Индикаторы в химии

ИНДИКАТОРЫ в химии (лат. indicator указатель) — вещества, изменяющие свой цвет в присутствии тех или иных химических соединений в исследуемой среде (в растворе, в воздухе, в клетках, в тканях), а также при изменении pH или окислительно-восстановительного потенциала среды; широко применяются в биохимических, клинических и санитарно-гигиенических лабораториях.

И. применяют для определения конца реакции (точки эквивалентности) при титровании, для колориметрического определения величин pH или окислительно-восстановительных потенциалов, для обнаружения различного рода веществ в тех или иных исследуемых объектах. Для всех этих целей И. применяют в виде водных или спиртовых р-ров или в виде индикаторных бумажек, представляющих собой полоски фильтровальной бумаги, пропитанные И.

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.

Гипотеза: растворы растительных индикаторов можно приготовить самостоятельно и применять в домашних условиях для определения среды некоторых напитков и растворов моющих средств.

Цель работы: Изучить действие химических и природных индикаторов в различных средах.

Задачи:

- изучить литературные источники по теме;

- рассмотреть классификацию индикаторов;

- сделать определенные выводы по применению индикаторов в быту и природе;

- научиться выделять индикаторы из природного сырья;

- исследовать действие природных индикаторов в различных средах (определить среду растворов некоторых продуктов питания, ягодных соков и растворов моющих средств для посуды).

Актуальность темы: сегодня большой интерес вызывают свойства растений и возможности применения их в химии, биологии и медицине.

Цель работы: изучить природные индикаторы и как их мы можем использовать в повседневной жизни.

Для достижения цели были поставлены следующие задачи:

• Изучить материал об индикаторах как химических веществах.

• Изучить природные индикаторы.

• Выяснить, как можно применять знания о природных индикаторах в повседневной жизни.

Для достижения поставленных задач я изучила литературу в библиотеке и кабинете химии, использовала материалы с сайтов Интернета, а так же использовала методы наблюдения, эксперимента, сравнения, анализа.

Моя работа состоит из трех глав. В первой главе я рассмотрела многообразии индикаторов и их химическую природу. Во второй, - какие растения являются индикаторами и их роль в природе и жизни человека. В третьей главе моё практическое исследование.

1.1 История открытия индикаторов

1.2. Разновидности индикаторов

pH - водородный показатель. Это понятие ввёл датский химик Сёренсен для точной числовой характеристики среды раствора и предложил математическое выражение для его определения:

рН = -lg [H⁺].

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.

Строение антоцианов установлено в 1913 году немецким биохимиком Р.Вильштеттером. Первый химический синтез осуществлен в 1928 году английским химиком Р.Робинсоном[7.4]. 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.

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 (см Приложение 1) . Другой недостаток – слишком широкий интервал изменения цвета. При этом трудно или невозможно отличить, например, нейтральную среду от слабокислой или слабощелочную от сильнощелочной.

Растения с повышенной концентрацией антоцианов популярны в ландшафтном дизайне.

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, 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.

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 [1].

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 [1].

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.

Вот список растений, листья или плоды которых можно использовать для приготовления природных индикаторов.

Индикаторы позволяют быстро и достаточно точно контролировать состав жидких сред, следить за изменением их состава или за протеканием химической реакции.

Как уже было сказано, в растениях очень много природных пигментов, природных индикаторов, большая часть которых относится к антоцианам.

Так как антоцианы обладают хорошими индикаторными свойствами, то их можно применять как индикаторы для идентификации кислотной, щелочной или нейтральной среды, как в химии, так и в быту. От кислотности среды зачастую зависит и поведение веществ, и характер реакции.

Природные индикаторы находят применение во многих областях человеческой деятельности: в медицине и экологии, в сельском и народном хозяйстве, в пищевой промышленности и в быту.

Так же антоцианы применяются в косметике, т.к. обладают стабилизирующим эффектом и являются коллагенами и в пищевой промышленности в виде добавки E163 в качестве природных красителей. Они применяются в производстве кондитерских изделий, напитков, йогуртов и других пищевых продуктов.

1. Биохимическая роль индикаторов и применение в медицине

Данные последних лет свидетельствуют, что красящие вещества растений выполняют огромную биохимическую роль, обладают многообразными лечебными эффектами и благотворно влияют на организм человека.

Антоцианы являются мощными антиоксидантами, которые сильнее в 50 раз витамина С. Многие исследования подтвердили пользу антоцианов для зрения. Наибольшая концентрация антоцианов содержится в чернике. Поэтому препараты, содержащие чернику, наиболее востребованы в медицине.

Образуя комплексы с радиоактивными элементами, которые губительно действуют на наш организм, антоцианы способствуют быстрому выведению их из организмов. Таким образом, антоцианы являются гарантами долгой и здоровой жизни клеток, а значит, продлевают и нашу жизнь. Они оказывают защитное действие на сосуды, уменьшая их ломкость, помогают снизить уровень сахара в крови.

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.

Антоцианы обладают уникальными свойствами – подавляют рост опухолей. Так, например недавние исследования показали, что употребление антоцианов в пищу помогает сократить риск заболевания раком пищевода и прямой кишки. Приготовленные из растений, содержащих антоцианы, водные и подкисленные настои в течение нескольких часов уничтожали бактерии дизентерии и брюшного тифа. Антоцианы помогают предотвратить развитие катаракты и в целом оказывают благоприятное воздействие на весь организм. Поэтому овощи и фрукты ярких цветов считаются полезными для организма.

2. Применение природных индикаторов в народном хозяйстве

Кроме медицины антоцианы также используются и в других областях народного хозяйства. Например, в сельском хозяйстве, для оценки химического состава почвы, степени её плодородия, при разведке полезных ископаемых. Добавив в антоциановый раствор горсть земли, можно сделать заключение о ее кислотности, т. к. на одной и той же почве в зависимости от ее кислотности один вид растений может давать высокий урожай, а другие будут угнетенными.

«Или взять хотя бы всем известный картофель. Он имеет различную окраску кожуры, глазков, проростков и мякоти. Различие окраски картофеля зависит от содержащихся в нем пигментов. Окрашенные клубни картофеля, как правило, богаче необходимыми для нашего организма веществами. Так, например, клубни с желтой мякотью имеют повышенное содержание жира, каротиноидов, рибофлавина и комплекса флавоноидов.».

«За счет способности антоцианов менять свою окраску можно наблюдать изменение цвета клубней картофеля в зависимости от применения минеральных удобрений и ядохимикатов. При внесении фосфорных удобрений картофель становиться белым, сульфат калия придаёт розовый цвет. Окраска клубней меняется под влиянием ядохимикатов, содержащих медь, железо, серу, фосфор и другие элементы. Такими свойствами обладают и другие растения содержащие природные индикаторы. Что позволяет оценить экологическую обстановку. При экологическом мониторинге загрязнений, использование растений содержащих природные индикаторы часто дает более ценную информацию, чем оценка загрязнения приборами. К тому же такой способ мониторинга состояния окружающей среды проще и экономичнее» ( Н.Н.Третьяков. Учебник по агрономии).

3. Применение индикаторов в быту

Растительные индикаторы можно использовать и в быту.

• Индикаторы помогают определять среду растворов различных средств бытовой химии и косметических средств, удалять пятна растительного происхождения.

• Даже хозяйки используют индикаторы, чтобы борщ был ярко-красным - в него перед окончанием варки добавляют немного пищевой кислоты – уксусной или лимонной; цвет меняется прямо на глазах.

• Давненько 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.

• Ещё в прошлом веке реакцию йода с крахмалом (в результате которой все окрашивается в синий цвет) использовали, чтобы уличить недобросовестных торговцев, которые добавляли в сметану «для густоты» пшеничную муку. Если на образец такой сметаны капнуть йодной настойки, синее окрашивание сразу выявит подвох.

• Раньше лакмус использовали в качестве красителя, но когда изобрели синтетические красители, использование лакмуса ограничилось. Для этой цели служат полоски фильтрованной бумаги, пропитанной раствором лакмуса.

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 мороженые ягоды черники, клубники, вишни, малины, корнеплоды свеклы.

Для проведения опытов я 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 измельчила с помощью терки. Экстракцию пигмента (краски) из измельченного сырья проводили двумя способами: с помощью спирта и воды (см. Приложение 2).

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 1. 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 3).

Результаты исследования.

Шкала цветовых переходов настоев некоторых растений в различных средах.

Опыт 2. Исследование среды растворов бытовой химии.

С помощью природных приготовленных индикаторов я исследовала среду шампуня, которым пользуюсь дома, мыло детское, молочко для умывания, средство для мытья посуды (см. Приложение 4).

Результаты исследований.

В результате исследования я сделала вывод, что шампунь и пенка для умывания вполне подходят для применения. А вот средство для мытья посуды имеет щелочной характер и может влиять на кожу рук, т.к. наша кожа имеет слабокислую реакцию[6.3].

Опыт3. Нагревание до кипения раствора свеклы.

Водный раствор свеклы нагрели до кипения, и цвет изменился с насыщено красного до бледно-красного. При добавлении соляной кислоты цвет вернулся и даже стал более выраженным. Такое происходит при варке борща. Чтобы вернуть красивый насыщенный цвет можно добавить немного яблочной или уксусной кислоты.

Список литературы

1. В.И. Артамонов Зеленые оракулы. – Издательство «Мысль», 1989.

2. Л.А. Савина Я познаю мир. Детская энциклопедия. Химия. – М.: АСТ, 1996.

3. Б.Д. Степин, Л.Ю. Аликберова Занимательные задания и эффектные опыты по химии. – М.: Дрофа, 2002.

4. Г.И. Штремплер. Домашняя лаборатория. ( Химия на досуге). - М., Просвещение, Учебная литература.- 1996.

5. Энциклопедический словарь юного химика. – М.: Педагогика, 1982.

6. Интернет-ресурсы

6.1 www.alhimik.ru

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

6.3http://www.inflora.ru/cosmetics/cosmetics258.html