научная работа

Муниципальное бюджетное образовательное учреждение

Средняя общеобразовательная школа № 14 им. В.Г.Короленко

Научное общество учащихся

ИНДИКАТОРЫ

Выполнил:  ученик 9д класса                                                      М.А. Пестов

Учитель  химии:                                                                           О.В.Ручкина

Н.Новгород

2013

Содержание

Введение …………………………………………………………. 3

Цели и задачи работы ………………………………………….. 4

Глава 1  

Кислотно-основные индикаторы ………………………………. 5

Глава2  

История открытия индикаторов ……………………………….. 8

Глава3

Природные индикаторы ……………………………………….. 10

3.1. Растительные индикаторы…………………………………  11

          Практическая часть …………………………………………….  14

          Выводы ………………………………………………………….. 16

Литература ………………………………………………………. 17

Приложение ……………………………………………………… 18

Введение.

Человек тесно связан с живой природой происхождением, материальными и духовными потребностями. С момента своего появления люди стремились к повышению качества их жизни. Это начиналось с  новшеств, которые помогали им получать продовольствие и защищать себя. Многие вещи в современном мире мы воспринимаем как нечто само собой разумеющееся. Провода из оптического волокна доставляют огромнейшее количество информации со скоростью света в любую точку мира. Вы можете сесть в свой автомобиль и голосом задать своей системе GPS направление движения. Нам очень комфортно в 21 веке.

Но есть и другая опасность. Она связана со здоровьем человека. За небольшой период времени химиками были получены многие вещества, упрощающие нашу жизнь в быту. Это гели, шампуни, синтетические моющие средства,  чистящие вещества. Когда мы покупаем товар, мы смотрим на этикетку – и порою видим, что на ней не указывается негативное воздействие этих веществ на кожу человека. Поэтому, имея дома свой индикатор,  мы можем правильно определить водородный показатель среды и степень вредности данного средства при попадании на кожу человека.

Цель работы: изучение возможности получения веществ, являющихся кислотно – основными индикаторами из растительного сырья и применение их для определения рН некоторых, используемых в быту растворов.

          Объект исследования –  отвар овощей, сок ягод.

          Задачи:

1. Изучить информацию о природных индикаторах.
2. Получить природные индикаторы.
3. Сравнить  свойства природных индикаторов с известными кислотно-щелочными индикаторами.
4. Дать рекомендации по применению природных индикаторов в быту.

Глава 1    Кислотно-основные индикаторы

Индикаторы - (от лат. indicator – указатель) – вещества, позволяющие следить за составом среды или за протеканием химической реакции. Одни из самых распространенных – кислотно-основные индикаторы, которые изменяют цвет в зависимости от кислотности раствора. Происходит это потому, что в кислой и щелочной среде молекулы индикатора имеют разное строение.

Кислотно-основные индикаторы — органические соединения, способные изменять цвет в растворе при изменении кислотности (pH). Индикаторы широко используют в титровании в аналитической химии и биохимии. Их преимуществом является дешевизна, быстрота и наглядность исследования.

Кислотно – основные индикаторы изменяют свой цвет в зависимости от концентрации ионов Н+ (рН раствора). По химической природе эти вещества являются слабыми органическими кислотами (или основаниями), частично диссоциирующими в растворе по схеме:

Hind  →←  H+ + Ind-,                                            

(где HInd – недиссоциированная молекула индикатора, Ind- - анион индикатора; молекула и анион имеют разную окраску). Изменение цвета индикатора при изменении рН происходит при сдвиге равновесия диссоциации. С увеличением концентрации ионов водорода равновесие сдвигается влево, и раствор приобретает окраску НInd. При уменьшении кислотности возрастает концентрация Ind- и окраска раствора изменяется. Примером такого индикатора является лакмус (слабая кислота). Его молекула окрашена в красный цвет, а анион – в синий. Таким образом, в кислой среде лакмус дает красную окраску, а в щелочной – синюю. В нейтральной среде глаз человека воспринимает смесь красных и синих частиц как фиолетовый цвет. Область значений рН, в которой совершается переход одной формы индикатора в другую и отмечается изменение его окраски, – это интервал рН перехода окраски индикатора.

Индикатор фенолфталеин (4,4'-диоксифталофенон). Этот индикатор  раньше использовали также в качестве слабительного средства под названием пурген. В кислой среде это соединение находится в виде недиссоциированных молекул, и раствор бесцветен, а в щелочной – в виде однозарядных анионов, и раствор имеет малиновый цвет. Однако в сильнощелочной среде фенолфталеин снова обесцвечивается! Происходит это из-за образования еще одной бесцветной формы индикатора – в виде трехзарядного аниона. Наконец, в среде концентрированной серной кислоты снова появляется красная окраска, хотя и не такая интенсивная. Ее виновник – катион фенолфталеина. Фенолфталеин меняет окраску в зависимости от уровня pH среды. Он способен существовать в нескольких формах, которые превращаются одна в одну при изменении кислотности

Мнемоническое правило:

Попасть в кислоту для других — неудача,
Но он перетерпит без вздохов, без плача.
Зато в щелочах у фенолфталеина
Настанет не жизнь, а сплошная малина!

Метиловый оранжевый 4-(4-диметиламинофенилазо) бензолсульфонат натрия — известный кислотно-основной индикатор. Переход окраски в водных растворах от красной к оранжево-жёлтой наблюдается в области pH 3, 1 — 4, 4 (в кислой среде красный, в щелочной — жёлтый).

Мнемоническое правило:

От щелочи я желт как в лихорадке,
Я розовею от кислот, как от стыда.
И я бросаюсь в воду без оглядки,
Здесь я оранжевый практически всегда.

Лакмус – 7-гидроксифеноксазон (хромофорный компонент лакмуса) (от нидерл. lakmoes) — красящее вещество природного происхождения, один из первых и наиболее широко известных кислотно-основных индикаторов.

Применяется как индикатор для определения реакции среды. На практике используется несколько препаративных форм лакмуса: водный раствор лакмуса, полоски и клочки ленты фильтровальной бумаги, пропитанные лакмусом — т. н. лакмусовая бумага, «лакмусовое молоко» 

Мнемоническое правило:

Индикатор лакмус — красный
Кислоту укажет ясно.
Индикатор лакмус — синий,
Щёлочь здесь — не будь разиней,
Когда ж нейтральная среда,
Он фиолетовый всегда.

Универсальный индикатор Широко применяются смеси индикаторов, позволяющие определить значение pH растворов в большом диапазоне концентраций (1-10; 0-12). Растворами таких смесей - «универсальных индикаторов» обычно пропитывают полоски «индикаторной бумаги», с помощью которых можно быстро определить кислотность исследуемых водных растворов.

Глава 2   История открытия индикаторов

Впервые индикаторы обнаружил в 17 веке английский химик и физик Роберт Бойль. Чтобы понять, как устроен мир, Бойль провел тысячи опытов. Вот один из них. В лаборатории горели свечи, в ретортах что-то кипело, когда некстати зашел садовник. Он принес корзину с фиалками. Бойль очень любил цветы, но предстояло начать опыт. Он взял несколько цветков, понюхал и положил их на стол. Опыт начался, открыли колбу, из нее повалил едкий пар. Когда же опыт кончился, Бойль случайно взглянул на цветы, они дымились. Чтобы спасти цветы, он опустил их в стакан с водой. И – что за чудеса- фиалки, их темно- фиолетовые лепестки, стали красными. Случайный опыт? Случайная находка? Роберт Бойль не был бы настоящим ученым, если бы прошел мимо такого случая. Ученый велел готовить помощнику растворы, которые потом переливали в стаканы и в каждый опустили по цветку. В некоторых стаканах цветы немедленно начали краснеть. Наконец, ученый понял, что цвет фиалок зависит от того, какой раствор находится в стакане, какие вещества содержатся в растворе. Затем Бойль заинтересовался, что покажут не фиалки, а другие растения. Эксперименты следовали один за другим. Лучшие результаты дали опыты с лакмусовым лишайником. Тогда Бойль опустил в настой лакмусового лишайника обыкновенные бумажные полоски. Дождался, когда они пропитаются настоем, а затем высушил их. Эти хитрые бумажки Роберт Бойль назвал индикаторами, что в переводе с латинского означает «указатель», так как они указывают на среду раствора. Именно индикаторы помогли ученому открыть новую кислоту - фосфорную, которую он получил при сжигании фосфора и растворении образовавшегося белого продукта в воде. В настоящее время на практике широко применяют следующие индикаторы: лакмус, фенолфталеин, метиловый оранжевый.

Одним из давно известных индикаторов является лакмус. Хотя лакмус уже в течение нескольких столетий, верно, служит людям, его состав так до конца и не изучен. Лакмус- это сложная смесь природных соединений. Он был известен уже в Древнем Египте и в Древнем Риме, где его использовали в качестве фиолетовой краски- заменителя дорогостоящего пурпура. Затем рецепт приготовления лакмуса был утерян. Впервые лакмус был применён в качестве химического реагента и индикатора других веществ около 1300г. испанским врачом и алхимиком Арнальдусом де Виланова (Arnaldus de Villanova). В начале 14 века во Флоренции вновь была открыта фиолетовая краска орсейль, тождественная лакмусу, причем способ ее приготовления в течение многих лет держали в секрете.

Готовили лакмус из специальных видов лишайников. Измельченные лишайники увлажняли, а затем добавляли в эту смесь золу и соду. Приготовленную таким образом густую массу помещали в деревянные бочки, добавляли мочу и выдерживали долгое время. Постепенно раствор приобретал темно- синий цвет. Его упаривали и в таком виде применяли для окрашивания тканей. В 17 веке производство орсейли было налажено во Фландрии и Голландии, а в качестве сырья использовали лишайники, которые привозили с Канарских островов.

Похожее на орсейль красящее вещество было выделено в 17 веке из гелиотропа - душистого садового растения с темно- лиловыми цветками. Роберт Бойль писал о гелиотропе: «Плоды этого растения дают сок, который при нанесении на бумагу или материю имеет сначала свежий ярко-зелёный цвет, но неожиданно изменяет его на пурпурный. Если материал замочить в воде и отжать, вода окрашивается в винный цвет; такие виды красителя (их обычно называют «турнесоль») есть у аптекарей, в бакалейных лавках и в других местах, которые служат для окраски желе, или других веществ, кто как хочет». С того времени орсейль и гелиотроп стали использовать в химических лабораториях. И лишь в 1704 году немецкий ученый М. Валентин назвал эту краску лакмусом.

Сегодня для производства лакмуса измельченные лишайники сбраживают в растворах поташа (карбоната калия) и аммиака, затем в полученную смесь добавляют мел и гипс.

Глава 3  Природные индикаторы

Кислотно-щелочные индикаторы весьма разнообразны; многие из них легко доступны и потому известны не одно столетие. Растительное "сырье" летом собрать нетрудно - в лесу, в поле, в саду или огороде. Возьмите яркие цветы - ирис, темные тюльпаны и розы, анютины глазки, мальву; наберите малины, ежевики, черники, голубики, черноплодной рябины; запаситесь несколькими листами красной капусты и молодой свеклой.

Антоцианы и другие растительные пигменты способны менять цвет в зависимости от рН среды (клеточного сока). Антоцианы имеют преимущественно красный цвет в кислой среде и синий в щелочной. Сок из красной капусты или столовой свёклы нередко используют в качестве индикатора при начальном обучении химии.

Это отвары или экстракты окрашенных цветов, ягод и плодов. Так, отвар ириса, анютиных глазок, тюльпанов, черники, ежевики, малины, черной смородины, красной капусты, свеклы и других растений становится красным в кислой среде и зелено-голубым – в щелочной. Это легко заметить, если помыть кастрюлю с остатками борща мыльной (т.е. щелочной) водой. С помощью кислого раствора (уксус) и щелочного (питьевая, а лучше – стиральная сода) можно также сделать надписи на лепестках различных цветов красного или синего цвета. Растворы индикаторов получают отвариванием (отвар - это нечто вроде бульона), то они, естественно, быстро портятся - скисают, плесневеют. Их надо готовить непосредственно перед опытом. Обычный чай – тоже индикатор. Если в стакан с крепким чаем капнуть лимонный сок или растворить несколько кристалликов лимонной кислоты, то чай сразу станет светлее. Если же растворить в чае питьевую соду, раствор потемнеет (пить такой чай, конечно, не следует).

3.1. Растительные индикаторы

Растительные индикаторы содержат окрашенные вещества, способные менять свой цвет в ответ на то или иное воздействие. Называются эти окрашенные вещества пигментами.

Их окраска определяется избирательным поглощением света в видимой части солнечного спектра. Меланин - пигмент, встречающийся кожуре красных сортов винограда, лепестках некоторых цветков.

Структура молекул меланина жидкокристаллическая. Пигмент является сильным антиоксидантом. Фитохром - голубой растительный пигмент белкового строения, контролирует процессы цветения и прорастания семян. У одних растений ускоряя цветение, у других - задерживая. Фитохром играет роль "биологических часов" растения, механизм действия пока не изучен. Известно, что строение пигмента меняется в зависимости от светлого и тёмного времени суток, сигнализируя об этом растению. Phyton - от греческого растение, сhrom - цвет, краска. Это вещество регулирует синтез белковых молекул (ДНК, РНК), образование хлорофилла, каратиноидов, антоцианов, органических фосфатов, витаминов. Фитохром связан с клеточными мембранами и встречается практически во всех органах растения. Антоцианы - придают растениям окраску в диапазоне от розовой, красной, сиреневой, до синей и тёмно-фиолетовой. Антоцианы образуются в процессах гидролиза крахмала и по своему происхождению являются безазотистыми соединениями, близким к глюкозидам - соединениям сахара с неуглеводной частью. Усиленное образование антоцианов в клетках растения происходит при снижениях температур окружающей среды, при остановках синтеза хлорофилла, при интенсивном освещении УФ-лучами, при недостатке фосфора, необходимого для ввязывания гидролизованных крахмалом сахаров. При этом окраска листьев растений изменяется от зелёных до красных и синих цветов. Антоцианы хорошо растворимы в воде и присутствуют в соке вакуолей. Диапазон цветов изменяется благодаря наличию в растении всего трёх моделей антоцианов, различных между собой числом гидроксильных групп. Вариации в пропорциях этих пигментов в растениях дают разную окраску лепестков. В зависимости от кислотности (рН) среды сока вакуолей, антоциан придаёт ту или иную окраcку. В кислой среде он обычно имеет красные тона, например, у герани, гортензии, фиалок. В щелочной эти растения приобретают сине-голубые тона. Если же к синему или фиолетовому раствору антоциана прибавить кислоту, раствор снова станет розовым. Опытным путём это легко проверить на растениях, подбирая в качестве подкормок те или иные микроэлементы, изменяющие кислотность жидкости вакуолей. Если к нейтральному раствору антоциана добавить очень слабый щелочной раствор - получается голубое окрашивание, при более концентрированном растворе щелочи окрашивание перейдёт в жёлто-зелёное. Красная окраска - у маков, роз, герани, синяя - у васильков, голубая - у колокольчиков обусловлена наличием пигмента антоциана. Плоды винограда, слив, терна, краснокочанной капусты, свеклы окрашены антоцианом. Считается, что антоциан защищает растения от низких температур, от вредного воздействия солнечного цвета на цитоплазму. Антохлор - пигмент жёлтого цвета. Встречается в клетках кожицы лепестков первоцвета (баранчики, примула), льнянки, жёлтого мака, георгины, в плодах лимонов и других растениях. Антофеин - редко встречающийся пигмент тёмного цвета. Вызывает окраску пятен на крыльях венчика у русских бобов (Faba vulgaris). Каротиноиды - содержатся в растениях, устойчивых к пониженным температурам. Когда хлорофилл исчерпывается в холодное время года, листья приобретают заметную жёлтую или оранжевую окраску за счёт пролонгированного действия пигмента каротиноида. Каротиноиды защищают растения от пагубного действия солнечного света, принимая УФ-излучения солнца на себя, трансформируя в энергию и передавая её хлорофиллу. С помощью такой передачи хлорофилл регулирует процессы фотосинтеза. В доказательство того, что каротиноиды присутствуют в листьях постоянно наравне с хлорофиллом, послужит следующий эксперимент: к спиртовой вытяжке хлорофилла прилить бензина 1:1, взболтать смесь и дать отстояться, смесь расслоится. Нижний слой из спирта имеет жёлтую окраску и содержит жёлтый пигмент ксантофилл. Верхний бензиновый слой зелёного цвета и содержит хлорофилл и каротин. Оранжево-красный цвет растениям даёт пигмент каротин, жёлтую - ксантофилл. Эти пигменты имеют белково-липоидную основу. Эти пигменты обнаружены в плодах помидоров, апельсинов, мандаринов, в корне моркови. Основная роль этих пигментов - придать растениям яркую привлекательную окраску, привлекая птиц и животных для разнесения семян. Цветы с оранжево-жёлтой окраской - лютик, настурция.

Практическая часть

Методика исследования

1. Мы приготовили растительные индикаторы: взяли по 50 г сырья, получили сок и добавили 150мл дистиллированной воды. 
2. Получив, таким образом, растворы индикаторов, я проверил, какую окраску они имеют в разных средах. Для проверки индикаторных свойств полученных растворов  я добавил  10мл 0,1 % раствора HCI и 10мл 0.1 % раствора NaOH. При добавлении нескольких капель полученных индикаторов в растворе HCI и NaOH и происходило изменение цвета индикаторов.   Данные заносим в таблицу.
3. Обнаружение свойств растворов веществ, применяемых в быту.

Я исследовал растворы веществ, применяемых в быту:

1. Детское мыло
2. Пемолюкс
3. Сода пищевая
4. Уксусная кислота
5. Тide
6. Жидкое мыло «Ромашка»

Каждое исследуемое  средство растворим в 200 мл воды и разделим на четыре части. В одну из них опустим универсальную индикаторную бумажку, во вторую 10мл сока черники, в третью 10 мл сока краснокочанной капусты, в четвертую 10 мл сока черной смородины. В каждой из них индикаторы изменили окраску. Результаты записали в таблицу (таблица 2)

Все 4 индикатора и самодельные и заводская универсальная бумажка показали щелочную среду, более щелочным оказался раствор порошка Tide и  Пемолюкс (на этикетке Tide и Пемолюкс не указано его негативное воздействие щелочной среды на кожу рук).  Мы проанализировали два раствора мыла: раствор мыла детского и мыла жидкого «Ромашка». Мы видим из таблицы, что все  индикаторы показали кислотную среду раствора жидкого мыла. Универсальный индикатор и сок черники показал нейтральную среду детского мыла. Кожа рук имеет кислотную среду РН=5,5. При использовании чистящих средств, стиральных порошков, имеющих щелочную среду,  нарушается нормальная кислотная среда кожи рук.

При применении моющих средств   необходимо использовать резиновые перчатки, защищающие кожу от действия на нее щелочной среды, которая разрушает кислотную мантию эпидермиса и вызывает кожные заболевания, хотя на этикетках этих моющих средств,  производитель указывает, что они не оказывают вредного воздействия на кожу.

Выводы:

1. Я познакомился с кислотно-основными индикаторами, научился получать индикаторы из растительного сырья. Я убедился, что ягоды и овощи обладают свойствами индикаторов. С помощью них мы смогли определить и щелочную и кислотную среду, следовательно, они являются универсальными индикаторами.
2. Мы установили, что жидкое мыло «Ромашка» является хорошим средством для мытья рук, так как его pH=5 имеет кислотную среду, как и кожа рук.
3. Детское мыло имеет нейтральную среду pH=7. Кожа детей имеет pH=6,7, поэтому правильно использовать для ребенка детское мыло.
4. Используя собственные индикаторы, каждая хозяйка может правильно определить среду раствора. Щелочная среда многих порошков хороша для хлопчатобумажных тканей, а шелк и шерсть она разъедает. Если человек стирает вручную, то необходимо использовать перчатки.
5. Индикаторы можно использовать в сельском хозяйстве для определения кислотности почвы и в школьных лабораториях.

Литература

1.  Н.П. Сапин , В.И. Сивоглазов  «Анатомия и физиология человека». М., Академия, 1997 г.
2. Д. Исаев г. Тверь Домашняя энциклопедия по химии. Химия в школе №9 2009 года.
3.  Т. В. Каршина г. Саратов Растительные пигменты антоцианы, индикаторные свойства антоцианов. Химия в школе №8 2002 года.
4. О. Н. Кузнецов г. Москва Химия в школе № 10 2008 год, « Занимательно об индикаторах» стр. 52-60
5. http://www.krugosvet.ru/enc/nauka_i_tehnika/himiya/INDIKATORI.html
6. http://www.chemistry.narod.ru/opiti/Indikatori.htm
7. http://www.krugosvet.ru/enc/nauka_i_tehnika/himiya/INDIKATORI.html

Приложение

Таблица 1

Таблица 2

Таблица 3

Рецензия на реферат «Индикаторы» ученика 9д класса

МБОУ СОШ №14 им. В.Г.Короленко

Пестова Михаила Александровича

Реферат «Индикаторы», выполненный Пестовым Михаилом Александровичем актуален в сегодняшние дни. Многие производители товаров, используемых в быту,  не пишут на этикетках влияние чистящих и моющих средств на кожу рук. Зная об индикаторах, а в частности о растительных индикаторах каждый человек может самостоятельно определить рН среды и сделать выводы о вреде данного средства на кожу.

Михаил изучил теоретический материал и провел опыты по получению растительных индикаторов. Ученик изучил, как с помощью природных индикаторов можно определить среду раствора бытовых средств, провел опыты, определил среду раствора чистящих и моющих веществ. Михаил дал рекомендации по работе с чистящими и моющими веществами, а так же привел примеры об использовании  индикаторов.

Учитель:                                                                  Ручкина О.В.