Природные индикаторы.

                ЧУОО   «Татьянинская  школа»

 Природные индикаторы

Проект ученицы 8 класса

 ЧУОО «Татьянинской школы»

Стародумовой Алёны

Руководитель проекта –

учитель химии

 Захарова Зоя Геннадьевна

                                                             2015 год

Оглавление.

Введение ………………                                    2

Глава 1 …………………………………           3

Глава 2 ………………………………………   7

Глава 3 ……………………………………… 10

Заключение ………………………………… 13

Список использованной литературы ……    14

                                                          Введение.

          Человеку важно знание кислотности среды не только в химической лаборатории, но и в повседневной жизни. Дома мы используем такие кислоты, как уксусная, лимонная, щавелевая; щелочные растворы аммиака, соды, извести. А ведь среди кислот и щелочей много опасных, агрессивных веществ, способных вызывать ожоги. Их нельзя пробовать на вкус. Для определения среды раствора существуют специальные вещества – индикаторы.

          Об индикаторах я узнала на занятиях естественно-научного кружка «УМКИ». Также это понятие встречается и на уроках химии. Мне стало интересно узнать, могут ли растения проявлять свойства индикаторов, и если могут, то все, или только некоторые? Поэтому именно природные индикаторы стали темой моего проекта. Целью моего проекта является: выявить кислотно-щелочные индикаторы среди съедобных растений. Для достижения этой цели мне нужно выполнить следующие задачи:
1) изучить литературу по теме «Индикаторы»;

2) приобрести навыки пользования химическими реактивами и оборудованием, проведения опытов.;

3) по результатам эксперимента составить таблицу изменения окраски различных съедобных растений в зависимости от рН среды;

4) провести мастер-класс  по приготовлению индикаторов из растительного сырья на занятии естественно-научного кружка в 6 классе.

          Объектом моего исследования являются индикаторы, а предметом исследования – природные индикаторы.

          При выполнении проекта, я использую  методы наблюдения, эксперимента, сравнения, анализа.

Глава 1

Химические индикаторы.

§1. Что такое индикаторы?

          Википедия дает общее определение понятие индикатора так:

индикатор (от латинского слова indicator – указатель) – это информационная система, вещество, прибор, устройство, отображающее изменения какого-либо параметра контролируемого процесса или состояния объекта в форме, наиболее удобной для непосредственного восприятия человеком визуально, акустически, тактильно или другим способом.

          Понятие «индикатор» используется в разных областях науки.

Индикатор, с точки зрения социологии, - доступная наблюдению и измерению характеристика изучаемого объекта, позволяющая судить о других его характеристиках, недоступных непосредственному исследованию.

Индикатор, с точки зрения экологии, – система признаков, позволяющих оценить состояние экосистемы.

Индикатор, с точки зрения математики, – функция, устанавливающая принадлежность элемента множеству.

Индикаторы, с точки зрения химии, - химические вещества, изменяющие окраску, люминесценцию или образующие осадок при изменении концентрации компонента в растворе. 

          Химический энциклопедический словарь среди  индикаторов  выделяет: адсорбционные, изотопные, кислотно-основные, окислительно-восстановительные, комплексонометрические, люминесцентные индикаторы.

          Моя работа посвящена кислотно-основным индикаторам.

Кислотно-основные индикаторы - органические и неорганические вещества, используемые для определения водородного показателя pH или установления конечной точки титрования (обычно по изменению окраски). Причина изменения цвета индикаторов заключается в изменении  строения молекул индикатора в кислотной и щелочной среде, что приводит к изменению спектра поглощения раствора.

§2. Из истории открытия индикаторов.

          Выделенные из растений пигменты – красящие вещества – были известны еще в Древнем Египте и Древнем Риме.

          Начало использования органических веществ в качестве индикаторов связано с именем Роберта Бойля, английского физика и химика, который открыл индикаторы. Однажды, изучая свойства соляной кислоты, Бойль случайно пролил ее на цветки фиалок, принесенные садовником. Спустя некоторое время лепестки стали ярко-красными. Бойль заинтересовался этим явлением. Он опускал фиалки в разные растворы и, наконец, понял, что цвет фиалок зависит от того, какие вещества содержатся в растворе. Бойль также начал экспериментировать с другими растениями. Лучшие результаты дали опыты с лакмусовым лишайником, цвет которого кислоты изменяли на красный, а щелочи – на синий. Тогда Бойль опустил в настой лакмусового лишайника бумажные полоски и высушил их. Полученные полоски Роберт Бойль назвал индикаторами, что в переводе с латинского означает «указатель», так как они указывают на среду раствора.

          Вероятно, самый старый кислотно-основной индикатор – лакмус. Еще в 1640 ботаники описали гелиотроп – душистое растение с темно-лиловыми цветками, из которого было выделено красящее вещество. Этот краситель стал широко применяться химиками в качестве индикатора, который в кислой среде был красным, а в щелочной – синим. Вначале с помощью нового индикатора исследовали минеральные воды, а примерно с 1670 года его начали использовать в химических опытах. В 1704 немецкий ученый М.Валентин назвал эту краску лакмусом; это слово и осталось во всех европейских языках, кроме французского (по-французски лакмус – tournesol, что дословно означает «поворачивающийся за солнцем»; так же французы называют и подсолнечник). Вскоре оказалось, что лакмус можно добывать и из более дешевого сырья, например, из некоторых видов лишайников.

§3. Кислотно-щелочные индикаторы.

          С развитием химии росло число кислотно-щелочных индикаторов. Индикаторы, полученные в результате химического синтеза: фенолфталеин, введенный в науку в 1871 году немецким химиком А.Байером, и метилоранж, открытый в 1877году.

          В наше время известны несколько сот искусственно синтезированных кислотно-щелочных индикаторов. С некоторыми из них мы можем познакомиться в школьной химической лаборатории. Фенолфталеин – в химии - индикатор, выраженный бесцветными кристаллами без вкуса и запаха. Температура плавления -  259-263°С. В медицине – слабительное средство (устаревшее название – пурген). В щелочной среде окрашивается в ярко-малиновый цвет, а в нейтральной и кислотной среде бесцветен. Лакмус (лакмоид) -  индикатор, добываемый из некоторых лишайников,  и окрашивающийся под действием кислот в красных цвет, а под действием щелочей – в синий. Метиловый оранжевый – кислотно-основной индикатор, синтетический органический краситель из группы азокрасителей. В кислотах проявляет розовую окраску, а в щелочах – желтую.

Таблица 1.

          В таблице приведены распространенные в лабораторной практике кислотно-основные индикаторы в порядке возрастания значений pH, вызывающих изменение окраски. Первая окраска соответствует значениям pH до интервала, вторая окраска – после интервала. Римские цифры в скобках отвечают номеру перехода окраски (для многоцветных индикаторов).

§4. Водородный показатель.

          В химии различают нейтральную, кислотную и щелочную реакцию среды раствора.

          Щелочи – это гидроксиды щелочных, щелочноземельных металлов и аммония. Слово «щёлочь» происходит от слова «щёлок». Так называли мылкий раствор, образующийся при варке золы. Щелочами в старину называли вещества, растворы которых мылки на ощупь.  Щелочи использовались в мыловарении, производстве стекла, при окраске тканей. Позже научились производить едкие щелочи – гидроксиды щелочных металлов (NaOH, KOH).

          Кислоты – это сложные вещества, содержащие атомы водорода, которые могут замещаться атомами металла. Первоначально под кислотой понимали вещество, раствор которого имеет кислый вкус. Главные минеральные кислоты – соляная (НСl), серная (H2SO4) и азотная (HNO3) были получены еще алхимиками.

          С позиции теории электролитической диссоциации, кислотой называют электролит, диссоциирующий в водном растворе с образованием катионов лишь одного типа – Н+ - ионов водорода; основание – это электролит, образующий при диссоциации лишь один тип анионов – гидроксид-ионы ОН_.

          Понятие «водородный показатель» было введено датским химиком Серенсеном в 1909 году. Показатель обозначают pH по первым буквам латинских слов potential hydrogen – сила водорода. Водородный показатель – отрицательный десятичный логарифм концентрации водородных ионов (рН = -lg[H+]), где [H+] – концентрация ионов водорода моль/л. Чем меньше рН, тем больше концентрация ионов водорода, то есть выше кислотность среды. В зависимости от концентрации  ионов Н+ ,в растворе может быть кислая, нейтральная или щелочная среда.
          Дистиллированную воду, взятую при температуре 22оС, принято считать нейтральной. Являясь слабым электролитом, вода частично диссоциирует на ионы Н+ (в водных растворах он всегда гидратирован и присутствует в виде Н3О+) и ОН_. Их концентрации одинаковы и составляют при комнатной температуре 10-7 моль/л, рН дистиллированной воды равен 7.

Если значение водородного показателя меньше 7, раствор является кислым, так как концентрация ионов водорода в нем выше концентрации гидроксид-ионов. А при рН больше 7, концентрация ионов водорода в растворе меньше концентрации гидроксид-ионов. Такие растворы называются щелочными. Дождевая вода обычно имеет слабокислую реакцию среды (рН = 6) за счет растворения в ней углекислого газа; дождь считается кислотным, если его рН меньше 5. Желудочный сок – это сильнокислая среда (рН = 1,7), а рН крови (7,4), слюны (6,9) и слезы (7) близок или равен нейтральному.

Глава 2

Растения – индикаторы.

§1. Индикационная геоботаника.

          В старинных народных поверьях нередко говорилось о травах и деревьях, способных обнаруживать различные клады. Существует много книг, посвященных цветам-геологам. В «Уральских сказах» П.П. Бажова написано о волшебных цветах и «разрыв-траве», открывающих людям кладовые меди, железа, золота. В романе А.Г.Бармина «Руда» есть также разговор о цветах-геологах.

           В последние годы были научно обоснованы связи между определенными растениями и месторождениями некоторых полезных ископаемых. К примеру, в Австрии и в Китае с помощью растений, предпочитающих почвы с большим содержанием меди, открыли залежи медной руды, а в Америке с помощью растений нашли месторождения серебра. 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. На Алтае искали залежи меди «медной травкой» (качимом). Было замечено, что заросли качима часто встречаются в местах, где обнаружены выходы меди.

          Нередко по уродливому 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.

           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.

           Иногда в растениях накапливается так много ценных элементов, что они сами становятся «рудой». Очень редкий металл бериллий накапливают ягоды брусники, кора лиственницы, горицвет амурский, а в золе обычной кукурузы или хвоща содержится много золота. Оказалось, что обычная лебеда содержит много свинца, а шалфей – германий и висмут. Самым хорошим разведчиком оказалась полынь. Над рудными зонами она 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.

          Значит, изучая химический состав растений, можно открыть новые месторождения. И сейчас геоботанический метод все еще применяется на практике. Возникла даже наука – «индикационная геоботаника», изучающая растения, чутко реагирующие на изменения окружающей среды и помогающие обнаружить богатства земных недр.

§2. Антоцианы и каротиноиды.

          Природа – уникальное творение Вселенной. Этот мир красив, таинственен и сложен. Царство растений поражает многообразием красок. Цветовая палитра разнообразна и определяется химическим составом клеточного содержимого каждого растения, в состав которого входят пигменты - биофлавоноиды. Пигменты – это органические соединения, присутствующие в клетках и тканях растений и окрашивающие их. Расположены пигменты в хромопластах. Известно более 150 видов пигментов. К биофлавоноидам относятся, например, антоцианы и каротиноиды.

          Широко распространенными в растительном мире красящими веществами являются антоцианы. Антоцианы (от греческих слов «цветок» и «синий») – природные красящие вещества из группы флавоноидов, относятся к гликозидам. Антоцианы придают растениям окраску в диапазоне от розовой до темно- фиолетовой. Они чаще всего растворены в клеточном соке, иногда встречаются в виде мелких кристаллов. Антоцианы легко извлечь из любых синих или красных частей растения. Если, к примеру, прокипятить нарезанный корнеплод столовой свеклы или листья краснокочанной капусты в небольшом количестве воды, то скоро она окрасится от антоциана в лиловый цвет. Но достаточно к этому раствору прибавить несколько капель уксусной, лимонной, щавелевой или любой другой кислоты, как он сразу же примет интенсивную красную окраску. Присутствие антоцианов в клеточном соке растений придает цветкам колокольчиков синий цвет, фиалок – фиолетовый, незабудок – небесно-голубой, тюльпанов, пионов, роз, георгинов – красный, а цветкам гвоздик, флоксов, гладиолусов – розовый. Почему же этот краситель является таким многоликим? Дело в том, что антоциан в зависимости от того,  в какой среде он находится (в кислотной, нейтральной или щелочной), способен быстро изменять свой оттенок. Соединения антоциана с кислотами имеют красный или розовый цвет, в нейтральной среде – фиолетовый, а в щелочной – сине-зеленый.

          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 терпенового ряда, 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.

          Естественные красители содержатся и в цветках, и в плодах, и в корневищах растений.

§3. Способы приготовления индикаторов из природного сырья.

          Пигменты содержатся в клетках растений. Для того, чтобы получить индикатор, требуется извлечь их из клетки. Существует несколько способов сделать это: с помощью механического воздействия (измельчить, выжать сок), с помощью теплового воздействия (отварить), с помощью экстрагирования (лучше всего использовать полярный растворитель).

          В качестве сырья лучше всего использовать лепестки или зрелые плоды. В то же время можно использовать заготовленные на зиму варенья, компоты, которые сохраняют окраску раствора (например, из черной смородины, малины). Неплохо подходят различные соки (желательно свежеприготовленные), например, из винограда или вишни.

          К сожалению, из-за неустойчивости пигментов, отвары быстро портятся (плесневеют и скисают), поэтому готовить такие индикаторы надо непосредственно перед работой с ними.

          Для проведения эксперимента нужно выделить из растения клеточный сок. Если исследуются сочные части растений – плоды, мясистые листья, корнеплоды – можно просто выжать из них сок. В каких-то случаях орган растения предварительно потребуется измельчить. Если полученный сок будет содержать комочки ткани растения, то его необходимо профильтровать. Если окраска сока получилась слишком интенсивной, его можно разбавить кипяченой водой.

          Если нужно выделить вещества из сухих растений или жестких и кожистых частей растения (листьев, стеблей), то можно приготовить настой или отвар. Для этого исследуемые части растений измельчаются и заливаются горячей водой (для получения настоя) или варятся несколько минут (для получения отвара) при температуре кипения, пока цвет раствора не станет достаточно интенсивным.

          Из листьев, стеблей, цветков, плодов  растений можно получить спиртовой настой. Для этого потребуется этиловый спирт. Измельченные части растения помещаются в небольшую емкость, заливаются спиртом, емкость плотно закрывается крышкой, чтобы спирт не улетучился.

                                                               Глава 3

Экспериментальная часть.

§1. Изготовление индикаторов из растительного сырья.

          Мы решили выяснить, какие из имеющихся дома съедобных растений можно использовать в качестве кислотно-щелочных индикаторов. Для опыта мы взяли мороженые ягоды черники, клубники, черной смородины, вишни, сливы, а также плоды томата (помидора), корнеплоды свеклы и моркови и листья краснокочанной капусты.

          При проведении опытов мы использовали следующие материалы и оборудование:

1. стаканы
2. колбы
3. воронки
4. пробирки
5. ступки с пестиками
6. нож
7. фильтровальную бумагу
8. воду
9. этиловый спирт

10. растворы гидроксида натрия и соляной кислоты.

          Ягоды мы растирали в ступке; помидор, капусту, свеклу и морковь мелко нарезали ножом (можно измельчить с помощью терки). Экстракцию пигмента (краски) из измельченного сырья проводили двумя способами:

1. с помощью спирта – этот растворитель помогает извлечь пигменты из клеток растений;
2. с помощью горячей (кипящей) воды – нагревание выше 70оС  приводит к разрушению мембран клеток, высвобождая биофлавоноиды.

          Окрашенные спиртовые и водные растворы  фильтровали с помощью бумажного фильтра (в домашних условиях можно использовать марлю или другую ткань), чтобы избавить настой от частиц растений. Полученные растительные растворы разливали в три пробирки.

          Для тестирования в качестве кислой среды использовали раствор соляной кислоты (в домашних условиях можно взять уксус), в качестве щелочной среды – раствор гидроксида натрия (в домашних условиях можно использовать соду).

В одну пробирку с раствором добавляли HCl, а в другую NаОН, сравнивали изменение цвета с исходным раствором в третьей пробирке. Результаты

эксперимента приведены в таблице:

Таблица 2

          Проведя опыты, мы установили, что растворы, изготовленные из моркови, томата, сливы практически не меняли свой цвет в зависимости от среды и не могут быть использованы в качестве индикаторов кислотности. Для этой цели лучше использовать в качестве сырья чернику, вишню, черную смородину, краснокочанную капусту. Это объясняется тем, какой пигмент дает окраску растению. Антоцианы обуславливают красно-фиолетовое окрашивание (черника, вишня, черная смородина, свекла) и в кислой среде становятся ярко-алыми, а в щелочной приобретают сине-зеленые оттенки. Другие пигменты – каротиноиды – обуславливают оранжевый цвет растений (морковь, томат) и практически не изменяют свой цвет в зависимости от среды.

          Готовые растворы растительного сырья мы оставили в лаборатории. Через неделю мы заметили, что водные растворы помутнели, стали неоднородными, через 2 недели они начали плесневеть. А спиртовые настойки растений оставались прозрачными, цвет не меняли, их можно было продолжать использовать в качестве индикаторов.

§2. Мастер – класс на занятии кружка «УМКИ».

          Своими знаниями о природных индикаторах я поделилась с учащимися      6-ых классов на занятии по химии естественно-научного кружка «УМКИ». Я рассказала ребятам о своих исследованиях и предложила им научиться готовить индикатор из ягод, которые часто имеются в каждом доме -черники, вишни, черной смородины. Под моим руководством учащиеся последовательно проделали следующие действия:

1. растирали ягоды в ступке пестиком;
2. заливали горячей водой помещенное в стакан растительное сырье;
3. фильтровали раствор;
4. окрашенные ягодные растворы разливали в 3 пробирки;
5. в одну пробирку добавляли соляную кислоту, в другую – гидроксид натрия;
6. сравнивали цвет растворов с исходным в третьей пробирке.

          Ребята поняли, что сок многих ягод можно использовать в качестве индикатора кислотности среды.

          Во время подготовки своего выступления, я волновалась, но когда начала выступать, волнение прошло. Я почувствовала себя в роли учителя. Ребята слушали меня с интересом, старательно выполняли мои команды. Я рада, что смогла рассказать им что-то новое, и что им понравилось занятие.

Заключение.

          Работа над проектом была очень увлекательной. Я узнала много нового. Оказывается, использовать растительное сырье для получения индикаторов кислотности люди научились с древних времен. Самый известный индикатор – лакмус – изначально изготавливался из лишайников определенного вида. А английский ученый Р. Бойль в середине 17 века описывал в своих трудах приготовление индикатора из сока фиалок.

          В химической лаборатории часто возникает необходимость узнать рН среды. Для этого используются синтетические индикаторы, с некоторыми из которых я познакомилась в ходе работы. Но с кислотными и щелочными растворами мы встречаемся не только в химии, но и в повседневной жизни: на домашней кухне, на садовом участке. И тут может пригодиться умение готовить индикатор из растений самостоятельно.

          Проведя исследование свойств водных и спиртовых настоев нескольких видов растений, я сделала следующие выводы:

1. пигменты многих растений обуславливают изменение их окраски в зависимости от рН среды;
2. не все ярко окрашенные растения могут служить индикаторами кислотности среды;
3. водные настои плодов растений плохо хранятся, быстро мутнеют, а спиртовые долго не теряют своих свойств и могут использоваться продолжительное время.

          Полученными в ходе работы над проектом знаниями я поделилась с учащимися шестых классов на занятиях естественно-научного кружка «УМКИ». С моей помощью ребята учились готовить кислотно-щелочные индикаторы из ягод черники, черной смородины, вишни.

          В рамках этой работы мне не удалось исследовать свойства растений как индикаторов кислотности почвы, то есть изучить, какие виды растений произрастают на почвах с различным значением рН. Возможно, это будет целью моей следующей работы.

Список использованной литературы

1. Химический энциклопедический словарь. – М. «Советская энциклопедия», 1983

2. Химия: Энциклопедия для детей.- М., «Аванта+», 2000

3. Б.Д. Степин, Л.Ю.Аликберова. Книга по химии для домашнего чтения. - М., «Химия»,1995

4. Г.И.Штремплер. Химия на досуге: домашняя химическая лаборатория. - М., «Просвещение»,1996

5. http:// ru. wikipedia. org

6. http: // www. xumuk, ru

7. http: // nsportal. ru

8. http: // festival. 1 september. ru

9. http: // moizveti.ucoz.ru