Растения как индикаторы состояния окружающей среды

Муниципальное бюджетное образовательное учреждение

дополнительного образования

 «Центр естественных наук»

г. Тарко-Сале Пуровского района

Растения как индикаторы состояния окружающей среды

Выполнена обучающейся 6 класса, объединения «Химия для любознательных»

Муниципального бюджетного образовательного учреждения

дополнительного образования «Центр естественных наук» г. Тарко-Сале Пуровского района

Мальцевой Екатериной Дмитриевной

Научный руководитель-Латипова Лиана Фларисовна

педагог дополнительного образования

МБОУ ДО «Центр естественных наук» г. Тарко-Сале Пуровского района

г. Тарко-Сале

2019 г.

Оглавление

Введение

Актуальность исследования заключается в том, что по окраске растений и её интенсивности возможно определить наличие избытка кислот или щелочей в атмосферном воздухе и почве.

Целью исследования является изучение возможности получения веществ, являющихся кислотно – основными индикаторами из растительного сырья и применение их для определения кислотности почв, при отсутствии специального оборудования.

Проблема исследования: мы предположили, что отвары растительного сырья возможно использовать на занятиях по химии, при проведении химических экспериментов.

Гипотеза исследования: существуют растения, в листьях и цветках которых содержатся вещества, реагирующие на изменение кислотности среды. Растения-индикаторы являются показателями вредных веществ в окружающей среде.

В соответствии с поставленной целью были определены следующие задачи исследования:

1. изучить понятие об индикаторах;

2. ознакомиться с их открытием и выполняемыми функциями;

3. научиться выделять индикаторы из природных объектов;

4. исследовать действие природных индикаторов в различных средах;

Предмет исследования – растворы растительных индикаторов.

Практическая значимость работы: полученные результаты дают возможность экспресс - определения примерной величины рН в полевых условиях при отсутствии специального оборудования. Информацию, полученную в этой работе можно использовать как на занятиях химии, так и на занятиях биологии. Эта работа полезна и в узко прикладном направлении, например, в домашнем хозяйстве и на даче, когда потребуется привести в порядок одежду или определить кислотность почвы на участке, что определяет урожайность плодов и ягод.

Глава 1. Основная часть

1.  Литературный обзор. Природные индикаторы

Известен следующий исторический факт:

«В лаборатории известного английского ученого физика и химика Роберта Бойля, как обычно, кипела напряженная работа: горели свечи, в ретортах нагревались разнообразные вещества. В кабинет к Бойлю вошел садовник и поставил в углу корзину с темно- фиолетовыми фиалками. В это время Бойль собирался проводить опыт по получению серной кислоты. Восхищенный красотой и ароматом фиалок ученый, захватив с собой букетик, направился в лабораторию. Лаборант сообщил Бойлю, что вчера доставили две бутылки соляной кислоты из Амстердама. Бойлю захотелось взглянуть на эту кислоту и, чтобы помочь лаборанту налить кислоту, он положил фиалки на стол. Затем, прежде чем отправиться в кабинет, он взял свой букетик и заметил, что фиалки слегка дымились от попавших на них брызг кислоты. Чтобы промыть цветы, он опустил их в стакан с водой. Через некоторое время он бросил взгляд на стакан с фиалками, и случилось чудо: темно- фиолетовые фиалки стали красными. Естественно, ученый начал исследования. Он обнаружил, что и другие кислоты окрашивают лепестки фиалок в красный цвет. Он подумал, что если приготовить из лепестков настой и добавить его к исследуемому раствору, то можно будет, узнать, кислый он или нет. Бойль начал готовить настои из других растений: целебных трав, древесной коры, корней растений и др. Однако самым интересным оказался фиолетовый настой, полученный из лакмусового лишайника. Кислоты изменяли его цвет на красный, а щелочи на синий [Алексеев В.Н., 2000 г., Ветчинский К.М., 2002 г.].

Бойль распорядился пропитать этим настоем бумагу и затем высушить ее. Эти хитрые бумажки Роберт Бойль назвал индикаторами, что в переводе с латинского означает «указатель», так как они указывают на среду раствора [Леенсон И.А., 2001 г.].

Индикаторы (от лат. Indicator –указатель) – вещества, позволяющие следить за составом среды или за протеканием химической реакции. На сегодняшний день в химии известно большое количество различных индикаторов как химических, так и природных.

С древности люди уделяли большое внимание наблюдениям за природой. И в наше время учение многих стран все больше и больше стали обращаться к природным индикаторам. Пигменты многих растений способны изменять цвет в зависимости от кислотности клеточного сока. Поэтому растительные пигменты являются индикаторами, которые можно применять для исследования кислотности других растворов. Общее название природных пигментов флавониды [Зепп Хольцер, 1999 г.]. В эту группу входят антоцианы они придают фиолетовый, синий, коричневый, красный или оранжевый цвета плодам. Такое многообразие объясняется тем, что цвет изменяется в зависимости от баланса кислот и щелочей [6]. Известно большое количество объектов, богатыми антоцианами. Это малина, земляника, вишня, клюква и многие другие. Строение антоцианов установлено в 1913 году немецким биохимиком Рихардом Вильштеттером. Первый химический синтез осуществлен в 1928 году английским химиком Р. Робинсоном. Антоцианы обладают хорошими индикаторными свойствами: в нейтральной среде приобретают пурпурную окраску, в кислой среде – красный цвет, в щелочной среде – зелено-желтый цвет.

2.  Красящие вещества в составе природных индикаторов – растительные пигменты

Пигменты - органические соединения, присутствующие в клетках и тканях растений и окрашивающие их. Расположены пигменты в хлоропластах и хромопластах.

Накапливаются пигменты главным образом в корнях, цветках, кожуре плодов и в листьях растений.

Все пигменты можно разделить на три группы - хлорофиллы, каротиноиды, антоцианы.

Хлорофилл определяет зеленую окраску листьев. Без этого изумрудного пигмента невозможна жизнь на планете, так как он осуществляет фотосинтез. Спутниками хлорофилла являются каротиноиды, которые определяют желтое, оранжевое и красное окрашивание. Третья группа пигментов - антоцианы, которые определяют практически все краски растений - от оранжевой и красной до синей [7].

Антоцианы – это пигментные вещества. Именно они окрашивают в фиолетовый, синий, и темно-красный цвета листву и плоды многих растений. В очень небольшом количестве антоцианы присутствуют даже в тех растениях, цвет которых далек от фиолетового и красного. Например, в грушах, бананах и картофеле тоже есть этот природный пигмент. Но лидерами по содержанию антоцианов являются ягоды: ежевика, черника, голубика, бузина, клюква, черноплодная рябина, ирга.

3.  Растения-индикаторы избытка или недостатка веществ

Растениями-индикаторами называют растения, тесно связанные с определенными экологическими условиями. По их присутствию узнают о содержании определенных микроэлементов и веществ. На изменения окружающей среды растения-индикаторы реагируют изменением внешнего вида и химического состава; количество их может резко возрасти или, наоборот, уменьшиться.

Растениями-индикаторами пользуются при оценке механического и химического состава почвы, в поисках пресных вод в пустыне и при разведке полезных ископаемых. Видовой состав растений свидетельствует о кислотности почвы, степени ее плодородия, наличии или нехватке тех или иных химических элементов.

С помощью растений намного дешевле и проще следить за состоянием окружающей среды. При экологическом мониторинге загрязнений использование индикаторных растений часто дает более ценную информацию, чем оценка загрязнения приборами.

4.  Индикаторы кислотности почв

Одним из главных характеристик почвы является ее кислотность. Кислотность почвы — это свойство почвы, обусловленное наличием ионов водорода, находящихся в ней.

В химии применяется набор специальных веществ — индикаторов, изменяющих под влиянием увеличения или уменьшения концентрации водородных и гидроксильных ионов окраску раствора, в который их добавляют. Но не у каждого есть возможность провести такой эксперимент, тогда на помощь приходят сами обитатели земли — на реакцию почвы укажут растения-индикаторы [ПРИЛОЖЕНИЕ № 3, рис. 17].

1.5 Механизм действия индикатора

Любой индикатор действует по определенному механизму. В основе лежит изменение концентрации ионов водорода, определяемое как водородный показатель.

Водороный показатель, pH (произносится «пэ аш», английское произношение англ.) - мера активности ионов водорода в растворе, и количественно выражающая его кислотность, вычисляется как отрицательный десятичный логарифм активности водородных ионов, выраженной в молях на литр. Это понятие было введено в 1909 году датским химиком Сёренсеном [8].

Среду любого раствора можно охарактеризовать содержанием ионов водорода Н+ или ОН- Водные растворы могут иметь нейтральную, щелочную или кислотную среды [9].

Нейтральная среда- это среда, в которой число ионов водорода равно числу гидроксид-ионов. Например, среда чистой воды нейтральная, т.к. число ионов водорода Н+ равно числу гидроксид - ионов ОН- 

Кислотная среда – это среда, в которой число ионов водорода больше числа гидроксид-ионов. Например, все кислоты в растворе создают кислотную среду, т.к. при диссоциации они отщепляют ионы водорода Н+

Щелочная среда – это среда, в которой число ионов водорода меньше числа гидроксид-ионов. Например, щелочную среду в растворе создают все растворимые основания, т.к. при диссоциации они отщепляют гидроксид-ионы.

Глава 2. Экспериментальная часть

2.1. Объекты и методы исследования

Изучив литературу по теме исследования, в качестве объектов были выбраны: брусника, мандарин (корки), лавровый лист, укроп (отвар), чай (листовой), черная смородина, луковая шелуха, фиолетовые фиалки, вишня, виноград зеленый, черника, чеснок (отвар шелухи), морковь, свекла, капуста белокочанная, лук фиолетовый, почва №1 (куплена в магазине), почва №2 (отобрана на участке, ул. Бесединой, г. Тарко-Сале).

2.2 Исследование растительных индикаторов в различной кислотности среды

Для приготовления индикаторов из растительного сырья рекомендуется использовать окрашенные растения или их части. Выбор растительного материала для приготовления индикаторов неограничен. Научная литература предлагает следующую методику приготовления растительных индикаторов [10]:

Навеску растительного сырья, поместить в химический стакан, залить дистиллированной водой и кипятить в течении 10-15 минут. Экстракт охладить и отфильтровать.

Изучение возможного изменения цвета проводится добавлением 1-3 капель приготовленных экстрактов в растворы разной кислотности среды (нейтральная, кислая, щелочная).

В таблице [ПРИЛОЖЕНИЕ № 1] фиксировалось изменение цвета растительного сырья в нейтральной, кислой и щелочной среде.

2.3 Определение кислотности почв

Как мы уже говорили ранее, одним из главных характеристик почвы является ее кислотность. Экстракты растений лучше всяких химикатов могут быть показателями pH среды.

Что бы определить pH почвы, не обязательно иметь специальное оборудование, провести анализ почвы мы можем у себя на участке. Существуют такие растения пигмент которых меняет свой цвет в зависимости от того в какой среде он находится.

Что бы провести этот эксперимент нам необходимы:

1. Экстракт брусники;

2. Почва №1 (куплена в магазине);

3. Почва №2 (отобрана по ул. Бесединой, г.Тарко-Сале).

При добавлении экстракта брусники на почву №1, раствор приобрёл светло-розовый цвет. Это свидетельствует о том, что среда почвы кислая.

При добавлении экстракта брусники на почву №2, раствор приобрёл зеленый цвет. Это свидетельствует о том, что среда почвы щелочная, из-за присутствия в ней песка.

Фотографии опытов представлены в приложении №2, №3 (рис. 2 - рис. 18)

На основании литературных источников и полученных данных, представленных в таблице можно сделать выводы:

Выводы:

• пигменты растений могут использоваться в качестве индикаторов;
• опытным путем определены растения, обладающие свойствами кислотно-основных индикаторов, способных изменять свою окраску в зависимости от среды, в которую они попадают;
•  изготовлены растворы растительных индикаторов;
• без применения специального оборудования можно выявить уровень кислотности почв дома или на участке;
• не все растения могут быть использованы в качестве индикаторов кислотности среды;
• среди растений, имеющих изначально яркую окраску, наиболее подходящими среди исследованных нами являются черная смородины, черника, фиолетовые фиалки, брусника, вишня. Экстракты этих растений имеют различную окраску в кислой и щелочной среде. Их и можно рекомендовать в качестве природных индикаторов.

Список литературы

1. Алексеев В.Н. Индикаторы – М.: Просвещение 2000г.

2. Ветчинский К.М. Растительный индикатор. М.: Просвещение, 2002.

3. Леенсон И.А. Занимательная химия: 8-11 классы. – М.: Просвещение,2001.

4. Зепп Хольцер. Природные индикаторы. Характеристика и классификация. 1999г

5. Бейтс Р., Определение Рн. Теория и практика, пер. с англ., 2 изд., Л., 1998г

6.Винокуров Н.Ф., Трушин В.В. Значение Ph растворах различной кислотности – М.: Просвещения 1998г.

7. Т. В. Каршина г. Саратов Растительные пигменты антоцианы, индикаторные свойства антоцианов. Химия в школе №8 2002 года.

8. Викторов С.В. Большая Советская энциклопедия «Индикаторные растения» М.: Советская энциклопедия. 1969-1978

9. Стэфкин Ф.С., Виноградова Н.П. «Возможность использования естественных индикаторов», сб. Мордовского пед. Института, вып.2, Саранск, 2000г.

10. Метинский В.Н. Методы приготовления растительных индикаторов.