V Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

Исследование индикаторных свойств частей растений и их применение

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Шакирова  Р.Р. 1

---

1Муниципальное автономное общеобразовательное учреждение "Гимназия № 16" Кировского района городского округа город Уфа Республики Башкортостан

Козлова  М.А. 1Рачинская  М.В. 2

---

1Муниципальное автономное общеобразовательное учреждение "Гимназия № 16" Кировского района городского округа город Уфа Республики Башкортостан

2Муниципальное автономное общеобра-зовательное учреждение "Гимназия № 16" Кировского района городского округа город Уфа Республики Башкор-тостан

Работа в формате PDF

880.4 KB

Автор работы награжден дипломом победителя III степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителяСвидетельство руководителя

Введение

Лето - одно из самых любимых времен года у многих людей. Большую часть времени все стараются провести на свежем воздухе. Повсюду буйство красок - вокруг много зелени, ярких цветов и ягод.

Однажды летом я заметила, что, когда в ягодный компот попало средство для мытья посуды, то цвет его изменился. Меня это очень заинтересовало, и я спросила, почему так произошло. Оказывается, внутри растений есть вещества-краски, которые могут менять свой цвет и называются они индикаторы (от слова indicate - показывать, указывать). Я начала изучать эту тему.

Актуальность работы: природные индикаторы – помощники человеку. С их помощью можно подобрать более безопасные средства для уборки квартиры, косметику, вырастить более здоровые и красивые культурные плодовые и декоративные растения.

Целью работы является изучение способности растворов, получаемых из растений (отваров, настоев), изменять цвет (индикаторные свойства) и применение этой способности в быту.

Для достижения цели нами были поставлены следующие задачи:

изучить литературу по природным индикаторам;

проверить способность отваров разных частей растений изменять цвет в различной среде;

оценить, может ли эта способность быть полезна людям;

сделать выводы и дать некоторые рекомендации.

Объекты исследования: отвары и настои, полученные из разных частей растений.

Методы исследования: теоретический и практический(взаимодействие каждого раствора с кислым (уксус) и щелочным (раствор соды) растворами.

Гипотеза: мы предположили, что растительные отвары и соки изменяют цвет в растворах с разной средой и эту способность можно применять в быту.

Глава 1. Индикаторы (литературный обзор)

Индика́тор (лат. Indicator - указатель) - соединение, позволяющее визуализировать изменение концентрации какого-либо вещества или компонента [1]. Первое упоминание об индикаторах и красителях было известно еще в Древнем Риме и Древнем Египте [2]. Индикаторы бывают химические и природные.

Принято считать, что Роберт Бойль первым предложил использовать экстракты некоторых растений в качестве индикаторов, поскольку их окраска изменяется при действии кислоты или щелочи. Деятельность Бойля в этой области упоминается во многих источниках, например, в его книге «Опыты и рассуждения о цветах», написанной в 1664 г. [3]. Изучая свойства хлороводородной кислоты, он случайно ее пролил, и она попала на лепестки фиалок сине-фиолетовой окраски. Что удивило Бойля? Окраска фиалок стала ярко-красной. Это явление заинтересовало химика, и он с энтузиазмом взялся за исследование действий кислот на цветки различных растений. Оказалось, что цветки многих растений (роза, васильки и др.) изменяли окраску. Помимо цветковых растений он изучал действие различных сред на лишайники. Одним из таких лишайников был тропический лишайник - лакмус. Фиолетовый раствор лакмуса изменял окраску в кислой среде - становился красным, в щелочной - синим, в нейтральной оставался фиолетовым. Р. Бойль пропитывал бумагу лакмусом и использовал её для определения среды раствора. Лакмусовая бумажка сейчас сравнительно широко используется для экспресс-анализа.

1.1 Химические индикаторы

В химии широко используют индикаторы. В анализе используют различные реакции, протекание которых сопровождается появлением характерных окрашиваний [4]. Различают пять видов химических индикаторов [5].

Самыми распространенными и используемыми в химии являются кислотно-основные индикаторы. Их разбавленные растворы обладают способностью заметно изменять цвет, в зависимости от кислотности раствора [6].

1.2 Природные индикаторы

Природные красители были известны еще древним людям, ими окрашивали ткани и предметы обихода. Окраска растениями требовала умения и времени, а полученные оттенки цветов были устойчивы и красивы. Все растения обладают широким спектром окраски. Цветы имеют цвет от красного до темно-фиолетового. А фрукты: синие сливы, тёмно-фиолетовый виноград, оранжевые апельсины, жёлтые лимоны. Невероятные расцветки листьев у колеусов, а осенние листья вообще вызывают чувство восторга. Причиной такого разнообразия красок являются растительные красители, которых в растительном мире насчитывается около 2000. Они встречаются во всех органах растений: в листьях, плодах, семенах, цветках. У них очень сложные названия. Все пигменты можно разделить на три группы – хлорофиллы, каротиноиды, антоцианы. Например, антоцианы в клетках растений придают цветам колокольчиков синий цвет, делают свёклу бордовой, а незабудку нежно-голубой, тюльпаны красными, фиалки - фиолетовыми. Как же так? Краситель один, а разнообразие столь велико. Антоциан по-разному ведёт себя в разной среде. Если среда кислая, то цвет будет от розового до красного, если нейтральная, то окрасит растение в фиолетовый цвет, если щелочная, то от голубого до синего цвета.

Каротиноиды (каротины и ксантофиллы) придают органам растений золотисто-жёлтую окраску. При разрушении хлоропластов каротиноиды становятся главной краской осени. Откуда осенью появляются антоцианы и каротиноиды в листьях? Они содержатся в растительных клетках вместе с зеленым красителем - хлорофиллом. Но численное преимущество на стороне хлорофилла. С приближением осени вследствие недостатка солнечного света происходит разрушение хлорофилла, антоциан и ксантофилл становятся заметными [7, 9].

Окраска цветов поражает своим многообразием от белого до почти чёрного. "Почти" - потому что чёрный цвет в природе отсутствует. Нам кажутся чёрными насыщенные коричневые, красные, синие цвета. Если бы в природе и были чёрные цветы, то они быстро выгорали бы на солнце и погибали. Чёрный цвет притягивает солнечные лучи и очень хорошо их поглощает. К тому же цветы чёрного цвета не смогли бы выполнять свою главную функцию - привлекать насекомых-опылителей, так как насекомые замечают только яркие цветы. Например, ярко-жёлтые лепестки корзинок подсолнечника и синие воронковидные цветки василька, располагающиеся по краям, лишь привлекают насекомых-опылителей, а тычинки и пестики, с помощью которых растения размножаются, располагаются на внутренних невзрачных мелких цветочках [8].

А есть краситель, который меняет свой цвет в зависимости от условий. Называется он сложно - "рубробрасилхлорид" - это пигмент листьев краснокочанной капусты. Если к соку краснокочанной капусты поочередно добавлять разные растворы - кислые, например, уксус, лимонную кислоту, или щелочные - соды, аммиака, мыла, средства бытовой химии - то можно наблюдать целую цветовую гамму. Краситель рубробрасилхлорид является "индикатором". При изменении кислотности среды от кислой до щелочной, через нейтральную, цвет красителя-индикатора последовательно изменяется так: красный-фиолетовый-синий-зеленый. Не только краснокочанная капуста, но и многие другие растения содержат чуткий к изменению кислотности среды растительный пигмент. Например, бетаин свеклы ярко-красного цвета в кислой среде, но блекнет при уменьшении кислотности. Этим пользуются умелые хозяйки и повара - чтобы свекольный борщ был красивого красного цвета, его подкисляют уксусом или лимонным соком. Заварка чёрного листового чая - тоже индикатор. Если добавить к ней кислый раствор - она обесцвечивается, а в щелочном - коричневый цвет становится более отчетливым, насыщенным [6].

Глава 2. Объекты и методы исследований

Объекты исследования: растворы природных индикаторов, полученные из растительного сырья.

Практический метод исследования: определение изменения окраски природных индикаторов в разных средах.

2.1 Реактивы и оборудование

Реактивы: вода фильтрованная; спирт этиловый, сода пищевая NaHCO_­3­, 9 % раствор уксусной кислоты, нашатырный спирт.

Растительное сырье - листья черной и красной смородины, вишни, малины, шпината, кипрея узколистного (Иван-чай), чая черного листового, винограда девичьего (листья красные). Цветы - бархатцы отклоненные красная брокада, бархатцы высокие крупноцветковые, календула каблуна желтая, календула каблуна оранж, гвоздики турецкой (ярко-розовой одноцветной), вербейника точечного, пеларгонии зональной, цикорий обыкновенный, живокость полевая, каркадэ (лепестки суданской розы), астра белая, петуния лиловая с фиолетовыми прожилками, гвоздика красная, фиалка фиолетовая. Ягоды – клубника садовая, вишня, черная смородина, красная смородина, виноград красный, слива синяя, терн (слива колючая), клюква, рябина черноплодная, черника, малина красная, малина черная, ежевика, брусника, барбарис, клюква. Овощи – свекла, томат, морковь, перец болгарский (красноплодный), краснокочанная капуста, белокочанная капуста.

Оборудование: штатив, пробирки, пипетки, стаканы стеклянные, стеклянная воронка; фильтровальная бумага; универсальная индикаторная бумага.

2.2 Методики выполнения эксперимента

Приготовление растворов природных индикаторов: большую частьрастворов природныхиндикаторов готовили в фильтрованной воде, в микроволновой печи при мощности 800 Вт в течение 7 минут. После охлаждения растворов их отфильтровали через бумажный фильтр на воронке и определяли рН приготовленных растворов универсальной индикаторной бумагой. Индикаторы на основе краснокочанной капусты и черной малины готовили на основе спирта этилового - заливали сырье спиртом и оставляли в темном месте на 3-4 недели.

Проведение анализа: В 3 пробирки наливали по 3 мл водного или спиртового раствора, полученного из соответствующего растительного сырья, первую пробирку оставляли для сравнения, во вторую - добавляли 3 мл щелочного раствора, в третью 3 мл 9 % раствора уксусной кислоты. Результаты заносили в таблицу.

Оценка среды бытовой химии: В пробирку наливали 3 мл жидкого средства (в случае сухих веществ или гелей готовили концентрат в фильтрованной воде) и добавляли 3 мл спиртового настоя краснокочанной капусты, визуально оценивали изменение окраски раствора и его интенсивность.

Демонстрационный опыт "Фантастические цветы": в закрытую емкость помещали ватный диск, смоченный в первом случае нашатырным спиртом, во втором - уксусной кислотой, рядом помещали ярко-окрашенный цветок (пеларгонию, гвоздику, розу) и наблюдали за изменением окраски [10].

Глава 3. Результаты и их обсуждение

Мы проанализировали 8 отваров листьев садовых и полевых растений (к этой же группе отнесли черный листовой чай), 16 отваров цветов, 15 отваров ягод и 6 отваров овощей, всего 45 объектов.

3.1 Влияние среды на цвет отвара листьев растений

При анализе листьев садовых и полевых растений мы обнаружили, что окраска отваров зеленых листьев (без цветных прожилок или опушения) из светло-желтого в щелочной среде становилась более насыщенного желтого цвета, а в кислой среде окраска исчезала, в некоторых образцах бесцветный раствор принимал розоватый оттенок (таб. 3.1.1).

Таблица 3.1.1.

Влияние среды на цвет водного отвара листьев разных растений

Исключение по насыщенности цвета наблюдали у отвара черного листового чая - он был коричневого цвета, в отличие от светло-желтого цвета отваров свежих листьев садовых растений. В отличие от остальных образцов, чай, который мы покупаем в магазине - это листья высушенные и обработанные, значит, их нельзя сравнивать с остальными листьями, которые мы брали свежими. Однако тенденция та же - в щелочной среде цвет отвара листьев чая стал более насыщенным, а в кислой - более светлым.

Один из образцов в этой группе - листья девичьего винограда, осенью они красного цвета. Водный отвар этих листьев был коричневого цвета, в щелочной среде он стал зеленым, а в кислой - розовым. Вероятно, в этих листьях содержатся какие-то вещества, красители, которых нет в зеленых листьях остальных растений этой группы.

3.2 Влияние среды на цвет отвара цветов, ягод и овощей

Самое большое разнообразие мы наблюдали при исследовании красителей цветов (таб.3.2.1) и ягод (таб.3.2.2).

Было проверено 16 отваров цветов. Исследуемые цветы были собранны в естественных условиях (на лугах, полях, с клумбы в саду, с комнатных растений), значит, мы можем с уверенностью сказать, что лепестки цветов содержат только естественные природные красители, в отличие, допустим, от лепестков цветов, которые продают в магазинах. Вероятно, "магазинные" цветы могут подкрашивать (или усиливать и менять окраску) разными неизвестными нам способами для получения ярких и необычных цветов, нехарактерных для натуральных растений.

Таблица 3.2.1

Влияние среды на цвет отвара цветов

Оказалось, что водные отвары почти всех цветов были от желтого до коричневого и при добавлении щелочного раствора не сильно изменялись - яркого контраста мы не наблюдали. При добавлении кислоты растворы (отвары) либо обесцвечивались (при этом наблюдался розоватый оттенок раствора), либо становились розовыми разной насыщенности. Вероятно, отвары цветов больше подходят для определения кислых растворов, чем щелочных. В таблице выделяются данные, полученные при проверке отвара лепестков суданской розы (чая каркадэ). Этот раствор мы отнесли к группе цветов, так как, несмотря на название "чай", этот напиток получают из сушеных лепестков. Как заготавливаются лепестки нам неизвестно, соответственно, и сравнивать результаты с результатами, полученными при анализе других лепестков, мы не можем, но, в целом, закономерность та же, что и для других отваров цветов.

Таблица 3.2.2.

Влияние среды на цвет отвара ягод

Отвары яркоокрашенных ягод были такого же цвета, как сами ягоды и основной цвет оставался таким же при добавлении кислого раствора, хотя оттенки менялись в достаточно широких пределах - отвары красных ягод давали оттенки от светло-розового до насыщенных малиновых и коралловых оттенков. При добавлении щелочи цвета менялись очень контрастно. Можно сказать, что отвары ярко-окрашенных ягод болеше подходят для определения щелочных, чем кислых растворов.

Из овощей (таб.3.2.3) можно выделить краснокочанную капусту, цвет ее отвара изменялся очень контрастно - синий в водном отваре, розовый - в кислой среде, зеленый - в щелочной. При исследовании отваров овощей красного и оранжевого цвета мы наблюдали следующую тенденцию: цвет водного отвара и отвара при добавлении кислоты был один и тот же - светло-красный или светло-оранжевый, при добавлении щелочного раствора - цвет изменялся на светло-желтый (бурый в отваре свеклы).

Таблица 3.2.3

Влияние среды на цвет отвара овощей

Из отваров овощей в качестве природного индикатора можно использовать настой или отвар краснокочанной капусты, остальные отвары - малочувствительны к изменению среды.

3.3 Применение природного индикатора из краснокочанной капусты для определения среды в средствах бытовой химии.

Мы использовали раствор краснокочанной капусты в качестве индикатора для определения кислотности некоторых средств бытовой химии и косметики. рН кожи человека, как правило, слабо-кислая, в диапазоне значений от 4 до 6. Физиологическая роль кислой поверхности кожи заключается в выполнении защитных механизмов против вторжения различных микроорганизмов. Моющие средства на основе поверхностно-активных веществ имеют нейтральную или кислую среду (рН ≤ 7) по сравнению с мылом, которое обычно щелочного характера (рН~10). Мыло и различные моющие средства очень сильно раздражают кожу. Известно, что многие кожные заболевания характеризуются повреждением барьерной функции кожи. Для поддержания кислотной мантии и целостности кожи необходимо беречь ее от воздействия агрессивных сред [11].

Водный или спиртовый раствор краснокочанной капусты можно использовать в домашних условиях в качестве индикатора. Он отличается от других природных индикаторов тем, что очень чувствителен к изменению среды (в отличие от других природных индикаторов, у настоя краснокочанной капусты широкая шкала цветности - среду можно определить вплоть до единиц по шкале рН), поэтому с его помощью можно предположить насколько агрессивно то или иное средство по отношению к нашей коже (Таб.3.3.1). Например, средство для очистки канализации "Крот" обладает ярко-выраженной щелочной средой, а средство для очистки сантехники "Tiret" имеет кислую среду. При их использовании необходимо надевать перчатки для защиты рук.

Было изучено несколько средств для мытья посуды: "Аос", "Fairy", "BioMio", "MeineLiebe". Установлено, что наименьшей щелочной реакцией обладает средство "MeineLiebe". Его мы решили использовать дома.

Таблица 3.3.1.

Использование раствора краснокочанной капусты

в качестве индикатора

3.4 Демонстрационный опыт "Фантастические цветы"

Мы провели несколько экспериментов с цветами. Помещали в закрытую емкость ватный диск, смоченный уксусной кислотой или нашатырным спиртом и рядом помещали цветок. Проверили цветы красного цвета: пеларгонию зональную, гвоздику и розу (таб.3.4.1).

Таблица 3.4.1

"Фантастические цветы"

В банке с кислотой цвет растения сохранялся, с нашатырным спиртом изменялся. На рисунке 3.4.1 представлен эксперимент с цветами пеларгонии зональной. В левой емкости (цвет практически не отличается от исходного) находится диск, смоченный уксусной кислотой, в правой - диск, смоченный нашатырным спиртом (лепестки, начиная с краев, окрашиваются в синий цвет, который затем переходит в рыже-коричневый).

Рис.3.4.1. Эксперимент «Фантастические цветы».

Выводы по результатам работы

Наша гипотеза подтвердилась. В листьях, ягодах, цветах растений содержатся пигменты, обладающие индикаторными свойствами. Раствор индикатора из растений можно достаточно просто приготовить в домашних условиях.

Растворы природных индикаторов обладают преимуществом перед химическими индикаторами: они экологически чистые и безвредные, при их приготовлении не используются химические реактивы. Но они достаточно быстро портятся, для предотвращения этого можно использовать их спиртовые растворы.

Чаще всего окраска водного отвара практически всех исследованных ягод и цветов красных оттенков и этого же отвара с добавленной кислотой (уксусом) совпадают, но цвет отвара при добавлении кислоты становится светлее. При добавлении щелочного раствора цвет меняется очень заметно. Он может быть коричневым, зеленым, синим, фиолетовым разной интенсивности.

У цветов желтых, голубых и фиолетовых оттенков цвет водных отваров имеет желтые, желто-зеленые и коричневые оттенки, которые в кислой среде переходят в розовые или обесцвечиваются, но тоже имеют розовый оттенок. В щелочной же среде цвет отвара становится желто-зеленым или желто-коричневым, т.е. основной цвет в щелочной среде совпадает с цветом водного отвара у большинства исследованных цветов.

Исходя из этих наблюдений, можно предположить, что внутри овощей и ягод среда кислая (этот вывод подтверждают вкусовые ощущения после употребления в пищу практически всех ягод и некоторых плодов, например, помидоров), а внутри цветов желтых, голубых и фиолетовых оттенков нейтральная или щелочная.

Цвет ярко-окрашенных частей растений (листьев, цветов, ягод, плодов) зависит не только от окрашивающих веществ, но и среды жидкостей внутри растений (их частей).

Рекомендации

Многие растения обладают индикаторными свойствами, их можно использовать в домашних условиях. Растворы природных индикаторов легко приготовить самостоятельно. Они безвредны и безопасны для человека;

Наиболее ярко-выраженными индикаторными свойствами, из исследованных растворов, обладает краснокочанная капуста. Раствор краснокочанной капусты в воде имеет синюю окраску и сильно реагирует на кислотность среды. В щелочной среде раствор зеленого цвета, а в кислой – ярко-розовый.

В сельском хозяйстве также можно использовать растворы природных индикаторов, например, для определения кислотности почв. Урожайность многих растений зависит от характера почв. Известно, что большинство зерновых культур, овощей дают высокий урожай на щелочных почвах. Морковь и редька хорошо плодоносят на подкисленных почвах. А цветы, азалия и гортензия, хорошо цветут только на кислых почвах.

Заключение

В результате нашего исследования мы убедились, что приготовить раствор индикатора в домашних условиях из растений достаточно просто. Если необходимо проверить кислотность среды, то мы можем это сделать самостоятельно и безопасно для человека. При помощи растворов природных индикаторов можно проверить кислотность среды средств бытовой химии и косметики, оценить их безопасность для человека.

Таким образом, цель исследования достигнута. Гипотеза подтвердилась.

Широкое применение могут найти природные индикаторы в сельском хозяйстве. Ими можно проверить кислотность почв на своем приусадебном участке или для выращивания комнатных растений.

Планы

Мне очень понравилось изучать растения и их необычные свойства. В будущем я планирую более подробно изучать способность растений изменять цвет, а также другие их свойства, например, свойства красителей комнатных декоративно-лиственных растений.

Список литературы

https://ru.wikipedia.org/wiki.

http://www.alhimikov.net/himerunda/indikatory.html.

Бишоп Э. Индикаторы. Т 1. М.: "Мир", 1976.- 496 с.

Кунце У., Шведт Г. Основы качественного и количественного анализа. М.: "Мир", 1997. - 424 с.

Крешков А.П. Аналит.химия Т.1 Качественный анализ. Москва, 1975. - 370 c.

Основы аналитической химии. Под ред. Золотова Ю.А. М.: "Высшая школа", 1999.- 2 т.

Аксенова О. Невероятная ботаника. Ростов н/Д.: "Феникс", 2016.

Иванова Н. Окошко в химию. Ростов н/Д.: "Феникс", 2016.

Петров В.В. Из жизни зеленого мира. М.: "Просвещение", 1975. 157 с.

Ольгин О. Опыты без взрывов. Изд. второе, переработанное. - М.: "Химия", 1986.-192 с.

http://www.dermatology.ru/translation/ph-kozhi-ot-fundamentalnoi-nauki-k-osnovnomu-ukhodu

2