Индикаторы

XIV Российская научная конференция школьников

 «Открытие» 

Индикаторы

(химия)

Выполнен ученицей 9 Б класса

гимназии №8 им. Л.М. Марасиновой

Калякиной Ксенией Игоревной

Научный руководитель

Лебедева Ирина Владимировна

учитель химии

гимназии №8 им. Л.М. Марасиновой

Рыбинск 2011

Содержание

Содержание        

Введение        

Кислотно-основные индикаторы        

Сигналы растений        

Самодельные индикаторы        

Заключение        

Литература        

Приложения        

Приложение №1        

Приложение №2        

Приложение №3        

Приложение №4        

Приложение №5        

Введение

        Когда я начала изучать химию, то я познакомилась с интересной группой веществ – индикаторами и захотела узнать о них больше. В нашей школьной библиотеке в разных словарях приводятся следующие определения этого понятия:

Индикатор (от латинского indicator-указатель)-

1. Прибор, устройство, элемент, отображающий ход процесса или состояния, его объекта наблюдения качественные или количественные  характеристики, применяется в технике и при научных исследованиях. [1]
2. Индикаторы химические, органические и неорганические вещества, используемые для определения водородного показателя pH или установления конечной точки титрования (обычно по изменению окраски). Различают кислотно-основные (напр., фенолфталеин, лакмус), окислительно-восстановительные (напр., метиленовый синий) [4]
3. Меченые атомы – стабильные или радиоактивные изотопы, которые могут быть легко обнаружены и определены количественно, применяются в химии, биологии, медицине. [6]
4. Организмы, наличие, отсутствие или состояние которых служат показателями естественных процессов или изменения окружающей среды. Используются для контроля за состоянием окружающей среды, при поисках полезных ископаемых, и др. [7]
5. Картотека для учёта выданных книг (в библиотеке, в читальном зале) [4]

В химической лаборатории или на заводе индикаторы используются для того, чтобы установить  прошла до конца химическая реакция или нет,  достаточно добавлено одного реактива к другому или нужно добавить ещё.

При изучении кислот и оснований на уроках химии я узнала, что соки ярко окрашенных ягод, плодов и цветков обладают свойствами кислотно-основных индикаторов, т.е. изменяют свою окраску при изменении кислотности среды.

Таким образом, цель моей работы – узнать, какие растения могут использоваться индикаторами, приготовить растворы растительных индикаторов самостоятельно и использовать самодельные индикаторы для определения среды моющих средств в домашних условиях.

Исходя из цели, мы ставим следующие задачи:

• Изучить понятие об индикаторах;
• Ознакомиться с их открытием и выполняемыми функциями;
• Научиться выделять индикаторы из природных объектов;
• Исследовать действие природных индикаторов в различных средах.

Кислотно-основные индикаторы

История индикаторов началась в XVII веке. В 1640 г. Ботаники описали гелиотроп - душистое растение с тёмно-лиловыми цветками, из которого было выделено красящее вещество. Этот краситель наряду с соком фиалок стали широко применять химики в качестве индикатора. Об этом можно прочитать в трудах знаменитого физика и химика XVII Роберта Бойля.

В 1663 г. Роберт Бойль приготовил водный настой лакмусового лишайника, растущего на скалах в Шотландии, для своих опытов. Склянка, в которой он хранил настой, понадобилось для соляной кислоты. Вылив настой, Бойль наполнил склянку кислотой - та покраснела. Заинтересовавшись этим, Бойль на пробу добавил несколько капель настоя лакмуса к водному раствору гидроксида натрия  и обнаружил, что в щелочной среде лакмус синеет. Так был открыт первый индикатор для обнаружения кислот и оснований, названный по имени лишайника лакмусом.

Фенолфталеин, который применяют в виде спиртового раствора, в щелочной среде приобретает малиновый цвет, а в нейтральной и кислой среде бесцветен. Синтез фенолфталеина впервые осуществил в 1871 г. немецкий  химик Адольф фон Байер.

Что касается индикатора метилового оранжевого, он действительно оранжевый в нейтральной среде. В кислотах его окраска становится розово-малиновой, а в щёлочах – жёлтой (приложение №1).

Одни из самых распространённых – кислотно-основные индикаторы, которые изменяют цвет в зависимости от кислотности раствора. Происходит это потому, что в кислотной и щелочной среде молекулы индикаторов имеют разные строения. Примером может, служит фенолфталеин. В кислотной среде это соединение находится в виде недиссоциированных молекул (раствор бесцветен), а в щелочной среде – в виде ионов (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. Этот малоизвестный факт может привести к ошибке при определении реакции среды. 

Окислительно-восстановительные индикаторы изменяют свой цвет в зависимости от того, что присутствует в растворе: окислитель или восстановитель. Такими индикаторами служат вещества, которые сами подвергаются окислению или восстановлению, причём окисленная и восстановленная формы имеют разные окраски. Например, окисленная форма дифениламина имеет фиолетовую окраску, а восстановленная – бесцветную. Некоторые окислители сами могут служить индикатором. Например, при анализе соединений железа(II) в ходе реакции

10FeSO4 + 2KMnO4+ 8H2SO4           5Fe2(SO4)3 + 2MnSO4 + K2SO4 + 8H2O

добавляемый раствор перманганата обесцвечивается, пока в растворе присутствуют ионы Fe2+. Как только появится малейший избыток перманганата, раствор приобретает розовую окраску. По количеству израсходованного перманганата легко рассчитать содержание железа в растворе. Аналогично в многочисленных анализах с использованием метода йодометрии индикатором служит сам йод; для повышения чувствительности анализа используют крахмал, который позволяет обнаруживать малейший избыток йода.

Широкое распространение получили комплекснометрические индикаторы – вещества, образующие с ионами металлов окрашенные комплексные соединения.

Некоторые вещества адсорбируются на поверхности осадка, изменяя его окрас. Такие индикаторы называют адсорбционными.

При определении среды мутных или окрашенных растворов, в которых практически невозможно заметить изменения окраски обычных кислотно-основных индикаторов, используют флуоресцентные индикаторы. Они светятся (флуоресцируют) разным светом, в зависимости от pH раствора. При этом важно, что свечение индикатора не зависит от прозрачности и собственной окраски раствора. В настоящее время химики часто пользуются индикаторной бумагой, пропитанной смесью разных индикаторов, - универсальным индикатором.

Сигналы растений

Избыток или недостаток того или иного химического элемента в земле отражается на жизни растений. И часто растения служат сигналом о присутствии или отсутствии того или иного химического  элемента. Например, среди зеленых джунглей Катанги попадаются «островки» с  чахлой травой и низкими кустарником. Как оказалось под этими «островками» была найдена медная руда. Богатой медью оказались и земля в Армении, на которой совсем не росли деревья. Но есть представители растений, которые, напротив, любят медь. Некоторые гвоздики и виды мхов растут как раз лучше там, где есть избыток меди, а в западном Узбекистане густые заросли колючелистника покрывают сплошь медные залежи. В конце прошлого века вышла  работа известного  русского ученого академика А.П.Карпинского, в которой ученый задавал вопрос: «Могут ли  растения  быть указателями горных пород?» - и отвечал на него утвердительно. Ещё М. В. Ломоносов указывал на взаимодействие растений и рудных жил. В наше время геоботанический метод отыскания руд применяется геологами. Однако надежда, что содружество наук ботаники, геологии и химии – вскоре окончательно поможет распознавать сигналы растений, имеет свои основания. Академик А. Е. Ферсман писал: «Мы видим, что можно говорить о химической географии, что мир природы с её разнообразием материков и стран связан прочными нитями с теми химическими процессами, которые идут вокруг».                                                    В природе все взаимосвязано. Со всех сторон исследователя недр окружают живые «приборы». Нужно лишь уметь снять с них показания. Известный нам астрагал не только укажет на присутствие селена в почве, но и оконтурит места, где прячется уран.                                                                           Шаровидные утолщения на стеблях некоторых видов полыни словно подают сигнал: «Внимание, в почве избыток бора!» А ведь этот элемент вводится в сплавы для улучшения их механических свойств, применяется в медицине, в Дагестане наибольшее разнообразие культурных пшениц связано с повышенным содержанием в почвах цинка и свинца.                                          

Часто «меню» таких растений становится не менее изысканным, чем у австралийского коалы, который кроме листьев семи разных видов эвкалиптов, сменяемых им в зависимости от сезона, ничем иным не питается. Вот такие-то «гурманы» больше всего помогают геологам. Миндаль, растущий на месторождении Сары-Чеку, содержал иной раз почти в десять раз больше стронция, железа, хрома, меди, молибдена в ветвях и листьях, чем те же деревья на безрудных породах. Однако по внешнему виду деревья не отличались. Оказалось, что подобное явление связано с отложениями сульфата меди в растениях. А ведь такие свойства растений прекрасно можно использовать при аэрофотосъемке. Хорошо видны рудные участки, обозначенные пожелтевшими раньше времени листьями растений. Любое наступление болотной растительности говорит о неблагополучном состоянии акватории. Пятна скоплений сине-зеленых водорослей дадут знать о кислородном «голодании» озера, вызванном слишком большим количеством минеральных удобрений, которые выносят дожди с полей.

Недостаток магния. Растения-индикаторы недостатка магния — черная смородина и яблоня.

Растения слабо растут, у старых листьев проявляется межжилковый хлороз. Магниевое голодание у плодовых культур встречается часто, особенно у растущих на легких почвах. Обычно оно проявляется в первой половине лета на старых листьях. При сильной нехватке магния развивается некроз. У черной смородины края листьев загибаются книзу.

Недостаток железа — хлороз. Плодовые растения-индикаторы недостатка железа—груша, черешня ихеномелес. Травянистые растения-индикаторы — вьюнок, подорожник, одуванчик, тысячелистник.

Хлороз чаще всего вызывается недостатком или отсутствием в почве растворимых солей железа, а это явление нередко наблюдается на известковых почвах и связано с тем, что в щелочных почвах железо, даже если оно находится в достаточном количестве, для растений недоступно. Исправить положение можно внекорневыми подкормками, внесением хелатов.                                                                                                                     Причинами хлороза могут быть также недостаточное питание; избыток влаги в почве; сильная засуха; повреждения от заморозков, токсическое воздействие вредных веществ; избыток марганца, меди, цинка; вирусные заболевания.  

Недостаток марганца. Растения-индикаторы недостатка марганца — яблоня, вишня, малина.

При марганцевом голодании пожелтение начинается с краев листа, распространяясь на всю листовую пластинку. Жилки при этом долго остаются зелеными, как и в случаях, вызванных нехваткой железа. Богатство почв железом затрудняет марганцовое питание. Наоборот, на кислых почвах возможно отравление избытком марганца.

Недостаток бора. Растения-индикаторы недостатка бора — яблоня, вишня, земляника, сахарная свекла.

Борное голодание наблюдается у растений на карбонатных и кислых почвах после их известкования. Верхние листья мелкие, скрученные, опадают раньше времени, что приводит оголению верхушек деревьев. Побеги кустятся, образуя «ведьмины метлы». Многие цветки из-за стерильности не способны образовать плоды.

Недостаток меди. Растение-индикатор недостатка меди — яблоня.

Признаки недостатка меди чаще проявляются у культур, произрастающих на торфяных почвах, реже на кислых песчаных. Их проявление может усиливаться в засуху и жаркую погоду. Верхушечные листья, начиная с краев, буреют, деформируются и опадают. Рост растений замедляется. Кора побегов трескается, на ней появляются вздутия, а сами побеги усыхают.

Недостаток цинка. Растение-индикатор недостатка цинка — яблоня.

Недостаток цинка особенно проявляется у растений на известковых почвах, а также при избыточном внесении азотных удобрений и навоза. Уже весной наблюдается хлоротичность листьев. У семечковых культур появляются мелкие пятна в середине листовой пластинки, у косточковых культур обычно желтеет вся ткань между жилками. Характерным признаком недостатка цинка является развитие розеточности, когда на укороченных побегах образуются мелкие, узкие листья, собранные в розетки. Меняются форма и окраска плодов.

Недостаток кальция. Растение-индикатор недостатка кальция — яблоня.

Недостаток кальция проявляется на кислых почвах и сказывается, прежде всего на верхних частях растений. Недостаток кальция может быть вызван усиленным внесением калийных и магниевых удобрений, особенно на песчаных почвах. У плодовых культур при нехватке кальция приостанавливается рост побегов, края листьев загибаются книзу. При значительном недостатке кальция сначала отмирают ткани верхних листьев, затем усыхают верхушки побегов. Наблюдается отмирание кончиков корней.

Недостаток серы. Растение-индикатор недостатка серы — яблоня.

При недостатке серы молодые листья приобретают желтый цвет с оранжевым и красноватым оттенком, как при азотном голодании. Стебли и ветви грубеют, рост замедляется.                                                                          При недостатке азота и фосфора листья приобретают светло-зеленую окраску, растут под острым углом к побегу, становятся жесткими. При недостатке трех важнейших элементов — азота, фосфора и калия — растения слабо растут и плохо плодоносят.                                                     Растения на почвах с повышенным содержанием тех или иных элементов накапливают их в своих тканях. Поедание таких растений животными способно вызвать у них ряд заболеваний и даже привести к гибели (приложение №5).

Самодельные индикаторы

    В химических лабораториях то и дело пользуются индикаторами - иногда для определения тех или иных веществ, а большей частью, чтобы узнать кислотность среды, так как от этого свойства зависят и поведение веществ, и характер реакции. Индикаторы  могут  понадобиться и нам, а так как не всегда можно их купить, то я попробовала  приготовить их самостоятельно.

Исходным сырьем могут служить растения: многие цветки, плоды, ягоды, листья и корни содержат окрашенные вещества, способные менять свой цвет в ответ на то или иное воздействие. И, попадая в кислую (или, напротив, в щелочную) среду, они наглядным образом сигнализируют нам об этом. Существует 2 вида пигментов: ксантин (каротин, ксантофилл, флавоны), окрашивающие лепестки цветов в жёлтый, оранжевый цвет, и антоцианы, придают лепесткам красный, голубой и фиолетовый цвета.

Огромное количество тонов и оттенков получается при смешивании пигментов с солями, извлекаемыми корнями растений из почвы. Например, редко встречающаяся зелёная краска венчиков копытня и селезеночника обусловлена взаимодействием ксантина с солями железа.

Пигменты растений могут быть химическими индикаторами.

    Растительное "сырье" летом собрать нетрудно - в лесу, в поле, в саду или огороде. Исходным сырьём для получения отваров природных индикаторов могут служить цветки герани, лепестки пиона или мальвы, ирис, тёмные тюльпаны или анютины глазки так же ягоды малины, клубники, черники, черноплодной рябины, соки вишни, смородины, винограда, плоды и кора крушины, ягоды черёмухи, краснокочанная капуста.

    Так как растворы индикаторов получают отвариванием (отвар - это нечто вроде бульона), то они, естественно, быстро портятся - скисают, плесневеют. Их надо готовить непосредственно перед опытом.  Чтобы обеспечить себя индикаторами на весь год, засушите летом лепестки и ягоды, разложите их по отдельным коробочкам, потом точно так же, как говорилось выше, приготовьте из них отвары, отдельно из каждого растения. Возьмите немного запасенного сырья (точное количество не имеет значения), положите в пробирку, налейте воды, поставьте на водяную баню и нагревайте до тех пор, пока раствор не окрасится. Каждый раствор после охлаждения профильтруйте и слейте в приготовленную заранее чистую склянку с этикеткой.

Есть и другой способ приготовления растительных индикаторов. Берут по 50г сырья, измельчают, заливают 200 мл воды и кипятят в течение 1-2 минут. Полученные отвары охлаждают и фильтруют. С целью предохранения от порчи в полученный фильтрат добавляют спирт в соотношении 2:1.

Получив, таким образом, растворы индикаторов, необходимо проверить, какую окраску они имеют в разных средах. Для этого надо провести эксперимент.

   Возьмём пипеткой несколько капель самодельного индикатора и добавим их поочередно в кислый или щелочной раствор. Кислым раствором может служить столовый уксус, а щелочным раствор стиральной соды, карбоната натрия. Если, к примеру, добавить к ним вишнёвый  отвар из ягод черники, то под воздействием уксуса он станет чёрным, соды - красным. Результаты всех этих опытов я записала в таблицу; она приведена в приложение №4.

Не только листья и ягоды могут сослужить вам службу в качестве индикаторов. На изменение кислотности четко реагируют изменением цвета некоторые соки (в том числе из красной капусты, из вишни, черного винограда, черной смородины), даже компоты. Сыграть роль индикатора может обычный борщ. Хозяйки это давно приметили и используют такое свойство свекольного отвара, но не для анализа. Чтобы борщ был, ярко-красным, в него перед окончанием варки добавляют немного пищевой кислоты - уксусной или лимонной; цвет меняется буквально на глазах. Даже чай является индикатором. Многие из вас наверно замечали, что если положить в чай лимон, то он светлеет, то есть в кислой среде чай светлее. Если растворить в чае питьевую соду, раствор потемнеет (пить такой чай, конечно, не следует). Чай из цветков («каркаде») дает намного более яркие цвета. [3]

    В лабораториях широко используют индикатор фенолфталеин. Приготовим его из аптечных таблеток того же названия.  Одну-две таблетки разотрите и растворите примерно в 10 мл водки (в крайнем случае, просто в теплой воде). В любом случае таблетки растворятся не полностью, потому что кроме основного вещества, фенолфталеина, в них есть еще наполнитель - тальк или мел. Отфильтруйте полученный раствор через промокательную бумагу и перелейте в чистую склянку с этикеткой "фенолфталеин - индикатор". Этот бесцветный раствор со временем не портится. Он пригодится, и не раз, для определения щелочной среды: в ней он мгновенно краснеет. Для проверки добавьте каплю-другую фенолфталеина к раствору стиральной соды.

    И последнее о растительных индикаторах. Некогда было в моде писать приглашения на лепестках цветов; а писали их в зависимости от цветка и желаемого цвета надписи раствором кислоты или щелочи, пользуясь тонким пером или заостренной палочкой. Попробуйте, если хотите, писать, таким образом, но лепестки и растворы для письма подберите самостоятельно. Имейте в виду, что раствор должен быть не слишком концентрированным, иначе можно повредить нежный лепесток. [9]

Заключение

Самодельные индикаторы можно использовать не только на уроках химии, но и в домашних условиях, например для определения среды растворов моющих средств. В настоящее время в магазинах представлен огромный ассортимент моющих средств, на этикетках, которых указывается, что они не оказывают негативного воздействия на кожу рук и тела. Так ли это, можно проверить  с помощью приготовленных индикаторов.

Поверхностный слой кожи – эпидермис – покрыт микроскопически тонким слоем – кислотной мантией. В эпидермисе протекает множество биохимических процессов. В результате образуются кислоты – молочная, лимонная и другие. Плюс к этому – кожное сало и пот. Всё это составляет кислотную мантию кожи. Следовательно, нормальная кожа имеет кислотную среду, pH кожи составляет в среднем 5,5.

При использовании моющих средств для посуды, имеющих щелочную среду, нарушается нормальная кислотная среда кожи рук. Для предохранения кожи рук от негативного воздействия моющие средства для посуды должны иметь значение pH, соответствующее значению pH кислотной мантии эпидермиса.

В ходе работы  я исследовала школьными индикаторами некоторые моющие средства (приложение №2). Я решила сравнить два мыла одной товарной марки, они отличались тем, что одно было сухим, а другое жидкое. И обнаружила, что жидкое подходит больше для рук, чем сухое. Шампунь Palmolive для кожи головы тоже подходит. Молочко для умывания «Легенда», бальзам для волос «Русское поле» подходят для кожи головы. Средство для мытья посуды Bingo подходит для кожи рук, но вот хозяйственное мыло постоянно использовать не рекомендуется - у него щелочная среда.

В качестве индикаторов можно использовать некоторые растения (приложение №3).

Таким образом, самодельные индикаторы можно применять на уроках химии, если возникнет проблема обеспечения школы химическими индикаторами, и в домашних условиях  для проверки моющих средств, используемых в быту, или на даче для определения кислотности почвы.

Литература

1. Иллюстрированный энциклопедический словарь. - М.: Издательство «Большая Российская энциклопедия »1998
2. Кузнецова О.Н. «Занимательно об индикаторах». - Журнал «Химия в школе», №10 – 2008г. с.52
3. Леенсон И.А. «Индикаторы» http://imc.rkc-74.ru/ 
4. Новый энциклопедический словарь. - М.: Большая Российская энциклопедия. Ринол Классик, 2000
5. Протасова Н.А. Микроэлементы: биологическая роль, распределение в почвах, влияние на распространение заболеваний человека и животных. Соросовский Образовательный журнал, №12- 1998г. с.32
6. Словарь иностранных слов.- М.: Русский язык, 1980
7. Словарь Русского языка: В 4-х т.-М.: Русский язык, 1985-1988.Т.1. А-Й. 1985.
8. Энциклопедический словарь юного химика. – М: Педагогика, 1982
9. Я познаю мир. Детская энциклопедия. Химия. Савина Л. А.- М.: Издательство АСТ, 1996
10. http://chemistry.narod.ru
11. www.sadurad.ru

Приложения

Приложение №1

Приложение №2

Приложение №3

Приложение №4

Приложение №5

             Недостаток марганца                                            Недостаток молибдена                

      Недостаток серы                                                                  Недостаток железа     Недостаток калия          

Недостаток магния           Недостаток цинка                      Недостаток бора