовать для определения кислотности различных растворов.

Фото 9-10. Применение индикаторной бумаги на основе сока красной капусты для определения кислотности растворов

Выводы

• В результате проделанной работы я познакомилась с понятиями индикатор и кислотность растворов.

• В ходе эксперимента исследовала разные вещества и изучила их кислотность с помощью лакмусовой бумаги.

• Научилась выделять индикаторы из природного сырья: чая Каркаде и красной капусты.

• На основе белой бумаги и сока краснокочанной капусты получила индикаторную бумагу и определила ее свойства в кислой, нейтральной и щелочной средах.

Список литературы

1. Карцова, А.А. Химия без формул или знакомые незнакомцы / А.А. Карцова. – Авалон. - Азбука-классика, СПб.-2005.

2. Штремплер, Г.И. Домашняя лаборатория. (Химия на досуге) / Г.И. Штремплер, – Москва: Просвещение, – 1996.

3. Химия: Энциклопедия для детей – Москва: Аванта+, 2000.

4. Степин, Б.Д., Занимательные задания и эффектные опыты по химии / Б.Д. Степин, Л.Ю. Аликберова. – Москва: Дрофа, 2002.

5. Аликберова, Л.Ю. Занимательная химия. Книга для учащихся, учителей и родителей / Л.Ю. Аликберова – Москва: АСТ-ПРЕСС, 1999.

6. Получение и использование природных индикаторов в лабораторных условиях // Url:https://school-science.ru/12/13/48403

7. Кин, Д. Химия без лаборатории. Увлекательные опыты и развлечения / Д. Кин – Москва: Астрель, 2008, – стр. 16-26.