ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКАЯ РАБОТА «Природные индикаторы»

ОГЛАВЛЕНИЕ:

Введение

1. Химические индикаторы

         1.1. Разновидности индикаторов

2. История  открытия  индикаторов

      2. Индикаторы в природе

      2.1.Антоцианы и каротиноиды

      2.2. Индикационная геоботаника

      3. Практическая часть: исследование природных индикаторов

Заключение                                                                            

Литература    

Рецензия

Введение

В своей жизни мы встречаемся с различными веществами, которые нас окружают. В этом году мы начали изучать интересный предмет - химию. Сколько же в мире веществ? Какие они? Зачем они нам нужны и какую пользу приносят?

На уроках при изучении темы «Важнейшие классы неорганических соединений» я познакомилась с индикаторами - лакмус, фенолфталеин и метиловый оранжевый. Что такое индикаторы? Индикаторы - это вещества, которые изменяют свой цвет в зависимости от среды раствора. С помощью индикаторов можно определить среду раствора.

Я решила выяснить как можно больше об этих удивительных веществах, и можно ли в качестве индикаторов использовать те природные материалы, которые есть дома.

Целью нашей работы является: доказать наличие природных индикаторов в разных растениях и изучить их свойства.

Для проведения работы я поставила задачи:

- изучить литературу по данной теме;

- исследовать природные объекты на наличие индикаторов;

- изучить методику приготовления индикаторов из ягод, плодов и овощей;

- доказать индикаторные свойства растений;

Актуальность работы заключается в том, что интерес к растениям в настоящее время возрос в связи с тем, что их шире стали применять в различных областях науки (химия, биология, медицина, экология).

Например: по окраске растений можно определить наличие  вредных веществ в атмосферном воздухе и почве, определить кислотность почвы на садовом участке, что определяет урожайность плодов и ягод.

Объектами  исследования явились свежезамороженные  ягоды  смородины,  клубники,  брусники, а также сок столовой свеклы,  краснокочанной капусты, красного лука, черного винограда, грибов, черной сливы.

Гипотеза исследования: если растения изменяют цвет в различных средах, то их можно использовать в качестве индикаторов.

Для достижения поставленной цели были использованы следующие методы исследования:

- изучение  научно-популярной  литературы;

- получение  растворов  индикаторов  и  работа  с ними:

- анализ, сравнение, химический эксперимент;

 Нужную информацию я  находила в книгах, периодических изданиях, интернете.

Данная тема хорошо освещена, поэтому была проведена большая работа, связанная с отбором и систематизацией информации.

Моя работа состоит из трех блоков. В первом блоке я рассмотрела многообразие индикаторов и их химическую природу. Во втором, - какие растения являются индикаторами и их роль в природе и жизни человека. В третьем блоке - моё практическое исследование.

1.Химические индикаторы

1.1. Разновидности индикаторов

Индикаторы-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.(9)

К химическим индикаторам относятся такие как, кислотно-основные  (фенолфталеин, лакмус, метиловый оранжевый) - они изменяют свой цвет в зависимости от среды раствора, универсальные,  окислительно-восстановительные индикаторы (изменяют свой цвет в зависимости от того, что присутствует в растворе окислитель или восстановитель). Например, окисленная форма дифениламина имеет фиолетовую окраску, а восстановленная – бесцветную.(10)

Некоторые вещества адсорбируются на поверхности осадка, изменяя его окраску, такие индикаторы называются адсорбционными.

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

При определении мутных или окрашенных растворов, в которых практически не возможно заметить изменение окраски обычных кислотно-основных индикаторов используются флуоресцентные индикаторы. Они светятся разным цветом в зависимости от рН раствора.(6)

 Самыми  устойчивыми  и востребованными  в лабораториях химии являются кислотно-основные индикаторы. Кислотно-основные индикаторы это вещества, окраска которых изменяется в зависимости от изменения  величины рН раствора. К индикаторам предъявляются определенные требования:

1. окраска индикатора при близких значениях рН должна явно отличаться;

2. изменение цвета индикатора должно происходить резко в небольшом интервале значений рН;

3. окраска индикатора должна быть, возможно, более интенсивной. Хорошо известные нам лакмус и метиловый оранжевый относятся к двухцветным индикаторам, так как обе их формы, существующие в растворе, окрашены. Фенолфталеин – одноцветный индикатор, у него окрашена только одна форма, другая -  бесцветная.(9)

Моя работа посвящена кислотно-основным индикаторам.

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. 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.(3)

 Таблица1

В таблице приведены распространенные в лабораторной практике кислотно-основные индикаторы.

Однако наиболее часто в лабораторной практике используется универсальный индикатор – смесь нескольких кислотно-основных индикаторов. Он позволяет легко определить не только характер среды (кислотная, нейтральная, щелочная), но и значение кислотности (pH) раствора.

1.2 История открытия индикаторов

Пигменты многих растений способны менять цвет в зависимости от кислотности клеточного сока. Следовательно, пигменты являются индикаторами, которые можно применить для исследования кислотности других растворов. Общее название таких растительных пигментов флавоноиды. В эту группу входят так называемые антоцианы, которые обладают хорошими индикаторными свойствами.

Самый используемый в химии растительный кислотно-основной индикатор – лакмус. Он был известен уже в Древнем Египте и в Древнем Риме, где его использовали в качестве фиолетовой краски-заменителя дорогостоящего пурпура. Использование пигментов для определения среды раствора впервые научно применено Робертом Бойлем (1627 – 1691). 1663 год, в лаборатории, как обычно, кипела напряженная работа: горели свечи, в ретортах нагревались разнообразные вещества. В кабинет к Бойлю вошел садовник и поставил в углу корзину с великолепными темно–фиолетовыми фиалками. Восхищенный красотой и ароматом фиалок, ученый, захватив с собой букетик, направился в лабораторию. Его лаборант Уильям сообщил Бойлю, что вчера доставили две бутылки соляной кислоты из Амстердама. Бойлю захотелось взглянуть на эту кислоту, и, чтобы помочь Уильяму налить кислоту, он положил фиалки на стол. Затем он взял со стола букетик и отправился в кабинет. Здесь Бойль заметил, что фиалки слегка дымятся от попавших на них брызг кислоты. Чтобы промыть цветы, Бойль 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, Бойль, как истинный ученый, не мог пройти мимо такого случая и начал исследования. Он обнаружил, что и другие кислоты окрашивают лепестки фиалок в красный цвет. Ученый подумал, что если приготовить из лепестков настой и добавить немного к исследуемому раствору, то можно будет узнать, кислый он или нет.(10.2) Бойль начал готовить настои из целебных трав, древесной коры, корней растений. Однако самым интересным оказался фиолетовый настой, полученный из определенного лишайника. Кислоты изменяли его цвет на красный, а щелочи – на синий. Бойль распорядился пропитать этим настоем бумагу и затем высушить ее. Так была создана первая лакмусовая бумажка, которая теперь имеется в любой химической лаборатории. Таким образом, было открыто одно из первых веществ, которые Бойль уже тогда назвал индикаторами.(3)

2. Индикаторы в природе

2.1.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. Антоцианы придают растениям окраску в диапазоне от розовой до темно- фиолетовой.(2)

Строение антоцианов установлено в 1913 году немецким биохимиком Р.Вильштеттером. Первый химический синтез осуществлен в 1928 году английским химиком Р.Робинсоном. 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.(3)

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. Антоцианы обладают хорошими индикаторными свойствами: в нейтральной среде приобретают пурпурную окраску, в кислой среде – красный цвет, в щелочной среде – зелено-желтый цвет. К сожалению, почти у всех природных индикаторов есть серьезный недостаток: их отвары довольно быстро портятся – скисают или плесневеют. Другой недостаток – слишком широкий интервал изменения цвета. При этом трудно или невозможно отличить, например, нейтральную среду от слабокислой или слабощелочную от сильнощелочной.(5)

Растения с повышенной концентрацией антоцианов популярны в ландшафтном дизайне.

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.(8)

2.2 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 последние годы были научно обоснованы связи между определенными растениями и месторождениями некоторых полезных ископаемых. 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. 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. 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.(4)

3. Практическая часть: исследование природных индикаторов

Я решила выяснить, какие, из имеющихся дома съедобных растений, можно использовать в качестве кислотно-щелочных индикаторов. Для опыта взяла замороженные ягоды клубники, смородины, брусники, сливы, корнеплоды свеклы, моркови, краснокочанную капусту, фиолетовый лук, черный виноград, грибы белые.

Использовала следующие материалы и оборудование: стаканы, воронки, пробирки, ступки с пестиками, нож, фильтровальную бумагу, воду, этиловый спирт, растворы гидроксида натрия и соляной кислоты.

Ягоды растирала в ступке, свеклу, морковь, капусту, виноград измельчила с помощью блендера. Экстракцию пигмента (краски) из измельченного сырья проводили двумя способами: с помощью спирта и воды (см. Приложение 1).

Окрашенные спиртовые и водные растворы фильтровали с помощью бумажного фильтра и марли, чтобы избавить настой от частиц растений. Весь химический эксперимент проводился в школьном кабинете химии совместно с руководителем работы.

Опыт: Исследование изменение окраски приготовленных растворов в зависимости от среды.

В пробирки налили растворы щелочи и кислоты и добавляли растворы природных индикаторов. Отмечали изменение окраски растворов (см. Приложение 1).

Результаты исследований.                                                                                         Таблица 2

Испытания растворов дали очень интересные результаты:

1. Ярко окрашенные растворы в кислоте и щелочи наблюдались у краснокочанной капусты, смородины, брусники и свеклы. Цвет растворов в кислой среде наблюдался ярко-красного, ярко-розового цвета. В щелочной среде растворы были насыщенного зеленого и синего цвета.
2. Менее окрашенные растворы после испытаний наблюдались у клубники, винограда, красного лука и сливы. Но изменение цвета в различных средах было очень заметно, как мы видим из таблицы 2, цвета растворов в щелочной среде были более темными: оттенки коричневого и зеленого, а в кислой среде -  более яркими и светлыми: оттенки оранжевого и розового.
3. Наименее окрашенными растворами получились растворы моркови и грибов. Цвета этих растворов в различных средах совсем немного отличались друг от друга: в щелочной среде темнее, в кислой среде светлее.

Заключение

По результатам нашего исследования были доказаны индикаторные свойства исследуемых объектов. Причем, здесь наблюдается следующая закономерность – все данные природные объекты в кислотной среде преимущественно окрашиваются в красный цвет, а в щелочной среде – в зелено-желто-синий. И это доказывает, что они действительно содержат антоцианы. Данное исследование нам показало, что в природе существуют такие растительные объекты, которые меняют свою окраску в зависимости от кислотности среды. Поэтому мы можем назвать их природными индикаторами.

Таким образом, в ходе исследования гипотеза полностью подтвердилась. Задача исследования выполнена.

Эта работа оказалась очень интересной и полезной. Вызывает желание узнать и получить больше информации об использовании растений. В результате было доказано, что многие растения содержат антоцианы, благодаря которым они могут являться природными индикаторами. Их можно использовать как в быту, так и в химии для исследований. А еще я узнала, что поступая в организм человека с фруктами и овощами, антоцианы проявляют действие, схожее с витамином Р, они поддерживают нормальное состояние кровяного давления и сосудов, предупреждая внутренние кровоизлияния. Антоцианы требуются клеткам головного мозга, улучшают память. Многие исследования подтвердили пользу антоцианов для зрения. Наибольшая концентрация антоцианов содержится в чернике. Поэтому препараты, содержащие чернику, наиболее востребованы в медицине. Антоцианы,  часто применяются благодаря их уникальным свойствам, и имеют огромное биохимическое значение, а именно, являются  мощными антиоксидантами, которые сильнее в 50 раз витамина С, нейтрализующими свободные радикалы, которые губительно действуют на наш организм. Таким образом, антоцианы являются гарантами долгой и здоровой жизни клеток, а значит - продлевают нашу жизнь. Поэтому  природные продукты, содержащие эти соединения нужно регулярно употреблять в пищу.

Итак, я пришла к выводу:

1. Кислотно-основные индикаторы необходимы в химическом анализе, для определения среды растворов.
2. Существуют природные растения, которые проявляют свойства кислотно-основные индикаторов.
3. В качестве природных индикаторов можно использовать ярко окрашенные  ягоды  или фрукты и овощи.
4. Растворы природных индикаторов можно приготовить  и использовать в домашних условиях.
5. Природные индикаторы также являются вполне «точными» определителями кислотности жидкостей, как и наиболее «профессиональные» индикаторы: лакмус, фенолфталеин и метиловый оранжевый.
6. Растительные индикаторы доступны, безопасны в использовании, экономичны.
7. Наиболее пригодны для получения индикаторов такие растения, как свекла, черная смородина, краснокочанная капуста, брусника. Свойства этих индикаторов сравнимы со свойствами универсальной индикаторной бумаги.
8. Индикаторы можно готовить из замороженного сырья.
9. Полученные индикаторы можно использовать на уроках химии, на занятиях элективного курса, чтобы иметь представление о природных индикаторах и использовать их в своей жизни в будущем, так как синтетические не всем доступны.

Эти исследования необходимо продолжить летом, когда много цветущих растений. Ярко окрашенные цветы содержат много различных пигментов, которые могут быть индикаторами и использоваться в качестве красителей

Я не зря работала над этой темой, так как и мои маленькие открытия принесут пользу не только для меня, но и для других учащихся.

Летом мои изыскания продолжаться: можно набрать цветы и ягоды в саду и в лесу. Это могут быть ирисы, анютины глазки, тюльпаны, малина, вишня и т. п. Высушить собранные лепестки и плоды впрок (плоды можно заморозить), и можно смело использовать их как индикаторы.

Список литературы

1. Артамонов В.И. Зеленые оракулы. – Издательство «Мысль», 1989
2. Ветчинский К.М. Растительный индикатор. М.: Просвещение, 2002. – 256с.
3. Вронский В.А. Растительный индикатор. – СПб.: Паритет, 2002. – 253с.
4. Галин Г.А. Растения помогают геологам. – М.: Наука, 1989. – 99с.
5. Зацер Л.М. К вопросу об использовании растений – индикаторов в химии. –М.: Наука, 2000. – 253с.
6. Савина Л.А. Я познаю мир. Детская энциклопедия. Химия. – М.: АСТ, 1996.
7. Степин Л.Ю. Аликберова Б.Д. Занимательные задания и эффектные опыты по химии. – М.: Дрофа, 2002.
8. Штремплер Г.И. Домашняя лаборатория. (Химия на досуге). - М., Просвещение, Учебная литература.- 1996.
9. Энциклопедический словарь юного химика. – М.: Педагогика, 1982.
10. Интернет-ресурсы

10.1. www.alhimik.ru

10.2. http://xumuktutor.ru/e-journal/2011/10/16/robert_boyle/

10.3. http://www.inflora.ru/cosmetics/cosmetics258.html