VI Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

Использование природных индикаторов в быту для определения среды растворов

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

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

Работа в формате PDF

1.1 MB

Автор работы награжден дипломом победителя II степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителя

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 B⁺ при 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

Таблица 2

Таблица 3

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