Использование природных индикаторов в быту для определения среды растворов

VI Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке

Использование природных индикаторов в быту для определения среды растворов

Утробина  К.Н. 1
1Муниципальное бюджетное общеобразовательное учреждение основная общеобразовательная школа № 20 им. М.Ю. Козлова
Громова  А.Р. 1
1Муниципальное бюджетное общеобразовательное учреждение основная общеобразовательная школа № 20 им. М.Ю. Козлова
Автор работы награжден дипломом победителя II степени
Текст работы размещён без изображений и формул.
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF

Введение

Использование пигментов для определения среды раствора впервые было научно применено Робертом Бойлем в 1663 году. В то время Бойль проводил опыт по получению серной кислоты. В его кабинете садовником была оставлена корзина с темно-фиолетовыми фиалками, букетик которых он взял с собой в лабораторию. На букет, лежащий на столе, случайно, попали брызги соляной кислоты. Чтобы промыть цветы, Бойль опустил их в стакан с водой, через некоторое время он заметил, что темно-фиолетовые фиалки стали красными. Он обнаружил, что и другие кислоты окрашивают лепестки фиалок в красный цвет. Ученый подумал, что если приготовить из лепестков настой и добавить немного к исследуемому раствору, то можно узнать, кислый он или нет. Бойль начал готовить настои из целебных трав, древесной коры, корней растений. В своей книге «Опыты и рассуждения о цветах», написанной в 1664 году, Бойль предлагает метод выявления индикаторного свойства сока фиалок. Однако самым интересным оказался фиолетовый настой, полученный из определенного лишайника. Кислоты изменяли его цвет на красный, а щелочи – на синий. Бойль распорядился пропитать этим настоем бумагу и затем высушить ее. Так была создана первая лакмусовая бумажка, которая теперь имеется в любой химической лаборатории. Таким образом, было открыто одно из первых веществ, которые Бойль уже тогда назвал индикаторами.1

С развитием химии число кислотно-щелочных индикаторов росло. Так в XIX веке в результате химического синтеза были получены индикаторы: фенолфталеин, введенный в науку в 1871 году немецким химиком А.Байером, и метилоранж, открытый в 1877году И.П. Гриссом.

В настоящее время известно несколько сотен индикаторов, способных не только определить среду раствора, но и наличие тех или иных веществ и показателей. К ним относят кислотно-основные, универсальные, окислительно-восстановительные, адсорбционные, флуоресцентные, комплексонометрические и другие. Индикаторы могут быть синтезированы или иметь естественное происхождение – природные индикаторы, которые могут быть получены приготовлением водной вытяжки из частей растений. Так, например, еще Фарадей считал пригодным использование экстракта краснокочанной капусты в качестве индикатора.

В быту современного человека используются растворы, которые должны иметь определенный уровень pH, изменение уровня pH раствора может привести к изменению свойств используемого раствора. Была выдвинута гипотеза о возможности использования индикаторов природного происхождения для исследования среды растворов, используемых в быту.

Темой исследования была выбрана: «Использование природных индикаторов в быту для определения среды растворов веществ».

Цель исследования: исследовать растворы веществ, полученных из растительного сырья.

Объект исследования – растворы, приготовленные из растительного сырья.

Предмет исследования – изменение цвета растворов, приготовленных из растительного сырья, в зависимости от уровня pH среды.

Исходя из цели, объекта и предмета исследования были определены следующие задачи:

Произвести критический анализ литературных источников (учебных пособий, справочных пособий, периодической печати); дать характеристику химических индикаторов и природных индикаторов, охарактеризовать механизм действия кислотно-основных индикаторов, ознакомится с перечнем растений, которые могут быть использованы в качестве индикаторов.

Ознакомится с методикой проведения анализа, выбрать инструментарий.

Произвести отбор проб для анализа, выполнить подготовительные работы.

Провести качественный анализ растворов природных индикаторов растворами кислот и щелочей, выбрать индикаторы, подходящие для определения среды растворов, имеющих кислую или щелочную среду.

Предположить рекомендации по использованию кислотно-основных природных индикаторов в быту.

Глава I. Индикаторы как система оценки состояния

Виды индикаторов. Кислотно-основные индикаторы. Принцип работы кислотно-основных индикаторов

Индикаторы (лат. indicator указатель) — вещества, изменяющие свой цвет в присутствии тех или иных химических соединений в исследуемой среде (в растворе, в воздухе, в клетках, в тканях), а также при изменении pH или окислительно-восстановительного потенциала среды. Индикаторы широко применяются в биохимических, клинических и санитарно-гигиенических лабораториях.

Так, индикаторы находят применение для определения конца реакции (точки эквивалентности) при титровании, для колориметрического определения величин pH или окислительно-восстановительных потенциалов, для обнаружения различного рода веществ в тех или иных исследуемых объектах. Индикаторы используют в виде водных или спиртовых растворов, а также в виде индикаторных бумажек, представляющих собой полоски фильтровальной бумаги, пропитанные веществом. В зависимости от назначения и механизма действия подразделяют на группы: кислотно-основные, универсальные, окислительно-восстановительные, адсорбционные, флуоресцентные, комплексонометрические.

Кислотно-основные индикаторы представляют собой сложные органические соединения, изменяющие окраску (двухцветные индикаторы) или ее интенсивность (одноцветные индикаторы) в зависимости от pH среды.

По теории Оствальда кислотно-основные индикаторы представляют собой слабые органические к-ты или основания, недиссоциированные молекулы которых имеют в р-ре иную окраску, чем образуемые ими анионы и катионы. В таблице 1 Приложения приведены некоторые кислотно-основные индикаторы, применяемые в методах химического анализа, указаны цвета кислотной и основной форм, а также интервал перехода pH.

Кислотной формой индикатора называют форму, которая преобладает в кислотных растворах, а основной формой – ту, которая существует в основных (щелочных) растворах. В некотором промежутке значений рН в растворе может одновременно находиться в равновесии некоторое количество обеих форм индикатора, вследствие чего возникает переходная окраска индикатора - это интервал рН перехода окраски индикатора, или просто интервал перехода индикатора.

Так, фенолфталеин является слабой кислотой, не диссоциированные молекулы которой бесцветны, а анионы окрашивают растворы в малиновый цвет. В растворах индикаторов, представляющих собой слабые кислоты, диссоциируют по уравнению:

где НА — не диссоциированные молекулы индикатора, H+ — ионы водорода, а A- — анионы кислотного остатка. При уменьшении концентрации ионов Н+ и увеличении концентрации ионов OH- молекулярная форма фенолфталеина переходит в анионную из-за отрыва от молекул иона водорода и связывания его с гидроксид-ионом в воду. Поэтому при рН9,6 раствор в присутствии фенолфталеина приобретает красно-фиолетовую окраску. Наоборот, в кислотных растворах при рН8,1 равновесие смещается в сторону молекулярной формы индикатора, не имеющей окраски.

Метиловый оранжевый представляет собой слабое основание BOH, которое в молекулярной форме при рН4,4 имеет желтый цвет. Катионы Bпри рН3,0 окрашивают раствор в красный цвет. Индикаторы, представляющие собой слабые основания, диссоциируют по уравнению:

где ВОН — недиссоциированные молекулы индикатора, В+ — катионы, а OH- — гидроксид-ионы.2

1.2 Растения как природные индикаторы. Механизм действия антоцианов и каротиноидов в составе растений

Цветовая окраска растения определяется химическим составом клеточного содержимого каждого. В состав клеток входят пигменты - биофлавоноиды. Пигменты – это органические соединения, присутствующие в клетках и тканях растений и окрашивающие их. Пигменты расположены в хромопластах. Известно более 150 видов пигментов. К биофлавоноидам относятся, например, антоцианы и каротиноиды.

Антоцианы (от греческих слов «цветок» и «синий») – природные красящие вещества. Антоцианы придают растениям окраску в диапазоне от розовой до темно- фиолетовой. Строение антоцианов установлено в 1913 году немецким биохимиком Р. Вильштеттером. Первый химический синтез был осуществлен в 1928 году английским химиком Р. Робинсоном. Они чаще всего растворены в клеточном соке, иногда встречаются в виде мелких кристаллов. Антоцианы легко извлечь из любых синих или красных частей растения.

Антоцианы обладают хорошими индикаторными свойствами: в нейтральной среде приобретают пурпурную окраску, в кислой среде – красный цвет, в щелочной среде – зелено-желтый цвет. Богаты антоцианами такие растения, как голубика, черника, клюква, ежевика, чёрная смородина, черноплодная рябина, каркадэ, вишня, баклажаны, малина, чёрный рис, виноград, мускатный виноград, красная капуста.3

Каротиноиды (от латинского слова «морковь») – это природные пигменты от желтого до красно-оранжевого цвета, синтезируемые высшими растениями, грибами, губками, кораллами. Каротиноиды представляют собой полиненасыщенные соединения, в большинстве случаев содержат в молекуле 40 атомов углерода. Эти вещества неустойчивы на свету, при нагревании, при действии кислот и щелочей. Из растительных материалов каротиноиды могут быть выделены экстракцией органическими растворителями с последующей хроматографией. Каротиноиды могут содержаться и в цветках, и в плодах, и в корневищах растений.4

К сожалению, почти у всех природных индикаторов есть серьезный недостаток: их отвары довольно быстро портятся – скисают или плесневеют. Другой недостаток – слишком широкий интервал изменения цвета. При этом трудно или невозможно отличить, например, нейтральную среду от слабокислой или слабощелочную от сильнощелочной.

1.3 Растения – индикаторы в геологии

В старинных народных поверьях нередко можно встретить упоминание о растениях, способных обнаруживать различные клады, так, например, в «Уральских сказах» П.П. Бажова говориться о цветах-геологах и «разрыв-траве», открывающих людям кладовые меди, железа, золота. В последние годы была научно обоснована связь между определенными растениями и месторождениями некоторых полезных ископаемых. Трёхцветные полевые фиалки, анютины глазки или полевой хвощ говорят человеку о том, что в почве, пусть и в минимальном количестве, но содержится цинк, золото. Розовый вьюнок и золотистая мать-и-мачеха целыми полянами разрастаются на глинистых и известковых почвах. Нередко по развитию некоторых растений можно узнать о присутствии в почве многих полезных ископаемых. Например, на почвах с обычным содержанием бора такие растения, как полынь, прутняк, солянка, растут высокими, а на почвах с повышенным содержанием этого элемента эти растения становятся карликовыми. Измененная форма лепестков мака указывает на то, что под землей находятся залежи свинца и цинка.5

Поможет отыскать воду и определить, пресная она или соленая, солодка – крупное растение с темной зеленью и красно-фиолетовыми кистями цветов. Если растение цветет пышно – вода пресная, если слабо и на листьях появляется светлый налет – вода соленая.

Очень редкий металл бериллий накапливают ягоды брусники, кора лиственницы, горицвет амурский. Оказалось, что обычная лебеда содержит много свинца, а шалфей – германий и висмут. Над рудными зонами полынь содержит много ртути, свинца, цинка, серебра, сурьмы, мышьяка. Накопление рудных элементов и тяжелых металлов не проходит для растения бесследно, внешний вид его меняется. Бор тормозит рост растений, вызывает ветвистость. Растения не цветут, отмирают корни. Избыток бериллия меняет форму ветвей у молодых сосен. Если в почве много железа, растения имеют ярко-зеленую листву, кажутся сильными и здоровыми. А с приходом осени они первыми желтеют и теряют листья. Высокая концентрация в почве марганца обесцвечивает листья. 6

Зная химический состав растений, можно определить состав почв, геоботанический метод все еще применяется на практике, «индикационная геоботаника» изучает растения, чутко реагирующие на изменения окружающей среды и помогающие обнаружить богатства земных недр.

Выводы по Главе I

1. Растворы индикаторов способны визуализировать изменение показателей или обнаруживать вещества. Кислотно-основные индикаторы определяют уровень рН среды, представляют собой растворы слабых органических кислот и оснований.

2. Растения способны проявлять индикаторные свойства. За счет входящих состав клеток пигментов - антоцианов и каротиноидов, придающих частям растения соответствующую окраску. Растения могут указать на изменение химического состава почвы.

3. В качестве природных индикаторов могут использоваться водные вытяжки, приготовленные на основе растительного сырья (клубника, свекла, морковь, ежевика, черника, брусника, вишня, клюква, черный чай).

Глава II. Использование природных индикаторов в быту

2.1 Исследование растворов индикаторов растворами кислот и щелочей

Для определения среды растворов, используемых в быту необходимо было подобрать продукт, раствор которого будет визуализировать изменение окраски при изменении среды исследуемого раствора. Анализ источников литературы показал, какие растения могут проявлять свойства кислотно-основных индикаторов, ввиду нахождения в них антоцианов и каротиноидов. Результаты приведены в Таблице 2. Причем, в синих частях растения находится антоциан в виде щелочной соли, в красной – в виде оксониевой соли растительной кислоты, а в фиолетовых – в виде основания красящего вещества. Каротиноиды придают частям растений оранжевый цвет.

Для анализа были отобраны вещества: корнеплоды свеклы, моркови, замороженные ягоды клюквы, вишни, ежевики, свежие ягоды брусники, черники, клубники, черный чай.

Анализ производился в несколько этапов. На подготовительном этапе необходимо было приготовить водные вытяжки растений. При приготовлении водных вытяжек, плоды, ягоды необходимо было измельчить в ступке, извлечь сок, растворы отфильтровать через марлю.

Для анализа использовались свежеприготовленные водные вытяжки, ввиду невозможности длительного хранения (скоропортящиеся продукты). Растворы индикаторов были исследованы растворами кислот и щелочей. Для анализа использовался гидроксид натрия NaOH и соляная кислота HCl. Полученные результаты представлены в Таблице 3.

Были выбраны продукты, которые визуализируют изменение окраски в интервале pH от 4 до 10 – растворы ягод вишни, ежевики, черники, клубники, корнеплода свеклы. Данные растворы использовались для исследования растворов, применяемых в быту – шампуня, жидкого мыла. Полученные результаты были представлены в Приложении. По результатам исследования растворы показали среду: шампунь – слабокислую, что соответствует указанной на упаковке, жидкое мыло – нейтральную.

Таким образом, по результатам исследования были сделаны следующие выводы:

1. В домашних условиях возможно использование растворов сока свеклы, ягод вишни, клюквы, клубники, черники, ежевики, вишни для определения среды раствора.

2. Растворы природных индикаторов имеют несколько недостатков – короткий срок хранения, широкий интервал изменения цвета, трудности в определении pH.

Заключение

Индикаторы широко применяются в биохимических, клинических и санитарно-гигиенических лабораториях и характеризуются особенностью визуализировать изменения, происходящие в исследуемой среде. Для исследования уровня pH применимы кислотно-основные индикаторы, представляющие собой сложные органические соединения, спиртовые или водные растворы слабых кислот или оснований, изменяющие окраску (двухцветные индикаторы) или ее интенсивность (одноцветные индикаторы). Механизм индикаторной реакции заключается в образовании ионов, отличающихся по цвету от молекулярной формы. Известно большое количество кислотно-основных индикаторов, различающихся интервалами определения рН.

Среди растений немало представителей, изменяющих свою окраску при изменении рН среды, в клетках растений пигменты – биофлавоноиды, придающие окраску частям организма, могут проявлять индикаторные свойства, к ним относятся антоцианы и каротиноиды. Антоцианы могут изменять окраску как в кислой, так и в основной среде. Они придают частям растений синий, фиолетовый или красный цвет.

В ходе исследования было выявлено, что водные вытяжки некоторых продуктов растительного происхождения, могут быть использованы в качестве реактива для определения кислотности или основности растворов, применяемых в быту. Так, например, шампуни должны иметь среду от слабокислой до нейтральной, а мыло для рук или жидкость для мытья посуды – слабощелочную. В качестве реагентов удобно использовать водные вытяжки корнеплодов свеклы, ягод черники, ежевики, клубники, вишни. Преимуществом растительных индикаторов является простота использования, доступность, экспрессность, а недостатком – короткий срок хранения, широкий диапазон изменения цвета.

Растения также могут служить биоиндикаторами чистоты воздуха, химического состава почвы, а в быту, например, являться показателями чистоты аквариумной воды. Все это может служить перспективой для дальнейшего исследования.

Список литературных источников:

1. В.И. Артамонов Зеленые оракулы. – Издательство «Мысль», 1989.

2. Б.Д. Степин, Л.Ю. Аликберова Занимательные задания и эффектные опыты по химии. – М.: Дрофа, 2002.

3. Третьяков Н.Н. Физиология и биохимия сельскохозяйственных растений Ф50 / Н.Н. Третьяков, Е.И. Кошкин, Н.М. Макрушин и др.; под ред. Н.Н. Третьякова. – М.: Колос, 2000.

4. Функции и свойства антоцианов растительного сырья. А.М. Макаревич, А.Г. Шутова, Е.В. Спиридонова, В.Н. Решетников. ГНУ «Центральный ботанический сад НАН Беларуси». Труды БГУ том 4 выпуск 2. Минск

5. Растения-индикаторы / В.Н. Меженский. — М.: ООО «Издательство ACT»; Донецк: «Сталкер», 2004.

6. Большая медицинская энциклопедия,под редакцией Петровского Б.В., 3-е издание

Приложения

Таблица 1.

Кислотно-основные индикаторы, применяемые в методах химического анализа

Индикатор

Форма

Цвет более
кислой формы

Интервал pH

Цвет более
щелочной формы

Малахитовый зелёный

 

жёлтый

0,1-2,0

сине-зелёный

Метиловый фиолетовый

 

жёлтый

0,13–0,5

зелёный

Крезоловый красный 

 

красный

0,2–1,8

жёлтый

Метиловый фиолетовый 

 

зелёный

1,0–1,5

синий

Тимоловый синий 

кислота

красный

1,2–2,8

жёлтый

Тропеолин 00

oснование

красный

1,3–3,2

жёлтый

Метиловый фиолетовый 

 

синий

2,0–3,0

фиолетовый

(Ди)метиловый жёлтый

oснование

красный

3,0–4,0

жёлтый

Бромфеноловый синий

кислота

жёлтый

3,0–4,6

сине-фиолетовый

Конго красный

 

синий

3,0–5,2

красный

Метиловый оранжевый

oснование

красный

3,1–(4,0)4,4

(оранжево-)жёлтый

Бромкрезоловый зелёный

кислота

жёлтый

3,8–5,4

синий

Бромкрезоловый синий

 

жёлтый

3,8–5,4

синий

Лакмоид

кислота

красный

4,0–6,4

синий

Метиловый красный

oснование

красный

4,2(4,4)–6,2(6,3)

жёлтый

Хлорфеноловый красный

кислота

жёлтый

5,0–6,6

красный

Лакмус (азолитмин)

 

красный

5,0–8,0 (4,5-8,3)

синий

Бромкрезоловый пурпурный

кислота

жёлтый

5,2–6,8(6,7)

фиолетовый

Бромтимоловый синий

кислота

жёлтый

6,0–7,6

синий

Нейтральный красный

oснование

красный

6,8–8,0

янтарно-жёлтый

Феноловый красный

основание

жёлтый

6,8–(8,0)8,4

ярко-красный

Крезоловый красный 

кислота

жёлтый

7,0(7,2)–8,8

тёмно-красный

α-Нафтолфталеин

кислота

жёлто-розовый

7,3–8,7

синий

Тимоловый синий 

кислота

жёлтый

8,0–9,6

синий

Фенолфталеин

кислота

бесцветный

8,2–10,0

малиново-красный

Тимолфталеин

кислота

бесцветный

9,3(9,4)–10,5(10,6)

синий

Ализариновый жёлтый ЖЖ

кислота

бледно-лимонно-жёлтый

10,1–12,0

коричнево-жёлтый

Нильский голубой

 

синий

10,1–11,1

красный

Диазофиолетовый

 

жёлтый

10,1–12,0

фиолетовый

Малахитовый зелёный

 

сине-зелёный

11,6-13,6

бесцветный

Индигокармин

 

синий

11,6–14,0

жёлтый

Таблица 2

Продукт

Вещество

Продукт

Вещество

Продукт

Вещество

Свекла

антоциан

Ежевика

антоциан

Вишня

антоциан

Краснокочанная капуста

антоциан

Черника

антоциан

Клюква

антоциан

Баклажан

антоциан

Голубика

антоциан

Гранат

антоциан

Морковь

каротиноид

Клубника

антоциан

Крушины кора

флавоноид

Черный чай

антоциан

Малина

антоциан

Мальвы лепестки

антоциан

Чай Каркадэ

антоциан

Черноплодная рябина

антоциан

Черемуха ягоды

антоциан

Фиалки лепестки

антоциан

Черная смородина

антоциан

Черный рис

антоциан

Таблица 3

 

рН7

рН7

рН=7

Свекла

Красно-коричневый

Желтый

Темно-фиолетовый

Морковь

Желтый

Оранжевый

Оранжевый

Чай

Светло-желтый

Желто-коричневый

Желто-коричневый

Брусника

Розовый

Желто-зеленый

Оранжево-красный

Вишня

крансый

Сине-зеленый

Красно-бордовый

 

рН7

рН7

рН=7

Ежевика

Красный

Коричнево-зеленый

Бордовый

Клубника

Красно-оранжевый

Желто-коричневый

Красный

Черника

Темно-бордовый

Зеленый

Красно-фиолетовый

Клюква

Красный

Зелено-желтый

Темно-красный

Исследуемые растворы продуктов, растительного происхождения

Рис. 1 Сок моркови, сок свеклы Рис. 2 Сок вишни, сок клубники, сок брусники

Рис. 3 Сок клюквы, сок ежевики, сок черники

Результаты исследования природных индикаторов кислотами и щелочами

Рис. 4 Морковь Рис. 5 Вишня

Рис. 6 Ежевика Рис. 7 Клюква

Рис. 8 Черника Рис. 9 Брусника

Рис 10 Свекла Рис. 11 Клубника

Исследование среды растворов, используемых в быту

Рис. 12 Жидкое мыло

Рис. 13 Шампунь

1Б.Д. Степин, Л.Ю. Аликберова Занимательные задания и эффектные опыты по химии. – М.: Дрофа, 2002.

2Большая медицинская энциклопедия,под редакцией Петровского Б.В., 3-е издание

3Функции и свойства антоцианов растительного сырья. А.М. Макаревич, А.Г. Шутова, Е.В. Спиридонова, В.Н. Решетников. ГНУ «Центральный ботанический сад НАН Беларуси». Труды БГУ том 4 выпуск 2. Минск

4Третьяков Н.Н. Физиология и биохимия сельскохозяйственных растений Ф50 / Н.Н. Третьяков, Е.И. Кошкин, Н.М. Макрушин и др.; под ред. Н.Н. Третьякова. – М.: Колос, 2000.

5Растения-индикаторы / В.Н. Меженский. — М.: ООО «Издательство ACT»; Донецк: «Сталкер», 2004.

6 В.И. Артамонов Зеленые оракулы. – Издательство «Мысль», 1989.

Просмотров работы: 398