IV Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

СРАВНИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ СИНТЕТИЧЕСКИХ И ПРИРОДНЫХ ИНДИКАТОРОВ СРЕДЫ

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Родионова А.А. 1

---

1

Пронина Г.В. 1

---

1

Работа в формате PDF

30.5 MB

Автор работы награжден дипломом победителя III степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителя

Соединения, способные без многоступенчатых реакций наглядно продемонстрировать свойства среды, всегда были востребованы человеком. Среди таких веществ наиболее известны кислотно-основные индикаторы, позволяющие определить кислотность. Именно этот тип индикаторов и является объектом моей исследовательской работы.

В рамках данной работы рассматриваются два типа индикаторов – синтетические и природные. Мною выдвинута гипотеза: природные индикаторы, полученные непосредственно из растительного сырья, могут конкурировать с синтетическими. Кроме того, природные индикаторы имеют значительное преимущество перед синтетическими – их производство более экологично, так как расход продуктов нефтехимии минимален. Именно поэтому замена искусственных индикаторов актуальна.

Тем не менее, полностью заменить синтетические индикаторы не представляется возможным: многие индикаторы изготавливаются как узкоспециализированные реагенты, например, для реставрационных мастерских. Поэтому цель этой работы – не только проверить мою гипотезу, но и выявить сферы жизни, в которых синтетические индикаторы могут быть заменены природными без потери качества.

Чтобы достичь цели, необходимо выполнить ряд задач: выяснить механизмы действия и изучить границы применения различных кислотно-основных индикаторов, опытным путём установить наглядность реакций, обобщить полученные результаты и составить прогноз возможного применения природных индикаторов.

Для достижения поставленных задач я собрала необходимые данные, проанализировав специальную литературу, провела лабораторный опыт с приготовленными вручную индикаторами и сделала необходимые выводы.

Практическая значимость моей работы заключается в том, что в ней доступно изложен собранный, проверенный и обобщённый материал о природных индикаторах, а значит, данная работа может быть использована как пособие по их изготовлению.

Синтетические индикаторы.

К данному типу индикаторов я отнесла вещества, полученные путём переработки продуктов нефтехимии или синтезированные с помощью сложных химических реакций.

Далее каждый индикатор проанализирован по плану: химическая формула, изменение химической формулы при реакции, интервал pH, получение и применение индикатора. Материалы для анализа собраны из различных литературных источников (см. Список литературы), обобщены и структурированы.

1.  
   Метиловый оранжевый.

Формула метилоранжа - 4-(4-диметиламинофенилазо)бензолсульфонат натрия (C14H14N3NaO3S) [1]. Графическую формулу метилового оранжевого можно увидеть в приложении (Приложение 1, рис. 1).

Метилоранж - синтетический органический краситель из группы азокрасителей, является солью натрия.

При стандартной концентрации метилоранжа в водном растворе (0,1%) интервал перехода окраски меняется от 3,1 до 4,4 рН. Цвет индикатора меняется с желтого на красный соответственно [2].

Преломлению цвета в видимой области спектра способствует хромофорная группа (азогруппа) ‒N=N‒. Азогруппа соответствует проявлению жёлтого цвета, красная же окраска появляется при замещении одной из двух связей азота атомом водорода.

Для получения проводится реакция азосочетания диазобензолсульфокислоты с диметиланилином, но продуктом этой реакции является не метилоранж, а краситель (4-диметиламино-4-азобензолсульфокислота)[3]. Далее на полученное вещество воздействуют едким натром, отфильтровывают и сушат. Также в процессе получения метилового оранжевого используется соляная кислота и лёд [1].

Применяется метиловый оранжевый для титрования слабых оснований, определения содержания кислот и щелочей в растворах, в том числе в желудочном соке, для определения водородного показателя рН [4].

1.  
   Фенолфталеин

Фенолфталеин – трифенилметановый краситель группы фталеинов. Формула - (4,4'-диоксифталофенон или 3,3-бис-(4-гидроксифенил)фталид) (Приложение 1, рис. 2). В щелочной среде фенолфталеин превращается в двухзарядный анион и имеет малиновый цвет. При повышении рН среды больше 10,0 рН окраска обесцвечивается вследствие нарушения сопряжения в анионе, и он из двухзарядного становится трёхзарядным [3].

При стандартной концентрации 0,1% в спирте, окраска фенолфталеина меняется в интервале 8,2-10,0 рН с бесцветной на красную соответственно.

Получают фенолфталеин путём конденсации фенола с фталевым ангидридом в присутствии водоотнимающих средств (H2SO4, ZnCl2). Используется же фенолфталеин в аналитической химии в качестве щелочного индикатора. Также использовался в слабительных лекарствах в первой половине XX века, пока не были выявлены многочисленные негативные побочные эффекты [5].

1.  
   Лакмус

Несмотря на то, что лакмус получают из лишайников (некоторые виды рода Parmelia и Rocella [6]), он обычно относится к синтетическим индикаторам, так как для его производства необходимы сложные многоступенчатые реакции. Индикаторные свойства лакмуса были открыты Робертом Бойлем, когда он случайно смешал настой лишайника с хлороводородной кислотой (HCl) и заметил, что полученный раствор покраснел. При добавлении же едкого натра (NaOH) раствор приобрёл синий цвет [7].

В составе лакмуса содержится несколько веществ, реагирующих на ионы водорода, но основное действующее соединние лакмуса – азолитмин (Приложение 1, рис. 3). Чистый азолитмин получают экстракцией из лакмуса. Сам же лакмус производят путём измельчения, длительной ферментации сырья в смеси поташа и карбоната аммония. Полученную смесь разделяют, затем выпаривают или прессуют.

Лакмус известен как один из самых первых кислотно-основных индикаторов.

1.  
   Универсальный индикатор

Единой формулы для универсального индикатора не существует, так как он представляет собой смесь различных веществ, изменяющих окраску в разных интервалах рН. Реагенты подобраны так, что при изменении кислотности цвет раствора постепенно переходит от красного или малинового к синему (фиолетовому) через желтый и зелёный.

Существуют разные типы универсальных индикаторов, но все они охватывают довольно большой интервал рН: от 0 до 10; от 1 до 12. Такая способность к реакции обеспечила универсальному индикатору широкую востребованность. Кроме аналитической химии он широко используется в аквариумистике для определения кислотности воды.

Природные индикаторы

К природным кислотно-основным индикаторам относятся вещества природного происхождения, которые можно получить без сложного синтеза путём экстракции, фильтрования, выварки. Чаще всего такие соединения находятся в растительном сырье. На примере краснокочанной капусты мною были рассмотрены антоцианы, находящиеся в лепестках, плодах и коре различных растений, а также куркумин, содержащийся в корневище куркумы. Я выбрала именно эти вещества, так как они легкодоступны.

Также в данном разделе рассмотрен индикаторный лишайник Cetraria Islandica.

1.  
   Антоцианы

Основу большинства красящих веществ цветов и ягод составляют антоцианы [8]. Именно они придают растениям разнообразные цвета. Антоцианы имеют общую структуру с несколькими свободными связями, к которым могут присоединяться различные радикалы (Приложение 1, рис. 4), что даёт большое разнообразие этому классу веществ. Получают антоцианы обычно путём выделения из экстрактов растительных тканей.

При изменении показателя рН с молекулой антоциана происходят изменения, влияющие на её цвет, такие как присоединение гидроксогрупп, дегидритация и гидрирование. Сложная реакция обеспечивает высокое качество определения кислотности среды.

Антоцианы имеют широкий спектр использования: от медицинской промышленности в качестве антиоксидантов до пищевой промышленности как красящие вещества (Е163).

1.  
   Куркумин

Куркумин – это краситель, получаемый из корня куркумы и некоторых других растений семейства имбирные. Является дикетоном (Приложение 1, рис. 5), что даёт ему хорошую реакционную способность. Куркумин реагирует на щелочную среду: при рН 7,4 он меняет цвет на буро-красную, а при рН 9,4 и выше куркумин становится оранжево-жёлтым.

Как и антоцианы, куркумин (Е100) применяется в медицине как антиоксидант, а также официально разрешён для окрашивания фармпрепаратов, пищевой продукции и косметических средств по всему миру [9].

1.  
   Лишайники.

Узнав, что индикатор лакмус экстрагируется из лишайников, я предположила, что схожие по свойствам лишайники должны произрастать и в Ленинградской области. Для эксперимента мной был отобран самый распространённый представитель - Цетрария Исландская (Cetraria Islandica). В отличие от остальных кислотно-основных индикаторов, этот вид реагирует только на определённое вещество. Сердцевина Цетрарии Исландской даёт оранжевый цвет при взаимодействии с катионами калия (КОН).

Многие лишайники являются отличными индикаторами чистоты среды, так как накапливают в себе тяжёлые металлы или обитают только в незагрязнённой среде, но, чаще всего, это не связно с кислотным или щелочным загрязнением.

Сравнение синтетических и природных индикаторов.

В ходе работы мной был выполнен лабораторный эксперимент, по результатам которого были установлены реакционные границы каждого из отобранных природных индикаторов.

Для начала я получила шесть растворов с разным показателем рН (Рис.1) и проверила их с помощью универсального индикатора. Два раствора представляют собой сильную кислоту (H2SO4) и сильную щёлочь (KOH), остальные являются смесями кислот, щелочей и воды, составленными так, чтобы показатель рН в двух соседних растворах отличался минимум на 1,5 единицы.

Рис.1

Далее я проверила свои растворы на синтетических индикаторах, используемых в школьной лаборатории: метилоранже, фенолфталеине и лакмусе (Приложение 2, рис. 6,7,8). Результаты являются стандартными для этих видов индикаторов.

Затем я приступила к изготовлению природных индикаторов по рецепту для антоцианов, найденному в литературных источниках [9,10], начиная с краснокочанной капусты. Я смешала сырьё с водой в необходимой пропорции, прокипятила полученную смесь и профильтровала отвар (Приложение 2, рис. 9,10). Полученная жидкость имела специфический запах и тёмно-фиолетовую окраску.

При смешении с растворами индикатор показал хорошую способность к определению кислотности среды (Рис. 2).

Рисунок 2. Антоциан в разных средах. 1 – H2SO4, 6 – KOH.

На рисунке видно, что полученный индикатор меняет цвет во всех средах, переходя от красного к жёлто-зелёному через малиновый, синий и зелёный.

Индикатор куркумин (Рис. 3) я приготовила 0,1% раствор из порошка куркумы, растворив его в 90% спирте и профильтровав (Приложение 2, рис. 10, 11).

Рисунок 3. Куркумин в средах разной кислотности.

На Рисунке 3 видно, что в среде с показателем рН 7,5 куркумин значительно ярче, чем в среде с показателем рН 12, в то время как в остальных средах цвет его неизменен.

Отвар Цетрарии Исландской я решила приготовить по рецепту для растительных индикаторов, [10] чтобы проверить, можно ли получить индикатор без долговременных химических взаимодействий, как это обычно бывает с лишайниками. На рисунке 4 видно, что в то время как лакмус проявляет свои индикаторные свойства, отвар Цетрарии Исландской не проявляет себя никак, как и должно быть. Тем не менее, в чистом гидроксиде калия он также не меняет цвет, что может означать слишком малую концентрацию реакционноспособных веществ в растворе.

Рисунок 4. Лакмус (слева) и отвар Цетрарии Исландской (справа).

На основе полученных результатов я составила таблицу изменения окраски индикаторов.

Таблица 1. Изменение окраски индикаторов.

По данным таблицы я сделала вывод, что антоциан, содержащийся в краснокочанной капусте, близок по своим визуальным индикаторным свойствам к лакмусу и метиловому оранжевому. Экстракт краснокочанной капусты даже в чём-то их превосходит, так как разница между цветами более заметна.

В свою очередь, куркумин меняет окраску примерно в том же интервале, что и фенолфталеин, а Цетрария Исландская, как и ожидалось, вообще не проявляет никаких признаков реакции на кислоты, но не реагирует также и с гидроксидом калия.

Заключение

Целью данной исследовательской работы было подтверждение или опровержение гипотезы о том, что природные индикаторы могут конкурировать с синтетическими. На основе полученных экспериментальным путём данных можно сделать вывод, что природные индикаторы, которые легко и быстро можно получить в домашних условиях, могут быть использованы для точной проверки кислотности среды.

Тем не менее, заместить синтетические индикаторы природными повсеместно нельзя, так как природные индикаторы имеют довольно малый срок годности и слишком широкую специализацию.

Полученные в домашних условиях индикаторы могут использоваться в бытовых целях, например, для проверки рН-показателя моющих средств для посуды (если рН выше нормы, следует использовать средства защиты кожи рук – перчатки). Также приготовленными веществами можно проверить рН аквариумной воды или даже проб садовой почвы, чтобы точно определить количество щелочных или кислотных удобрений, которые следует внести.

Также я успешно выполнила побочную задачу работы: я составила понятное и простое пособие по изготовлению индикаторов из растений с антоцианами и порошка куркумы. Пользуясь описанным процессом и фотоматериалами из Приложения 2, можно изготовить индикаторы самостоятельно.

6. Список использованной литературы

[1] http://formula-info.ru от 19.04.17

[2] Рабинович В. А., Хавин З. Я. «Краткий химический справочник», стр. 346, изд. «Химия», 1977.

[3] В. В. Перекалин, С. А. Зонис, «Органическая химия», стр. 464, 3-е изд, 1977.

[4] https://pcgroup.ru/blog/metilovyj-oranzhevyj--kislotno-schelochnoj-indikator/ от 19.04.17

[5] http://www.gastroscan.ru/handbook/144/6750 от 02.05.17

[6] http://alcala.ru/brokgauz-slovari/izbrannoe/slovar-L/L1490.shtml

Энциклопедический словарь Ф.А. Брокгауза и И.А. Ефрона. — С.-Пб. Брокгауз-Ефрон.

[7] В. Малышкина, «Занимательная химия», стр. 55, Санкт-Петербург, «Тригон», 2001.

[8] В.Н. Васильев, И.А. Мусорин, Ю.Н. Омельченко, И.Я. Калвиньш, «Количественное определение лимонной кислоты в водных растворах антоциановых красителей» - Известия вузов. Пищевая технология №3-4, 1994.

[9] Ю.Д. Соколова, П.Н. Челканова, Е.В. Коновалов, «Исследование структуры куркумина спектральными способами» - Universum: химия и биология №12 (30), 2016 г.

[10] Е.Г. Копачевская, М.Ф. Макаревич, А.Н. Окснер, К.А. Рассадина, «Определитель лишайников СССР», изд. «Наука», Ленинград, 1971.

Приложения.

Приложение 1. Формулы индикаторов, задействованных в работе.

. Рис. 1. Формула метилового оранжевого.

Рис. 2. Формула фенолфталеина.

Рис. 3. Формула азолитмина.

Рисунок 4. Общая формула антоцианов. Место радикалов могут занимать группы -OH, -H, -OCH3.

Рисунок 5. Формула куркумина.

Приложение 2. Качественные реакции в ходе лабораторного опыта.

Рисунки 6,7,8: реакции лакмуса, метилоранжа, фенолфталеина на приготовленные растворы. Под цифрой 1 – серная кислота, под цифрой 6 – гидроксид калия.

Рисунок 9. Кипячение красной капусты.

Рисунок 10. Фильтрование отвара.

Рисунок 11. Спиртовая взвесь порошка куркумы.

Рисунок 12. Фильтрование взвеси.