V Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

Природные индикаторы

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Хуснутдинова  Д.И. 1

---

1МАОУ "Гимназия №37" Авиастроительного района г.Казани

Бухарова А.В. 1Хуснутдинова  Р.Р. 1

---

1МАОУ "Гимназия №37" Авиастроительного района г.Казани

Работа в формате PDF

1.2 MB

Автор работы награжден дипломом победителя II степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителяСвидетельство руководителя

Введение

Каждый человек, который любит пить чай с лимоном, не раз замечал, что напиток при добавлении лимона становится светлее. При добавления уксуса в борщ суп становится ярко-красным, а при добавлении соды в тесто моего любимого торта «Черный принц» оно меняет окрас с буро-красного цвета в темно-зеленый. Почему же так происходит? Что заставляет цвета так быстро меняться?

Спросив об этом учителя химии, я узнала, что для этого есть несколько причин. Во-первых, есть различные растения, соки которых изначально имеют яркую окраску, а во-вторых на изменение окраски влияет условие, в котором оказались эти соки. Это условие называется среда раствора. Она бывает щелочной, нейтральной и кислой.

Растворы всех кислот и щелочей бесцветны, большинство из них не пахнут. Как же тогда можно определить, что в одном сосуде находится кислота, а в другом – щёлочь? Тогда на помощь приходят индикаторы. В переводе с лытыни indicator – указатель. Они буквально указывают нам, где среди растворов кислая, щелочная или нейтральная среда.

Промышленность выпускает десятки разнообразных индикаторов. А как же быть в том случае, если дома у вас нет химических индикаторов, а необходимо определить реакцию среды продуктов питания или средств бытовой химии? Можно ли приготовить индикатор без использования химических реактивов? Какие растения могут использоваться в качестве индикаторов? Можно ли приготовить растворы растительных индикаторов самостоятельно? Пригодны ли самодельные индикаторы для использования при проведении экспериментов? Все эти вопросы и побудили меня к изучению темы «Индикаторы».

Мы поставили перед собой цель: рассмотреть возможность использования в качестве индикаторов растительное сырье.

В ходе работы нам пришлось решить следующие задачи:

познакомиться с имеющимися в химической лаборатории школы индикаторами, их действием на кислотную, щелочную и нейтральную среду;

выяснить, сок (отвар, настой) каких растений пригоден для определения среды растворов;

приготовить индикатор из доступного сырья и изучить его действие в различных средах;

разработать шкалу индикации различных сред на основе самодельного индикатора;

проверить его действие в бытовых условиях.

Объектом исследованиястали листья и цветы следующих растений: краснокочанная капуста, красная роза, каркадэ (Суданская роза), черная смородина, черноплодная рябина, Ирезине (приложение 1, рис.1-6).

ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ

Историческая справка

Впервые вещества, меняющие свой цвет в зависимости от среды, обнаружил в XVII веке английский химик и физик Роберт Бойль. Он провел тысячи опытов [1]. Вот один из них.

В лаборатории горели свечи, в ретортах что-то кипело, когда некстати зашел садовник. Он 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. Случайный опыт? Случайная находка? Роберт Бойль не был бы настоящим ученым, если бы прошел мимо такого случая. Ученый велел готовить помощнику растворы, которые потом переливали в стаканы и в каждый опустили по цветку. В некоторых стаканах цветы немедленно начали краснеть. Наконец, ученый понял, что цвет фиалок зависит от того, какие вещества содержатся в растворе. Затем Бойль заинтересовался, что покажут не фиалки, а другие растения.

Он приготовил для своих опытов водный настой лакмусового лишайника. 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, Бойль на пробу добавил несколько капель настоя лакмуса к водному раствору гидроксида натрия и обнаружил, что в щелочной среде лакмус синеет.

Эксперименты следовали один за другим, 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 фильтровальную бумагу отваром тропического лишайника – лакмуса, а также отварами фиалок и васильков. Высушенные и нарезанные «хитрые» бумажки Роберт Бойль назвал индикаторами, что в переводе с латинского означает «указатель», так как они указывают на среду раствора.

Лакмус стал самым древним кислотно-основным индикатором. Надо сказать, что само красящее вещество лакмус был известен ещё в Древнем Египте и Древнем Риме. Его добывали из некоторых видов лишайников, произраставших на скалах Шотландии, и использовали в качестве фиолетовой краски, но со временем, рецепт его приготовления был утерян.

Что такое кислотность раствора?

Характер среды (кислая, щелочная, нейтральная) зависит от количества (концентрации) ионов водорода Н⁺, поэтому часто характеризуется как кислотность, так как водород неотъемлемая часть любой кислоты. Всем известна формула воды – Н₂О. Но, оказывается, ее можно писать и рассматривать по-другому – НОН. То есть вода состоит из двух частей (ионов): положительно заряженной частицы – катиона водорода Н⁺, и отрицательно заряженной частицы – гидроксид-аниона ОН^-. Если среда нейтральная, то ни одна из частиц не доминирует. Их количество (концентрация) равны. Ученые точно подсчитали это значение 10^-7. Это очень маленькая величина, меньше единицы в 10 000 000 (10 миллионов раз). И как это подсчитать? Датский химик Сёренсен ввёл понятие для точной числовой характеристики среды раствора pH - водородный показатель. Это отрицательный десятичный логарифм концентрации водорода. Опять непонятно! То, что было записано как 10^-7, стало просто числом 7. Вот это другое дело!

Водородный показатель рН принимает значения от 0 до 14. Чем больше значение, тем меньше количества катионов водорода.

А что насчет второй половины воды – группы ОН?

Представьте себе весы, на чашах которых находятся ионы Н⁺ и ОН^- (приложение 2). Чем больше катионов водорода, тем ниже опускается чаша (как будто лифт вниз по этажам). При этом чаша с гидроксид-анионами поднимается вверх, так как их количество уменьшается.

Как только баланс между Н⁺ и ОН^- нарушается, среда перестает быть нейтральной. Если больше частиц Н⁺, то среда будет кислая, если больше гидроксид-анионов ОН^-, то щелочная. При любом раскладе их сумма должна быть равной 14.

Нас окружает множество растворов, некоторые находятся внутри нашего организма [2]. Каждый из растворов имеет свою среду и соответственно значение рН. Вот некоторые примеры:

яблочный сок – pH=3,5

настой чая – pH = 5,5

кислотность молока pH = 6,6 – 6,9;

кислотность слез в норме pH = 7,3 - 7,5;

кислотность крови pH = 7.35 – 7.45;

морской воды pH = 8,0;

мыло (жировое) для рук pH = 9,0 - 10,0

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.

Химические индикаторы

Индикаторы – это вещества, которые изменяют цвет в зависимости от того, попали они в щелочную, кислую или нейтральную среду. Они бывают природного и химического (синтетического) происхождения [3].

Больше всего распространены индикаторы лакмус, фенолфталеин и метилоранж.

Окраска лакмуса в различных средах изменяется следующим образом:

Фенолфталеин, который применяется как в виде водного, так и в виде спиртового раствора, изменяет окраску индикатора следующим образом:

Метиловый оранжевый (метилоранж):

Универсальные индикаторы – это смеси нескольких индивидуальных индикаторов, подобранных так, что их раствор поочередно меняет окраску, проходя все цвета радуги при изменении кислотности раствора. Они изменяют окраску следующим образом:

Кроме указанных индикаторов могут применяться также и другие, например тимолфталеин, конго красный, лакмоид, малахитовый зелёный, метиловый фиолетовый, нейтральный красный и др.

Природные индикаторы

Индикаторы бывают не только синтетическими. Они находятся вокруг нас, только обычно мы об этом не задумываемся. Когда нет настоящих химических индикаторов, то для определения среды растворов можно успешно применять самодельные индикаторы из природного сырья [4].

Исходным сырьем, как показывает литература, могут служить цветы герани, лепестки пиона или мальвы, ирис, темные тюльпаны или анютины глазки, а также ягоды малины, черники, черноплодной рябины, соки вишни, смородины, винограда, свеклы, краснокачанной капусты и др.

Эти природные индикаторы содержат окрашенные вещества (пигменты), способные менять свой цвет в ответ на то или иное воздействие. И, попадая в кислую или щелочную среду, они наглядным образом сигнализируют об этом.

В основном это красноокрашенные растения, содержащие вещество – антоциан. Антоцианы – это красящие вещества растений, которые относятся к группе гликозидов. Эти пигменты придают красную, фиолетовую, синюю, оранжевую, коричневую, пурпурную окраску плодам, листьям и лепесткам цветов. Они содержатся в цветках, плодах, корнях, стеблях, листьях и даже семенах растений.

Применение индикаторов

Как уже было сказано, в растениях очень много природных пигментов, природных индикаторов, большая часть которых относится к антоцианам.

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.

Природные индикаторы находят применение во многих областях человеческой деятельности: в медицине и экологии, в сельском и народном хозяйстве, в пищевой промышленности и в быту.

Так, например, индикаторы в сельском хозяйстве используются для оценки химического состава почвы, степени её плодородия, при разведке полезных ископаемых. Добавив в 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.

В быту растительные индикаторы помогают определять, например, среду растворов различных средств бытовой химии и косметических средств, удалять пятна растительного происхождения, определять недоброкачественные продукты питания (так, если на сметану капнуть йодной настойки, то синее окрашивание сразу выявит тот факт, что в сметану «для густоты» добавляли пшеничную муку).

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

2.1.Приготовление природных индикаторов из растительного сырья

Из литературы мы узнали, что приготовить вытяжку природных индикаторов можно разными способами – кипячением в воде или экстрагированием каким-либо растворителем, например – спиртом [5]. Мы приготовил индикаторы способом кипячения.

В качестве источников природных индикаторов были отобраны листья краснокочанной капусты, лепестки красной розы, лепестки каркадэ (Суданской розы), ягоды черной смородина, ягоды черноплодной рябины, листья комнатного растения Ирезине.

Для приготовления растительных индикаторов мы взяли по 50 г сырья, измельчили, залили 100 мл воды и прокипятил в течение 1-2 минут. Это приводит к разрушению мембран клеток, и антоцианы свободно выходят из клеток, окрашивая воду. Полученные отвары были охлаждены и профильтрованы (приложение 3, рис.7,8). С целью предохранения от порчи, в полученный фильтрат добавил спирт в соотношении 2:1.

Получив растворы индикаторов, мы проверили, какую окраску они имеют в разных средах. Предварительно учитель химии помогла нам с приготовлением таких растворов:

Раствор №1 – рН=3 – сильнокислая среда

Раствор №2 – рН =4 – сильнокислая среда

Раствор №3 – рН =5 – слабокислая среда

Раствор №4 – рН =9 – слабощелочная среда

Раствор №5 – рН =10 – слабощелочная среда

Раствор №6 – рН =12 – сильнощелочная среда

Раствор №7 – рН =7 – нейтральная среда

Для приготовления этих растворов учитель химии пользовалась специальным прибором – цифровым датчиком рН, который точно показывает значения (приложение 3, рис.9).

Для проведения эксперимента мы взяли 7 пробирок, в каждую из них прилили по 2 мл растворов с известным значением типа среды, затем добавили в них по 1 мл приготовленных отваров, наблюдали за изменением цвета (приложение 3, рис.10,11).

Таблица 1

Результаты эксперимента с отварами

Как показывает наш эксперимент, наиболее подвержены изменению цвета отвар из листьев краснокочанной капусты и комнатного растения Ирезине. Другие отвары меняют свой цвет кардинально только в сильнощелочной среде, как правило, на зеленый.

Знания того, как меняется цвет растительных индикаторов, может помочь в быту, например при определении типа среды косметических средств, средств бытовой химии, различных моющих средств. Зачастую рекламные ролики демонстрируют нам «уникальные» свойства товаров. Например, детский шампунь, который не щиплет глазки. Такое возможно, если в его растворе нет щелочной или кислой среды. Мы решили проверить этот товар и некоторые другие. В качестве индикатора мы взяли отвар краснокочанной капусты. Результат показал, что реклама не лгала (приложение 6, приложение 7, рис.18,19).

Таблица 2

Определение среды средств бытовой химии

с использованием индикатора на основе краснокочанной капусты

Продукты питания, имеющие яркую окраску, особенно изготовленные из фруктов и овощей сами могут стать индикаторами [6]. При этом, зная их эту особенность, можно оценить в домашних условиях качество продукта. Например, мы купили гранатовый сок двух производителей и сок из красного винограда. Приливая сок в раствор уксусной кислоты (кислая среда) и в раствор пищевой соды (щелочная среда) мы обнаружили:

- сок виноградный поменял свой цвет и в кислой и в щелочной среде, можно сделать вывод о том, что он натуральный (приложение 8, рис.20);

- сок граната практически свой цвет не изменил, значит, в него добавлены были искусственные красители (приложение 8, рис.21).

Заключение

В ходе увлекательной работы, мы узнали о действиях химических и природных индикаторов в различных средах. Узнали, на какие группы делятся индикаторы, как ведут себя в кислотных, основных и щелочных средах. После проведения ряда опытов мы убедились, что индикаторы в действительности являются веществами, изменяющими окраску в разных средах растворов, что позволяет нам с их помощью определять тип среды (моющих средств, продуктов питания) и выбирать для себя наиболее приемлемые и полезные.

Проведя исследовательскую работу, мы пришли к следующим выводам:

кислотно-основные индикаторы необходимы в химическом анализе, для определения среды растворов;

многие природные растения обладают свойствами кислотно-основных индикаторов, способных изменять свою окраску в зависимости от среды, в которую они попадают (это так называемые, природные индикаторы, ярко окрашенные цветы и плоды растений);

в качестве природных индикаторов можно использовать ярко окрашенные плоды черной смородины, черноплодной рябины, виноградный сок, краснокочанную капусту;

растворы природных индикаторов можно приготовить и использовать в домашних условиях;

природные индикаторы также являются вполне «точными» определителями кислотности жидкостей, как и наиболее «профессиональные» индикаторы: лакмус, фенолфталеин и метиловый оранжевый;

некоторые моющие средства (пемолюкс, комет и др.) имеют сильно-щелочную среду и при их применении необходимо использовать резиновые перчатки для защиты кожи рук от их негативного воздействия, т. к. щелочная среда разрушает жировой слой кожи;

красящие вещества растений в кислой среде дают оттенки красных тонов, в щелочной среде – зеленых, а в нейтральной – розовые.

В завершении работы, хотелось бы сформулировать некоторые рекомендации:

1. Сок столовой свеклы в кислой среде изменяет свой рубиновый цвет на ярко-красный. Зная свойство свекольного сока, можно сделать цвет борща ярким. Для этого к борщу следует добавить немного столового уксуса или лимонной кислоты.

2. "Народный" способ для определения кислотности почвы. Положите в стеклянную посуду 3-4 листа черной смородины или вишни и залейте их стаканом кипятка. Когда вода остынет, бросьте в нее комочек земли. Если вода покраснеет - почва определенно кислая, посинеет - слабокислая, а если станет зеленой - щелочная.

Список литературы:

Приложение 1

Приложение 2

Приложение 3

Приложение 4

Приложение 5

Приложение 6

Средства бытовой химии, подвергнутые анализу

Приложение 7

Приложение 8