Исследование природных индикаторов, содержащихся в цветах цветковых растений, для определения среды растворов.

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Мордвинцева Д.Д. 1

---

1МОУ Быковская СОШ №14

Макаренкова Г.Ю. 1

---

1МОУ Быковская СОШ №14

Работа в формате PDF

19.8 MB

Автор работы награжден дипломом победителя II степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителя

1. Введение.

Еще со времен алхимиков, а позднее и в первых научных химических лабораториях использовались различные растворы кислот, щелочей и солей. Они хранились строго в подписанных стеклянных бутылях, но иногда этикетка терялась или портилась, тогда определить, что за раствор находится в бутыли, становилось непросто.

В настоящее время в производстве и в химических лабораториях, в том числе и учебных, широко используются различные растворы кислот и щелочей. По физическим свойствам практически все они прозрачны и бесцветны. Слабый запах, присутствующий у некоторых растворов, не дает однозначного ответа, какая там среда – кислая или щелочная, пробовать же эти растворы на вкус небезопасно и категорически запрещено техникой безопасности.

Кроме того реакции нейтрализации, происходящие между растворами кислот и щелочей с образованием соли и воды, идут с изменением среды раствора. Пронаблюдать за ходом такой реакции визуально невозможно в том случае, если соли образуют прозрачный раствор.

Поэтому качественные реакции, которые осуществляются при помощи специальных веществ-индикаторов, всегда были необходимы в химической практике. В связи с этим, я обратилась к истории химической науки и в частности к повторению известного эксперимента, который был проведен в XVII веке знаменитым английским химиком Робертом Бойлем. В ходе случайного стечения обстоятельств, он открыл, что фиалки могут изменять свой цвет под воздействием кислот и щелочей. И впоследствии использовал это в химической практике.

Цели

изучить различные цветы цветковых растений с целью определения возможности их использования в качестве индикаторов среды раствора;

создать цветную таблицу природных индикаторов;

Задачи

провести анализ имеющихся в истории химии сведений относительно использования цветковых растений и/или экстрактов из них в качестве индикаторов;

выбрать цветковые растения, доступные в зимнее время года (комнатные растения и срезанные цветы), и приготовить экстракты для выполнения исследований;

изготовить индикаторную бумагу с использованием фильтровальной бумаги и экстрактов цветов и провести исследования с использованием слабых растворов кислот, щелочей, а также воды;

выявить цветы, экстракты которых дали наиболее контрастное изменение цвета при изменении среды раствора;

выяснить влияет ли цвет (оттенок) цветка на его способность быть контрастным индикатором;

на основе проведенных исследований сформулировать выводы исследовательской работы;

создать цветную таблицу наиболее контрастных природных индикаторов, которые возможно использовать в практике для определения среды раствора;

изготовить индикаторную бумагу из экстрактов выбранных цветов.

Объект исследования – цветы комнатных и декоративных цветковых растений и листья чая.

Предмет исследования – определение возможности использования экстрактов из цветов растений и чайных листьев в качестве индикаторов для определения среды раствора (кислая, щелочная, нейтральная).

2. Краткие теоретические сведения о растворах кислот и щелочей и использование их в практике химических исследований.

Слово «кислота» происходит от латинского слова «кислый». Некоторые ингредиенты, которые мы добавляем в пищу – это кислоты, например уксус или лимонная кислота. Кислоты содержаться во многих плодах, например, в цитрусовых — грейпфрутах, апельсинах лимонах — содержатся лимонная и аскорбиновая кислоты, в яблоках – яблочная кислота. Растворы тех кислот, которые можно использовать в пищу действительно кислые на вкус. Также некоторые животные вырабатывают кислоты и используют их свойство жечься как оружие, например муравьи вырабатывают муравьиную кислоту и впрыскивают ее в рану, поэтому укусы их так неприятны. Пчелиный яд также является кислотой.

Кислота – это сложное вещество, в молекуле которого имеется один или несколько атомов водорода и кислотный остаток. Практически все кислоты (кроме кремниевой) хорошо растворимы в воде. При растворении в воде кислоты образуют ионы водорода Н⁺. Ионы — это частицы с электрическим зарядом. Именно ионы придают кислотам их свойства, но существовать они могут только в растворе. Следовательно, ионы водорода определяют кислую среду раствора.

Основание (или гидроксид) — это соединение, химически противоположное кислоте. В состав основания входят ионы металлов и связанные с ними гидроксид-ионы OН^-. Щелочами называются растворимые в воде сильные гидроксиды щелочных и щелочно-земельных металлов. Щелочи — твердые вещества белого цвета; гигроскопичные, водорастворимые. Точно так же, как и кислоты, свои свойства они приобретают только в воде при отщеплении гидроксид-иона. Следовательно, гидроксид-ионы определяют щелочную среду раствора.

Когда ионы OН^- (отщепленные от щелочи) в растворе встречаются с ионами Н⁺ (отщепленные от кислоты), они соединяются, образуя молекулы воды. Молекулы воды распадаются на ионы достаточно слабо, кроме того в растворе ионов Н⁺ и ионов OН^- будет поровну. Поэтому щелочи вступают в реакции с кислотами, образуя соль и воду. Эта реакция нейтрализации является важнейшим свойством кислот и щелочей.

Так как в результате этой реакции образуется соль и вода – среда раствора меняется на нейтральную, от этого слова происходит название реакции.

3. Краткие теоретические сведения об индикаторах и использование их в практике химических исследований.

Кислотам свойственно образовывать кислую среду из-за присутствия ионов Н⁺, а щелочам – щелочную среду раствора из-за присутствия ионов OН^-. Если в растворе в равных концентрациях имеются ионы водорода и гидроксид ионы, то среда раствора нейтральная.

Химики отличают щелочь от кислоты по цвету индикаторов.

Слово «индикатор» происходит от латинского indicator — «указатель». В химии существует несколько различных видов индикаторов – кислотно-основные индикаторы, окислительно-восстановительные индикаторы, термоиндикаторы, адсорбционные индикаторы и прочее. Но я в своей работе буду рассматривать только первый названный вид индикаторов, реагирующих на кислотность среды.

Индикаторы — это органические вещества сложной природы, меняющие цвет при контакте с кислотой или щелочью в зависимости от ионного состава среды. Индикаторы можно условно считать слабыми кислотами, соли которых в растворе имеют разную окраску из-за того, что в кислой и щелочной среде их молекулы имеют разное строение.

Кислотно-щелочные индикаторы очень разнообразны, каждый обладает своими особенностями. Наиболее распространённые, в том числе использующиеся в нашей школьной лаборатории, это лакмус, фенолфталеин, метиловый оранжевый и универсальный индикатор.

Индикаторы известны людям не одно столетие. Индикаторами являются, например, экстракты или отвары окрашенных плодов и цветов. Так, красными в кислой среде становятся отвары черники, малины, ежевики, черной смородины, свеклы, красной капусты, анютиных глазок, тюльпанов, ириса. В щелочной среде они будут синими. Это легко заметить, если помыть кастрюлю с остатками борща мыльной (т.е. щелочной) водой.

Кислый (например, уксус) и щелочной (пищевая или стиральная сода) растворы позволяют делать красные или синие узоры либо надписи на лепестках цветов. Чай – тоже индикатор: он светлеет, если в него положить ломтик лимона, и темнеет, если добавить в него пищевую соду. Чай же из цветков («каркаде») дает намного более яркие цвета.

Вероятно, самый старый кислотно-основной индикатор – лакмус. Лакмус известен еще с 1300 г. Состоит природный лакмус из смеси 10-15 разных веществ, добывают его в основном из лишайников. Надо сказать, что само красящее вещество лакмус был известен ещё в Древнем Египте и Древнем Риме. Эту краску добывали из некоторых видов лишайников, произраставших на скалах Шотландии, и использовали в качестве фиолетового красителя для тканей, но со временем, рецепт изготовления такой краски был утерян.

В 1640 г. были описаны свойства цветковых растений – в частности фиалок, способных менять цвет в зависимости от кислотности среды. Об этом можно прочитать в трудах знаменитого физика и химика XVII века Роберта Бойля. Случайность помогла ему раскрыть этот секрет природы – садовник принес корзину с фиалками в тот момент, когда Роберт Бойль направлялся в лабораторию. Он взял фиалки с собой, случайно на них попала кислота. Когда ученый захотел промыть цветы водой, неожиданно лепестки изменили свой цвет с фиолетового на красный. Роберт Бойль после этого проделал множество опытов, доказывающих эффективность экстрактов из цветков для определения среды раствора.

Позже из другого растения с темно-лиловыми цветками – гелиотропа (Heliotropium Turnesole) – было выделено красящее вещество, которое, наряду с экстрактом фиалок, стало широко применяться химиками в качестве индикатора. Цветы изменяли свой цвет: в кислой среде цвет был красным, а в щелочной – синим.

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 заново, с химической точки зрения, открыт индикатор для обнаружения кислот и оснований, названный по имени лишайника лакмусом.

После многолетних экспериментов, в 1667 г. Роберт Бойль предложил пропитывать фильтровальную бумагу отваром лишайника-лакмуса, а также отварами фиалок и васильков. Высушенные и нарезанные бумажки ученый назвал индикаторами (с латинского – «указатель»), т.к. они указывают на среду раствора. Так впервые появилась индикаторная бумага.

Вначале с помощью нового индикатора исследовали минеральные воды, а примерно с 1670 года его начали использовать в химических опытах.

К сожалению, почти у всех природных индикаторов есть серьезный недостаток: их отвары и водные экстракты довольно быстро портятся – скисают или плесневеют. Спиртовые экстракты более устойчивы, но тоже недолговечны. Другой недостаток – слишком широкий интервал изменения цвета. При помощи природных индикаторов трудно или невозможно отличить, например, нейтральную среду от слабокислой или слабощелочную от сильнощелочной.

Поэтому в настоящее время в химических лабораториях используют синтетические индикаторы, резко изменяющие свой цвет в достаточно узких границах кислотности. Такие индикаторы химики научились искусственно получать позже, в середине XIX века. Так, в 1871 году немецкий химик-органик Адольф фон Байер, будущий лауреат Нобелевской премии, впервые осуществил синтез фенолфталеина. В наши дни известно несколько сотен искусственно синтезированных кислотно-основных индикаторов.

Однако недостатком всех индикаторов является невысокая точность и субъективное определение цвета, которое зависит от особенностей человеческого зрения. Поэтому для точных исследований обычно используются специальные приборы — рН-метры.

4. Выбор цветов для приготовления экстрактов.

В связи с тем, что в зимнее время года в нашей природной зоне в живой природе цветы не встречаются, мы приобрели цветы в магазине и взяли комнатные растения, у которых также были цветы.

Для того, чтобы результаты экспериментов были наиболее контрастными и изменения были хорошо заметны, мы изначально, для первой стадии эксперимента, выбрали цветы наиболее темных расцветок бордовые и темно-красные.

Также для эксперимента мы взяли чай, так как сведения о том, что экстракт и отвар из чайных листьев способен менять цвет как индикатор, достаточно часто упоминаются в литературе.

Для эксперимента мы взяли следующие цветы:

роза;

хризантема;

декабрист;

гвоздика;

фиалка;

чай черный;

чай с добавлением яблока и шиповника.

Фотографии цветов, которые были выбраны для первой стадии эксперимента, представлены в приложении 1.

5. Методика приготовления экстрактов из лепестков цветов.

Так как спиртовые экстракты могут храниться более длительное время по сравнению с отварами или водными экстрактами, решено было готовить именно их. Также этиловый спирт более полно растворяет красящие органические вещества и переводит их в раствор (экстракт) по сравнению с водой.

Для приготовления экстрактов нам потребовалось:

лепестки цветкового растения в соответствии со списком выбранных нами растений;

этиловый спирт 98%;

мерный цилиндр и мерная пробирка;

чистый флакон с плотно закрывающейся пробкой;

ножницы для измельчения лепестков;

стеклянная воронка;

стеклянная палочка.

Фотографии материалов, которые я использовала для приготовления экстрактов, представлены в приложении 2.

Приготовление экстракта:

Лепестки цветкового растения необходимо измельчить ножницами для более полного извлечения веществ и для того, чтобы лепестки было проще поместить во флакон с достаточно узким горлышком.

С помощью стеклянной воронки и палочки поместить нарезанные лепестки во флакон.

С помощью мерного цилиндра или мерной пробирки отмерить 20-40 мл этилового спирта (в зависимости от величины цветка) и залить во флакон. Необходимо, чтобы этиловый спирт покрывал лепестки полностью.

Флакон необходимо поставить в темное место для того, чтобы предотвратить возможное разрушение красящих веществ (пигментов) от солнечного света.

6. Сравнение различных цветов растений в качестве индикаторов среды растворов. Методика проведения исследований.

Готовые экстракты я проверяла на способность изменять цвет в зависимости от среды раствора. Для этого я изготовила индикаторную бумагу. На обычный бумажный фильтр, предварительно подписанный, чтобы избежать путаницы, наносились выбранные экстракты.

Затем на данные фильтры наносились в разные места по 2-3 капли растворов кислоты, щелочи и воды (в качестве нейтральной среды). Произошедшие изменения мы зафиксировали в таблицах 1 (для садовых растений), 2 (для чая) и 3 (для комнатных растений). Указания измененных цветов представлены в таблице 4. Все фотографии, которые были сделаны в процессе осуществления опытов, представлены в приложении 3.

Так как мы не высушивали фильтровальную бумагу перед нанесением капель различных растворов, то после высыхания цвета некоторых фильтров изменялись, что также отражено в таблице.

Условные обозначения к таблицам – к.ср. – кислая среда, щ.ср – щелочная среда, н.ср. – нейтральная среда.

Таблица 1. Изменение цвета экстрактов декоративных цветов в зависимости от среды растворов.

Таблица 2. Изменение цвета экстрактов чая в зависимости от среды растворов.

Таблица 3. Изменение цвета экстрактов комнатных цветов в зависимости от среды растворов.

Таблица 4. Изменение окраски фильтров в зависимости от среды раствора (для высушенных фильтров).

7. Сравнение экстрактов цветковых растений различных цветов (оттенков) в качестве индикаторов среды растворов. Методика проведения исследований.

Наиболее яркие результаты в предыдущем эксперименте дали экстракты розы, гвоздики и фиалки. Роза и гвоздика явились наиболее доступными цветковыми растениями для проведения экспериментов с другими оттенками этих цветков.

Для контраста были использованы светлые цвета цветков растений, в частности роза была выбрана светло-розового и желтого оттенков, а гвоздика – светло-розового и белого оттенков. Экстракты из данных цветов были приготовлены аналогично, в соответствии с методикой приготовления экстрактов из лепестков цветов (см. выше).

Готовые экстракты цветков других оттенков я также проверяла на способность изменять цвет в зависимости от среды раствора. Методика изготовления индикаторной бумаги и исследования изменения ее цвета в разных средах была такая же, как и для других цветов (см. выше).

Оттенки выбранных цветов представлены для сравнения в таблице 5. Произошедшие изменения мы зафиксировали в таблице 6 (для розы) и в таблице 7 (для гвоздики). Указания измененных цветов представлены в таблице 8. Все фотографии, которые были сделаны в процессе осуществления опытов, также представлены в приложении 3.

Условные обозначения к таблицам – к.ср. – кислая среда, щ.ср – щелочная среда, н.ср. – нейтральная среда.

Таблица 5. Оттенки выбранных цветков для исследования влияния цвета на индикаторную способность.

Таблица 6. Изменение цвета экстрактов розы различных оттенков в зависимости от среды растворов.

Таблица 7 Изменение цвета экстрактов гвоздики различных оттенков в зависимости от среды растворов.

Таблица 8. Изменение окраски фильтров в зависимости от среды раствора (для высушенных фильтров).

8. Выводы по результатам исследований.

В ходе работы над проектом я изучила способность экстрактов различных цветов цветковых растений менять цвет в зависимости от среды раствора (кислой, нейтральной и щелочной). Я пришла к следующим выводам:

в литературе и в научных статьях описано множество растений и плодов, обладающих способностью к изменению цвета при изменении среды раствора. Самыми действенными считаются лакмус и фиалка;

индикаторы и индикаторная бумага используются в химической лабораторной практике начиная, примерно с 1640-1670 гг.;

экстракты цветов и саму индикаторную бумагу изготовить достаточно просто;

на основе результатов экспериментов хорошо видно, что не все цветковые растения могут быть использованы в качестве индикаторов. В частности декабрист, хризантема и чай не показали должной контрастности при нанесении на фильтровальную бумагу. Определить среду раствора с их помощью будет трудно. В случае с декабристом и с хризантемой – практически невозможно;

даже если цветковое растение показывает необходимую контрастность для определения среды раствора, то чем темнее оттенок самого цветка, тем контрастнее будет меняться цвет его экстракта в различных средах.

Для изготовления индикаторной бумаги с использованием фильтровальной бумаги и экстрактов цветов я выбрала три экстракта – экстракт розы бардового цвета, гвоздики также бардового цвета и фиалки. Именно экстракты этих цветов дали наиболее контрастное изменение цвета при изменении среды раствора. Для возможности использования этой индикаторной бумаги я создала цветную таблицу, в которой указаны изменения цвета в кислой, щелочной и нейтральной средах.

9. Методика изготовления индикаторной бумаги при помощи природных индикаторов. Цветная таблицу для определения среды растворов.

Изготовление индикаторной бумаги происходило следующим образом. На обычный бумажный фильтр, предварительно подписанный чтобы избежать путаницы, наносились выбранные экстракты – розы, гвоздики и фиалки. Затем бумажные фильтры высушивались и разрезались на полоски, чтобы было удобно определять среду раствора.

Для определения среды раствора мною была оформлена цветная таблица, представленная на рисунке 1. В полном формате она представлена в приложении 4. Все фотографии, иллюстрирующие изготовление индикаторной бумаги и опыты с определением среды раствора, представлены в приложении 5.

Рисунок 1. Цветная таблица для определения среды растворов.

10. Заключение по результатам исследований.

Природные индикаторы – это очень интересная тема для исследований. Многие растения и плоды содержат природные красители и органические вещества сложного строения, способные менять цвет в кислотах и щелочах. Так же как и много лет назад Роберту Бойлю, мне удалось пронаблюдать красочные цветные изменения и получить очень интересный практический опыт по созданию природных индикаторов из цветов цветочных растений.

Неоспоримым плюсом природных индикаторов является их действенность в определении среды растворов и простота в изготовлении.

Еще в 1694 г французский химик Пьер Поме писал о лакмусе, который только начинал использоваться в химической практике. «Как только вношу незначительно малое количество кислоты, – писал он, – он становится красным, поэтому, если кто хочет узнать, содержится ли в чем-нибудь кислота, его можно использовать».

К сожалению, природные индикаторы имеют ряд серьезных недостатков:

их отвары и водные экстракты довольно быстро портятся – скисают или плесневеют;

спиртовые экстракты тоже недолговечны, так как природное сырье – это смесь из множества сложных веществ, которые могут саморазрушаться и влиять друг на друга с течением времени;

только некоторые цветы или плоды способны быть индикаторами;

природные индикаторы невозможно использовать в сложных опытах, так как при помощи природных индикаторов трудно или невозможно отличить, например, нейтральную среду от слабокислой или слабощелочную от сильнощелочной;

цвета природных индикаторов могут зависеть от цвета цветка и сорта растения (например, для роз насчитывается несколько десятков сортов и большое количество расцветок).

В ходе реализации проекта я изготовила индикаторную бумагу и создала цветную таблицу для определения среды раствора. В дальнейших планах, определить влияет ли цвет цветка растения на изменение его цвета под воздействием среды растворов на примере розы, гвоздики и фиалки.

11Список использованной литературы.

Манолов Калоян. Великие химики. Том 1. – М.: Мир, 1985. – 468с.

Меженский В.Н. Растения-индикаторы. (серия «Приусадебное хозяйство») – М. ООО «Издательство АСТ», 2004. – 76с.

Информация для проекта взята с сайтов

https://sitekid.ru/himiya/kisloty_cshelochi_i_osnovaniya_s_tochki_zreniya_himii.html

https://zen.yandex.ru/media/helperia/kak-otlichit-kislotu-ot-scelochi-5a8275d055876b3889b67a0a

https://sitekid.ru/himiya/indikatory_v_himii.html

https://www.krugosvet.ru/enc/nauka_i_tehnika/himiya/INDIKATORI.html

Приложение 1

Фотографии цветов, выбранных для исследования.

Приложение 2

Фотографии материалов, использованных для приготовления экстрактов.

лепестки цветкового растения в соответствии со списком выбранных нами растений;

этиловый спирт 98%;

чистый флакон с плотно закрывающейся пробкой;

ножницы для измельчения лепестков;

стеклянная воронка;

стеклянная палочка.

Приложение 3

Фотографии, которые были сделаны в процессе осуществления экспериментов.

Фотографии, которые были сделаны в процессе осуществления экспериментов.

Приложение 4

Цветная таблица для определения среды растворов.

Приложение 3

Фотографии, иллюстрирующие изготовление индикаторной бумаги и опыты с определением среды раствора с помощью этой индикаторной бумаги.

Рисунок 1. Изготовление индикаторной бумаги.

Рисунок 2. Индикаторная бумага.

Рисунок 3. Определение среды раствора с помощью экстракта гвоздики.

Рисунок 3. Определение среды раствора с помощью экстракта розы.

Рисунок 4. Определение среды раствора с помощью экстракта фиалки.