Исследовательская работа по химии "Вещества на страже здоровья. Индикаторы - это всё о них"

Исследовательская работа

по химии на тему:

«Вещества на страже здоровья. Индикаторы и это всё о них»

Оглавление

Введение.

Актуальность темы. Индикаторы широко используют в химии, в том числе и в школе. Любой школьник, скажет, что такое фенолфталеин, лакмус или метилоранж. При знакомстве с кислотами и основаниями я узнала, что при добавлении того или иного индикатора в кислотную или щелочную среду, растворы меняют свою окраску. Ещё нам рассказали, что соки ярко окрашенных ягод, плодов и цветков обладают свойствами кислотно-основных индикаторов, т. к. тоже изменяют свою окраску при изменении кислотности среды.

Меня заинтересовал вопрос: какие растения могут использоваться в качестве индикаторов? Можно ли приготовить растворы растительных индикаторов самостоятельно? Пригодны ли самодельные индикаторы для использования в домашних условиях, например, для определения среды продуктов питания или средств бытовой химии с целью выявления их негативного влияния на кожу рук?

Считаю, актуальность темы заключается в том, что свойства растительных объектов могут быть использованы для применения в разных областях науки, например, таких как химия.

Действительно ли растворы растительных индикаторов можно приготовить самостоятельно и применять в домашних условиях для определения среды некоторых напитков и растворов моющих средств? Это и есть гипотеза моего исследования.

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

Задачи:

- изучить литературные источники по теме;

- рассмотреть классификацию индикаторов;

- сделать определённые 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).

I. ИСТОРИЯ ОТКРЫТИЯ ИНДИКАТОРОВ

Впервые вещества, меняющие свой цвет в зависимости от среды, обнаружил в XVII веке английский химик и физик Роберт Бойль. Он 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. 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? Ученый понял, что цвет фиалок зависит от того, какие вещества содержатся в растворе. Он приготовил для своих опытов водный настой лакмусового лишайника. Склянка, в которой он хранил настой, понадобилась для соляной кислоты. Вылив настой, Бойль наполнил склянку кислотой и с удивлением обнаружил, что кислота покраснела. Заинтересовавшись этим, Бойль на пробу добавил несколько капель настоя лакмуса к водному раствору гидроксида натрия и обнаружил, что в щелочной среде лакмус синеет.

Эксперименты следовали один за другим, проверялись васильки и другие растения, но всё же лучшие результаты дали опыты с лакмусовым лишайником. Так, в 1663 году, был открыт первый индикатор для обнаружения кислот и оснований, названный по имени лишайника лакмусом.

В 1667 году Роберт Бойль предложил пропитывать фильтровальную бумагу отваром тропического лишайника – лакмуса, а также отварами фиалок и васильков. Высушенные и нарезанные «хитрые» бумажки Роберт Бойль назвал индикаторами, что в переводе с латинского означает «указатель», так как они указывают на среду раствора.

Лакмус стал самым древним кислотно-основным индикатором. Надо сказать, что само красящее вещество лакмус был известно ещё в Древнем Египте и Древнем Риме. Его добывали из некоторых видов лишайников, произраставших на скалах Шотландии, и использовали в качестве фиолетовой краски, но со временем, рецепт его приготовления был утерян.

В середине XIX века химики научились искусственно синтезировать кислотно–основные индикаторы. Так в 1871 году немецкий химик - органик Адольф фон Байер, будущий лауреат Нобелевской премии, впервые осуществил синтез фенолфталеина.

В наши дни известны несколько сот кислотно-основных индикаторов, искусственно синтезированных /http://festival.Isentember.ru/articles/527634/

II. ХИМИЧЕСКИЕ ИНДИКАТОРЫ

Слово «индикатор» применяется в разных областях человеческой деятельности – механике, математике, биологии, экологии, экономике, в социальных, общественных науках и прочих.

Индикатор (от латинского indicator — указатель) — это прибор, устройство, информационная система, вещество или объект, отображающий изменения какого-либо параметра контролируемого процесса или состояния объекта в форме, наиболее удобной для непосредственного восприятия человеком визуально, акустически, тактильно или другим легко интерпретируемым способом. Мы будем рассматривать только химические индикаторы.

Химические индикаторы - это вещества, изменяющие окраску, люминесценцию или образующие осадок при изменении концентрации какого-либо компонента в растворе. Они бывают природного и химического происхождения.

В школе используются самые распространённые кислотно – основные индикаторы. Это растворимые органические соединения, которые меняют свой цвет в зависимости от концентрации ионов водорода Н⁺ (рН среды). Происходит это потому, что в кислой и щелочной среде молекулы индикаторов имеют разное строение. Примером может служить общеизвестный индикатор фенолфталеин. В кислой среде это соединение находится в виде недиссоциированных молекул и раствор бесцветен, а в щелочной среде – в виде ионов и раствор имеет малиновый цвет.

Универсальные индикаторы – это смеси нескольких индивидуальных индикаторов, подобранных так, что их раствор поочередно меняет окраску, проходя все цвета радуги при изменении кислотности раствора в широком диапазоне рН.

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⁺].

Характер среды имеет большое значение в химических и биологических процессах. В зависимости от типа среды эти процессы могут протекать с различными скоростями и в разных направлениях. Поэтому во многих случаях важно, как можно более точно определять среду раствора. При рН = 7 – среда нейтральная, при рН 7 – щелочная. Среду исследуемого раствора можно приблизительно определить по окраске индикаторов.

Итак, природный лакмус представляет собой сложную смесь. Это порошок черного цвета, растворим в воде, 95 % спирте, ацетоне, ледяной уксусной кислоте. Его основными компонентами являются: азолитмин (C₉H₁₀NO₅) и эритролитмин (С₁₃H₂₂O₆).

Окраска лакмуса в различных средах изменяется следующим образом:

Фенолфталеин С₂₀Н₁₄О₄ (продаётся в аптеке под названием "пурген") - белый мелкокристаллический порошок, растворим в 95% спирте, но практически не растворим в воде. Применяется в виде спиртового раствора, приобретает в щелочной среде малиновый цвет, а в нейтральной и кислой он бесцветен.

Метиловый оранжевый, C₁₄H₁₄N₃O₃SNa, - кристаллический порошок оранжевого цвета, умеренно растворим в воде, не растворим в органических растворителях. Метилоранж действительно оранжевый в нейтральной среде. В кислотах его окраска становится розово - малиновой, а в щелочах – жёлтой.

В настоящее время химики часто пользуются универсальной индикаторной бумагой. В основе - смеси индикаторов, позволяющие определитьзначение рН растворов в большом диапазоне концентраций (1-10; 0-12). Растворами таких смесей - «универсальных индикаторов» обычно пропитывают полоски «индикаторной бумаги», с помощью которых можно быстро (с точностью до десятых долей рН) определить кислотность исследуемых водных растворов./ Зацер Л.М. К вопросу об использовании растений – индикаторов в химии. –М.: Наука, 2000 – 253с.

III. ПРИРОДНЫЕ ИНДИКАТОРЫ

Кислотно-основные индикаторы бывают не только химическими. Они находятся вокруг нас, только обычно мы об этом не задумываемся. Когда нет настоящих химических индикаторов, то для определения среды растворов можно успешно применять самодельные индикаторы из природного сырья.

Исходным сырьем могут служить цветы герани, лепестки пиона или мальвы, ирис, темные тюльпаны или анютины глазки, а также ягоды малины, черники, черноплодной рябины, соки вишни, смородины, винограда, плоды крушины и черемухи.

Эти природные индикаторы содержат окрашенные вещества (пигменты), способные менять свой цвет в ответ на то или иное воздействие. И, попадая в кислую или щелочную среду, они наглядным образом сигнализируют об этом. Такими пигментами являются, прежде всего, антоцианы. Они имеют (преимущественно) красный цвет в кислой среде и синий или зеленый - в щелочной. Пример:

Именно антоцианы придают разнообразные оттенки розового, красного, голубого и лилового многим цветам, плодам и осенним листьям. Эта окраска часто зависит от рН клеточного содержимого, и потому может меняться при созревании плодов, отцветании цветков и увядании листьев.

Антоцианы - неустойчивые соединения, в клетках растений обычно содержится несколько различных антоцианов, и проявление их связано с химическим составом почвы и возрастом растения.

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). Чай же из цветков каркаде дает намного более яркие цвета.

Индикатором являются и обычные чернила, которые под влиянием кислоты изменяют окраску с фиолетовой на зеленую.

Сок столовой свеклы в кислой среде изменяет свой рубиновый цвет на ярко-красный, а в щелочной – на желтый. Список растений, листья или плоды которых можно использовать для приготовления природных индикаторов (смотри приложение)

IV. ПРИМЕНЕНИЕ ИНДИКАТОРОВ

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

1. Биохимическая роль индикаторов и применение в медицине

Данные последних лет свидетельствуют, что из трех групп флавоноидов (природных пигментов) только антоцианы обладают хорошими индикаторными свойствами. Поступая в организм с фруктами и овощами, антоцианы проявляют действие схожее с витамином 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, 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. 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. Поэтому овощи и фрукты ярких цветов считаются полезными для организма./Ветчинский К.М. Растительный индикатор. М.:Просвещение, 2002– 256с/

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 антоцианов 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» / Учебно – методическая газета для учителей химии «Первое сентября», №22, 2007г., стр.32/

3. Применение индикаторов в быту

Растительные индикаторы можно использовать и в быту.

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

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

• Ранее было модно писать приглашения на лепестках цветов; а писали их раствором кислоты или щелочи, пользуясь тонким пером или заостренной палочкой.

• С помощью иода изобличали недобросовестных торговцев, которые добавляли в сметану «для густоты» пшеничную муку.

• Лакмус использовали в качестве красителя.

V. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

1. Приготовление природных индикаторов

Для приготовления индикаторов из растительного сырья рекомендуется, использовать окрашенные растения или их части. Выбор растительного материала для приготовления индикаторов неограничен /приложение 2/

2. Определение среды некоторых средств бытовой химии с помощью полученного индикатора. /приложение 3/

3. Определение среды растворов некоторых кисломолочных продуктов /приложение 4/

Вывод:

Из проведенных мною исследований и теоретических и практических выяснилось, что рН как среда очень важна и зависит от назначения средства, поэтому меры предосторожности необходимо все же исполнять.

1. Из средств бытовой химии наиболее щелочную среду имел крем для ванн и кухни, такие средства удаляют в основную органические загрязнения: копоть, сажа, жир, масла, белковые загрязнения. Более кислотным оказалось средство для стекол и зеркал, такие средства удаляют слабые минеральные загрязнения (кальция, налетов извести и мыльного камня) при ежедневной или периодической уборке.

2. У зубных паст более щелочным оказался «Пародонтол», такие пасты очень хорошо нейтрализуют кислоты, выделяемую микробами в ротовой полости, а значит предотвращают от кариеса

3. Знать рН состава веществ и правилами их пользования очень важно, это защитит нас от проблем, а удостовериться в этом нам помогут самые обычные домашние индикаторы, которые всегда можно получить дома

Заключение

Приступая к работе, я выдвинула предположения о том, что растения обладают индикаторными свойствами, которые можно использовать в различных сферах. Данные, полученные в ходе исследования различных растительных объектов, показали, что в плодах, листья и цветах растений содержатся красители (пигменты), обладающие индикаторными свойствами. В ходе выполнения работы я выяснила, что такое индикаторы, как они изменяют свою окраску в разных средах;  освоила методику получения индикаторов из природного сырья:  капусты, свёклы, клюквы, домашней фиалки. Природные индикаторы  имеют  преимущества  перед  синтетическими, потому  что  они  дешёвые  и  доступные, они экологически безопасны, и их можно приготовить и использовать в домашних условиях.  К сожалению, почти у всех природных индикаторов есть серьёзный недостаток: их отвары довольно быстро портятся, теряют  свои  свойства.

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. Работу с природными индикаторами можно продолжить, исследуя индикаторные свойства других растений, а также используя для приготовления свежее сырье в летнее время года.

Литературные источники

1.Ветчинский К.М. Растительный индикатор. М.:Просвещение, 2002– 256с.

2 Вронский В.А. Растительный индикатор. – СПб.: Паритет, 2002 –253с.

3 Зацер Л.М. К вопросу об использовании растений – индикаторов в химии. –М.: Наука, 2000 – 253с.

4 Леенсон И.А. занимательная химия:Просвещение,2001. – 102с.

5 Учебно – методическая газета для учителей химии «Первое сентября», №22, 2007г.

6 Степин Б.Д., Аликберова Л.Ю., « Книга по химии для домашнего чтения», 2-е изд., М.: Химия, 1994г.

7 http://festival.Isentember.ru/articles/527634/

8 http://www.ximik.ru/encyklopedia/2/4738.html

Приложение 1

Приложение 2

1. Приготовление природных индикаторов

  Существуют различные способы приготовления индикаторов как из свежих, так и сушенных растений. Я использовала свежие лепестки, ягоды и овощи.

50г свежих плодов размельчила в ступке, залила 200мл воды и кипятила в течение 2-3минут. Затем охлаждённый и отфильтрованный раствор

разбавила спиртом в соотношении 2:1 с целью предохранения раствора от порчи.

Аналогично приготовила вытяжки из лепестков цветов. Затем приготовила контрольные образцы растворов кислой (лимонная кислота) и щелочной среды (сода) и определила окраску природных индикаторов в контрольных образцах.

Контрольные образцы

Морковь в контрольных образцах: в лимонной кислоте и в соде

Чай в контрольных образцах: в соде и лимонной кислоте.

Такие же действия с контрольными образцами были выполнены и с другим сырьем и составлена таблица.

2. Определение среды некоторых средств бытовой химии с помощью полученного индикатора.

Теперь задача заключалась в использовании самодельных индикаторов для определения среды средств бытовой химии.

Исследование растворов средств бытовой химии показал, лакмус дал синее окрашивание в средстве для ванн и кухни, слабое еле заметное покраснение в средстве для стекол и зеркал и едва уловимый розовый окрас на границе у средства мытья посуды.

Следующий природный индикатор – лепестки роз, которые так же показали где слабо щелочная среда – (крем для ванн) и светло розовая – слабо кислая среда у средства для стекла. Окрас не изменился у второго образца

Чай как индикатор повел себя так же – показал щелочную среду у крема, слабо кислую (более светлая окраска чая) у средства для зеркала), но не изменил свой цвет у средства для посуды

С морковным индикатором были едва уловимые изменения и более мутные с кремом для мытья ванн, точно предсказать среду не удалось.

3. Определение среды растворов некоторых кисломолочных продуктов

Такую же работу провела и с другими средствами из маминой ванной, с зубными пастами

лакмус лепестки роз

чай как индикатор морковь как индикатор