V Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

Водородный показатель

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Чубаров  С.В. 1

---

1 МОАУ «СОШ №63 г. Оренбурга»

Борисова  Е.И. 1

---

1 МОАУ «СОШ №63 г. Оренбурга»

Работа в формате PDF

180.1 KB

Автор работы награжден дипломом победителя III степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителя

Введение

Велика роль водородного показателя в самых различных явлениях и процессах - и в природе, и в технике. Многие производственные процессы в пищевой, химической и других отраслях промышленности , а также биологические процессы протекают лишь при определенной реакции среды, это говорит об актуальности темы. Особенно важна роль рН в жизнедеятельности растенийи животных. Наш организм нормально функционирует только тогда, когда и в крови, и в тканевой жидкости различных органов поддерживается определённое соотношение ионов H⁺ и OH^-

Лишь при этом условии в организме протекают сложнейшие процессы белкового, углеводного, жирового обмена. Достаточно сказать, что сдвиг рН крови больше, чем на 0,4 оказывается гибельным для организма. А ведь с пищей в организм человека вводятся ионы и H⁺ и OH^-в самых различных соотношениях. Но в организме имеются многочисленные системы, которые поддерживают на определенном уровне рН крови и тканей даже при очень резких изменениях характера пищи. Это буферные растворы. С помощью буферных растворов регулируются и рН химических процессов в лаборатории и на производстве. Определенная реакция почвенного раствора необходима для нормального развития различных культур в сельском хозяйстве. Для снижения кислотности почв применяют известкование( введение в почву молотого гипса). Значение pH является важным индикатором контроля качества мяса, рыбы и продуктов произведенных из них. Значение pH влияет на способность связывания воды, цвет, вкус, время приготовления пищи ,и срок годности.

Цель работы - изучить понятие «водородный показатель» и выяснить влияет ли химическое превращение пищи на значение рН.

Для реализации цели были решены следующие задачи:

-выяснены понятия об ионном произведении воды, водородном показателе;

-изучены кислотно-основные индикаторы;

-проведена экспериментальная работа по выяснению влияния химического превращения пищи на значение рН.

Объект исследования: продукты питания.

Предмет исследования: значение рН.

Гипотеза исследования: химическое превращение пищи влияет на значение рН и значение рН влияет на химическое превращение пищи.

При выполнении работы применялись: теоретические, эмпирические и математические методы исследования.

Понятия об ионном произведении воды, водородном показателе

Вода - очень слабый электролит.

Уравнение диссоциации воды следующее:Н₂О⇄Н⁺ + ОН^-

Константа диссоциации воды при температуре 25° С равна: _

Так как диссоциирует ничтожно малое количество молекул воды, то величина равновесной концентрации воды [Н₂О] очень мала, ей можно пренебречь. Тогда уравнение для константы диссоциации воды можно записать следующим образом:

Кд·[Н₂О]=1·10^-14

Обозначим Кд·[Н₂О]= К_Н2О

Следовательно:

К_Н2О = [Н⁺]· [ОН^-]=1·10^-14

Величину К_Н2О называют ионным произведением воды. Она показывает, что произведение концентраций ионов водорода Н⁺ и гидроксид - ионов ОН^- в воде и водных растворах –постоянно и при температуре 25° С равно 1·10^-14 .

Ионное произведение воды не зависит от концентрации ионов водорода и гидроксид- ионов .В кислых растворах больше концентрация ионов Н⁺ ,в щелочных –ОН^- .Но какова бы ни была реакция раствора, ионное произведение воды остается постоянным . Поэтому при увеличении концентрации ионов Н⁺(путем выделения кислоты) уменьшается концентрация гидроксид - ионов ОН^- .

Наоборот, если к воде добавить щелочь, то концентрация гидроксид- ионов повысится, а концентрация ионов Н⁺ понизится. Таким образом, концентрации [Н⁺]и [ОН^-] взаимосвязаны: чем больше одна величина ,тем меньше другая , и наоборот.

Ионное произведение воды позволяет для любого раствора вычислить концентрацию гидроксид – ионов ОН^- , если известна концентрация ионов

водорода , и наоборот.

В водных растворах различают три типа среды:

*нейтральную: [Н⁺]= [ОН^-]=10^-7 моль/л;

*кислую: [Н⁺]˃ [ОН^-];[Н⁺]˃10^-7 моль/л;

*щелочную: [Н⁺]˂ [ОН^-];[Н⁺]˂10^-7 моль/л.

Для удобства реакцию раствора выражают через водородный показатель рН. Это понятие было введено в 1909 году датским химиком Сёренсом. Показатель называется рН, по первым буквам латинских слов: «Pondus hydrogenii»-«Пундус гидрогениум» («Вес(сила)водорода»)

Водородный показатель рН - это отрицательный десятичный логарифм концентрации ионов водорода:

рН = - lg[Н⁺]

Соотношение между реакцией среды, выраженной концентрацией ионов Н⁺, и значением рН можно представить в виде схемы:

[Н⁺],моль/л 10⁰ 10^-3 10^-7 10^-11 10^-14

рН 0 3 7 11 14

Среда: [0;3]-сильно - кислая, [3;7]-слабо - кислая, [7;11]-слабо - щелочная,[11;14]-сильно- щелочная.

рН=7-среда нейтральная;

рН˂7-кислая среда ;

рН˃7-щелочная среда.

Качественно рН водных растворов электролитов определяют с помощью индикаторов.

2.Кислотно-основные индикаторы

Индикаторы- это вещества, изменяющие свою окраску в зависимости от концентрации ионов Н⁺ или ОН^- в растворе .

По своей природе индикаторы являются слабыми кислотами (кислотный индикатор Hind) или слабыми основаниями (основный индикатор IndOH). Молекулы индикатора и его ионы имеют различную окраску .

Лакмус- природное органическое соединение двухцветный индикатор (в щелочной среде его настойка приобретает синий цвет ,а в кислотной – красный).

Лакмус – кислотный индикатор НInd . Его диссоциацию можно представить следующей схемой:

увеличение концентрации ионов ОН^-→

НInd ⇄ Н⁺ + Ind^-

красная окраска синяя окраска

← увеличение концентрации ионов Н ⁺

Согласно принципу Ле Шателье увеличение концентрации ионов Н⁺ смещает равновесие диссоциации лакмуса а сторону образования недиссоциированных молекул НInd, поэтому в кислой среде лакмус приобретает красный цвет. Уменьшение концентрации ионов Н⁺+ Н₂О), смещает равновесие диссоциации индикатора в сторону образования ионов Ind^- придают раствору фиолетовую окраску.

Метиловый оранжевый (метилоранж)- основный индикатор IndOH. Его диссоциацию можно представить следующей схемой :

увеличение концентрации ионов Н^+→

IndOH ⇄ Ind⁺ + OH^-

желтая окраска красная окраска

← увеличение концентрации ионов ОН^-

Увеличение концентрации ионов ОН^- - смещает равновесие диссоциации индикатора в сторону образования молекул IndOH (окраска желтая) ,повышение концентрации ионов Н⁺ в сторону образования ионов Ind⁺ (окраска красная)

Фенолфталеин - бесцветное кристаллическое органическое вещество сложного строения . Фенолфталеин малорастворим в воде и растворяется в этиловом спирте .Он может служить кислотно-основным индикатором: его раствор, бесцветный в нейтральной и кислотной средах, в щелочной среде становится малиново-красным . Раствор фенолфталеина для химических лабораторий обычно содержит 0,1г. этого индикатора в 125 мл. этилового спирта и 25 мл. воды. Синтез фенолфталеина впервые осуществил в 1871 г. немецкий химик Адольф фон Байер.

Кроме указанных выше индикаторов , применяют универсальный индикатор( смесь нескольких индикаторов ), который можно использовать для определения рН растворов в интервале от 0 до 14.

Биологическая роль водородного показателя среды

Биологические системы характеризуются определёнными и постоянными значениями рН. Так рН крови в норме составляет 7,36. рН слюны =6.8. рН желудочного сока =1.7. рН мочи=5,8 с возможными незначительными отклонениями в ту или другую сторону. Постоянство водородного показателя среды является залогом нормальной работы организма, что объясняется следующими причинами:

1)Протоны H⁺ являются катализаторами многих биохимических превращений,

2)Ферменты и гормоны проявляют биологическую активность в определенном интервале рН. Так, например, пепсин желудочного сока активен при рН от 1,5 до 2, каталаза (фермент крови) активен при рН=7.3;

3) Белковые вещества способны денатурировать при колебаниях рН. что вызывает необратимые изменения в структуре протоплазмы

4) Незначительные изменения концентрации ионов водорода в крови и межтканевых жидкостях вызывают значительные изменения величины давления внутриклеточной жидкости. Организм человека располагает тонкими механизмами регуляции происходящих в нем физиологических и биохимических превращений, направленных на поддержание кислотно-основного баланса. Это координация называется кислотно-основным гомеостазом. Гомеостаз осуществляется через кровь, тканевую жидкость, лимфу с помощью ферментов, гормонов, при участии нервных регулирующих механизмов. Пр.: продуктом окисления органических веществ является СО₂, постоянно продуцируемый в кровь, где он связывается в молекулу угольной кислоты, которая диссоциирует, вызывает подкисление крови:

СО₂+Н₂0=Н₂СО₃; К₂СОзН⁺+НСО₃^-.

При уменьшении рН крови на сотые доли происходит раздражение хеморецепторов, которые посылают импульс в дыхательный центр продолговатого мозга. Это, в свою очередь, возбуждает дыхательную мускулатуру. Т.о. усиливаются процессы вдоха и выдоха, и избыточный СО₂ удаляется из организма. Отклонения реакции среды в живом организме в кислую сторону называется ацидозом, а щелочную - алкалозом. Тяжелое коматозное состояние наступает при колебаниях рН крови порядка 0.3, а отклонение на 0.4 от нормального значения рН вызывают смертельный исход. Т.о. постоянство рН всех систем организма обеспечивает его нормальную жизнедеятельность, а контроль величины рН дает возможность выявить патологию и правильно поставить диагноз.

4. Водородный показатель и болезни человека

Незнание уровня своего рН может привести к печальным последствиям

А) Повышенная кислотность в организме.

Дисбаланс рН организма у большинства людей проявляется в виде повышенной кислотности (состояние ацидоза). В этом состоянии организм плохо усваивает минералы, такие как кальций, натрий, калий и магний, которые, благодаря избыточной кислотности, выводятся из организма. От недостатка минералов страдают жизненно важные органы.

Не выявленный вовремя ацидоз может вредить организму незаметно, но постоянно в течение нескольких месяцев и даже лет. Злоупотребление алкоголем часто приводит к ацидозу. Ацидоз может возникать, как осложнение диабета.

При ацидозе могут появиться следующие проблемы:

· Заболевания сердечнососудистой системы, включая стойкий спазм сосудов и уменьшение концентрации кислорода в крови.

· Прибавление в весе и диабет.

· Заболевания почек и мочевого пузыря, образование камней.

· Снижение иммунитета.

· Увеличение вредного воздействия свободных радикалов, которые могут способствовать онкогенезу.

· Хрупкость костей вплоть, до перелома шейки бедра, а также других нарушениях опорно-двигательного аппарата, как например, образование остеофитов (шпор).

· Появление суставных болей и болевых ощущений в мышцах, связанных с накоплением молочной кислоты.

· Общая слабость.

Б) Повышенное содержание щелочи в организме.

При повышенном содержании щелочи в организме, а это состояние называется алкалоз, также как при ацидозе, нарушается усвоение минералов. Пища усваивается гораздо медленнее, что позволяет токсинам проникать из желудочно-кишечного тракта в кровь. Повышенное содержание щелочи в организме опасно и трудно поддается корректировке. Как правило, оно является результатом употребления лекарств, содержащих щелочь.

Повышенное содержание щелочи может спровоцировать:

· Проблемы с кожей и печенью.

· Сильный и неприятный запах изо рта и тела.

· Активизацию жизнедеятельности паразитов.

· Разнообразные аллергические проявления, в том числе связанные с пищей и загрязнением окружающей среды.

· Обострение хронических заболеваний.

· Запоры и другие проблемы с кишечником.

При попадании вируса гепатита, организм меняет кислую среду крови в сторону щёлочной, т. е. увеличивает PH-крови, так как для этого вируса более опасной средой является щелочная.

Некоторые напитки с низким pH усиливают симптомы рефлюкса при эзофагите. К таким напиткам относятся кока-кола и пепси-кола (pH=2,5), красное вино (pH=3,25) и апельсиновый сок (pH=3,5).

Известно, что pH фруктовых соков и газированных напитков очень низок, что способствует распространению эрозий.

Распространено заблуждение, что основная проблема для человека - это повышенная кислотность желудка. От нее изжога и язва.

На самом деле, гораздо большую проблему представляет пониженная кислотность желудка, которая встречается во много раз чаще.

Соляная кислота убивает попадающие в желудок микробы и различные паразиты. Кроме того, соляная кислота запускает пищеварение во всем желудочно-кишечном тракте, благодаря чему микробы и паразиты расщепляются пищеварительными ферментами.

Недостаток соляной кислоты создает идеальные условия для колонизации кишечного тракта различными бактериями, простейшими и червями.

Таким образом, повышенная кислотность и повышенная щелочность среды, взаимодействующей с живыми клетками, является неблагоприятным фактором. Нижние (базальные) клетки эпидермиса омываются плазмой крови, величина рН которой составляет 7,2 +/- 0,1 и которая обладает определенной буферной емкостью. Буферная емкость плазмы крови и является причиной того, что мы с Вами, уважаемый читатель, еще не "облезли" применяя косметические композиции кислого характера с величиной рН, равной 5.5. Мы, образно говоря, живы благодаря реализации защитного механизма, связанного с буферной емкостью плазмы крови, которая обеспечивает поддержание величины рН на оптимальном уровне даже при воздействии достаточно сильных кислотных или щелочных агентов.

Водородный показатель (рН) и кровь: повышение водородного показателя крови на 0,15 единицы рН увеличивает перенос кислорода кровью на 60%.Водородный показатель (рН) и иммунитет.

Оптимальными показателями водородного показателя (рН) для иммунитета будет 7,41-7,45. При таком водородном показателе иммунитет имеет высочайшую активность, и такой водородный показатель максимально угнетает патогенную инфекцию. При таком водородном показателе идеально происходят обменные процессы в нашем организме. Водородный показатель (рН) и боль.Боль – сигнал, предупреждающий о том, что понижение уровня водородного показателя (рН) в указанном месте в самое ближайшее время грозит клеткам кислотными ожогами. Боль, которая не вызвана инфекцией или травмой, - это сигнал недостатка щелочной воды в области, где эта боль ощущается. Боль – это просьба организма о щелочной воде, необходимой для нейтрализации и вымывания кислотных отходов из пораженного обезвоживанием участка.

5.Экспериментальная работа и ее результаты.

Опыт № 1 Химическое превращение под названием «засолка».

Цель опыта: Некоторые предпочитают соленые огурцы, а кому – то нравятся обычные свежие огурцы. Как же отличается рН этих продуктов?

Обзор: Засолка представляет собой химический процесс ,который используют для консервирования продуктов.

Гипотеза: Предположим, что соленые огурцы будут иметь низкое значение рН. Ход опыта: Выдавить небольшое количество свежего огурца в одну пробирку и сока соленого огурца в другую. Определить значение рН сока огурцов с помощью универсальной индикаторной бумагой. Результаты pH сока огурцов представлены в таблице 1.

Таблица 1- Результаты pH сока огурцов

Вывод: соленые огурцы имеют более низкое значение рН по сравнению со свежими.

Опыт № 2 Тест на прокисшее молоко.

Цель опыта: Молоко может нормально пахнуть, но при этом оно может быть уже прокисшим . Можно ли проверить, скисло молоко или нет, не пробуя его на вкус?

Обзор: Обычно молоко хранится в холодильнике и поэтому долго остается свежим.

Когда молоко прокисает, образуется кислота. Если в молоке образуется кислота, может, стоит проверить значение его рН ?

Гипотеза: Предположим, что, зная значение рН , можно определить, прокисло молоко или нет.

Ход опыта: Налить немного свежего молока в химический стаканчик. При помощи универсальной индикаторной бумаги ,определить его рН и записать полученное значение. Затем оставить стаканчик при комнатной температуре на несколько дней . Раз в день определять значение рН оставленного молока.

Вывод: по изменению значения рН можно проверить скисло молоко или нет ; чем ниже значение ,тем кислее молоко.

Опыт № 3 Как влияет приготовление пищи на рН ?

Цель опыта: Выяснить, меняет ли процесс готовки значение рН продуктов?

Обзор: В процессе приготовления пища может немного измениться. Некоторые продукты после приготовления имеют совершенно другой вкус, чем в сыром виде.

Иногда в процессе приготовления из продуктов выводятся витамины. Особенно водорастворимые, такие как витамин С. Меняет ли в таком случае приготовление и рН продуктов?

Гипотеза: Предположим , что рН лукового сока меняется в процессе готовки.

Ход опыта: Нарезать лук, при помощи пресса для чеснока ,выжать в фарфоровую чашку сок из кусочков лука . Определить значение рН, используя спиртовку. После того как остынет, снова измерить значение рН. Результаты pH представлены в таблице 2.

Таблица 2- Результаты pH при приготовлении

Вывод: приготовление пищи влияет на рН ;свежий сок лука имеет слабо – кислотную реакцию среды , вареный сок лука –нейтральную.

Опыт № 4 Влияние значения рН на продолжительность варки овощей

Цель опыта: Выяснить, как влияет значение рН на продолжительность варки овощей.

Обзор: Реакция среды влияет на гидролиз протопектина неодинаково у разных овощей.

Гипотеза: Предположим ,что , значение рН влияет на продолжительность варки овощей.

Результаты pH представлены в таблице 3.

Таблица 3- Результаты pH при варке овощей

Вывод: при повышении кислотности среды с 6 до 4 время варки овощей увеличивается, при повышении кислотности среды с 4 до 2 время варки овощей уменьшается .

Заключение

В данной работе были рассмотрена понятия об ионном произведении воды, водородном показателе, кислотно-основные индикаторы, проведена экспериментальная работа по выяснению влияния химического превращения пищи на значение рН. Опираясь на представленный материал ,можно сделать следующие выводы:

Величину К_Н2О называют ионным произведением воды. Она показывает что произведение концентраций ионов водорода Н⁺и гидроксид – ионов ОН^-

В водных растворах различают три типа среды :

*нейтральную: [Н⁺]= [ОН^-]=10^-7 моль/л;

*кислую: [Н⁺]˃ [ОН^-];[Н⁺]˃10^-7 моль/л;

*щелочную: [Н⁺]˂ [ОН^-];[Н⁺]˂10^-7 моль/л.

Водородный показатель рН- это отрицательный десятичный логарифм концентрации ионов водорода : рН= -lg[Н⁺]

Качественно рН водных растворов электролитов определяют с помощью индикаторов.

Индикаторы- это вещества, изменяющие окраску , в зависимости от концентрации ионов в растворе. На практике для этого применяют кислотно - основные индикаторы такие как лакмус, метиловый оранжевый, фенолфталеин.

По результатам исследования было выявлено, что

-соленые огурцы имеют более низкое значение рН (5) по сравнению со свежими (6)

-по изменению значения рН можно проверить скисло ли молоко или нет; чем ниже значение, тем кислее молоко.

-приготовление пищи влияет на значение рН; свежий сок лука имеет слабо -кислотную реакцию среды (6), вареный сок лука –нейтральную (7).

-при повышении кислотности среды с 6 до 4 время варки овощей увеличивается , при повышении кислотности среды с 6 до 2 время варки овощей уменьшается.

Список использованных источников:

1. Боннет, Б . Химия без лаборатории . Увлекательные опыты и развлечения/ Б. Боннет и Д. Кин ;пер. с англ. Н. Харламовой.- М, ; АСТ: Астрель, 2008.- 127 с.

2. Габриелян, О.С. Химия . 11 класс: учеб. для общеобразоват. учреждений/ О.С габриелян , Г.Г Лысова .- 5 –е изд., стереотип. – М .:Дрофа, 2005.-362 с.

3. Новошинский, И.И. Химия 10 кл.: Учеб .для общеобразоват. учреждений / И.И Новошинский, Н.С .Новошинская.- М.: ООО «Издательство Оникс» : ООО Издательство «Мир и Образование», 20006.- 352 с.

4. Степин Б.Д Занимательные задания и эффектные опыты по химии/ Б.Д Степин, Л.Ю Аликберова.-М.:Дрофа ,2002.-432 с.

18