1 Приложение 14.6 к Мероприятию 2. Растительные хамелеоны.
2
3
Цель работы: изучение окраски антоцианов в зависимости от величины рН, выбор продукта с наиболее выраженным переходом окраски Были поставлены задачи: -изучить литературу об индикаторах, в том числе о растительных антоцианах, познакомиться с понятием водородного показателя среды – рН и методами его измерения; -выделить из различных плодов и ягод окрашенные соки и отвары, проверить их на воздействие кислотных и основных реагентов, построить цветовую индикаторную шкалу рН; -провести кислотно-основное титрование с выбранным индикатором и известным кислотно-основным индикатором – лакмусом, сравнить полученные результаты. Объект исследования: ярко окрашенные плоды и ягоды. Предмет исследования: растительные пигменты. Гипотеза: соки и отвары различных растений можно использовать в качестве кислотно-основных индикаторов. 4 Приложение 14.6 к Мероприятию 2. Растительные хамелеоны.
Водородный показатель среды рН В соответствии с теорией электролитической диссоциации ионы Н + являются носителями кислотных свойств, а ионы ОН - носителями основных свойств. Поэтому раствор будет нейтральным, когда концентрации ионов Н + и ОН – равны с Н+ = с ОН, например, в абсолютно чистой воде. В других случаях эти концентрации не совпадают: в кислых растворах преобладают ионы Н +, в щелочных – ионы ОН –.Кислотность раствора Кислотность раствора можно выразить при помощи водородного показателя рН. При комнатных температурах кислотные растворы имеют значения рН ниже 7, щелочные растворы – выше 7, а значение рН нейтральных растворов равно 7. рН=7 означает, что концентрация ионов водорода с Н+ =10 –7 моль/л, рН=3 означает, что с Н+ =10 –3 моль/л, то есть на четыре порядка больше, чем в нейтральном растворе. рН=11 отвечает щелочному раствору с с Н+ =10 –11, при этом концентрация ионов ОН- будет составлять примерно 10 –3 моль/л. Таким образом, значение водородного показателя рН определяет характер реакции раствора. В современной химии для точного определения рН растворов используются электронные приборы рН-метры, с помощью которых можно измерить рН с точностью до 0,01 единицы рН. Такие приборы измеряют электрический потенциал специального электрода, погруженного в раствор; этот потенциал зависит от концентрации ионов водорода в растворе, и его можно измерить с высокой точностью. 5 Приложение 14.6 к Мероприятию 2. Растительные хамелеоны.
Кислотно-основные индикаторы. Индикаторы (от лат. Indicator –указатель) – вещества, позволяющие следить за составом среды или за протеканием химической реакции. В химическом анализе для оценки реакции среды широко применяются кислотно-основные индикаторы - вещества, меняющие свою окраску в определенной области значений рн раствора. Например, метиловый оранжевый при рн 4,4 – желтый; лакмус при рн 8 – синий и т.Д. Такие индикаторы, как правило, представляют собой слабые органические кислоты нind, реже - основания indон, которые имеют разную окраску в молекулярной и ионной форме. В исследуемом растворе индикаторы диссоциируют обратимо по одному из следующих механизмов : нind Н + + ind или indон ind + + ОН Положение равновесия в указанных системах зависит от кислотности раствора в соответствии с принципом ле шателье. В кислых растворах индикаторы, представляющие собой слабые кислоты, находятся преимущественно в виде молекул и окраска раствора соответствует молекулярной форме индикатора нind. Индикаторы, являющиеся слабыми основаниями, в растворах кислот, напротив, будут находиться в своей ионной форме ind +, которая обусловит окраску раствора. Некоторые наиболее распространенные кислотно-основные индикаторы указаны в таблице, приведенной ниже. Как видно, переход окраски происходит в некотором интервале рн (примерно две единицы). Зная, когда индикатор меняет цвет, можно более точно определить момент, когда вещества прореагируют полностью, то есть точку эквивалентности, и выбрать подходящий индикатор для соответствующей реакции. Индикатор Область перехода р НОкраска в растворе более кислом более основном Метиловый оранжевый 3,1-4,4 краснаяжелтая Метиловый красный 4,2-6,3 краснаяжелтая Лакмус 6,0-8,0 краснаясиняя Фенолфталеин 8,2-10,0 бесцветнаямалиновая Ализариновый желтый 10,1-12,1 желтаяоранжевая Окраска и область перехода некоторых индикаторов Окраска универсального индикатора (смеси индикаторов) изменяется от красной (рН 8,5). 6 Приложение 14.6 к Мероприятию 2. Растительные хамелеоны.
Титрование с использованием индикатора. В настоящее время индикаторы применяют в химическом анализе для установления точки эквивалентности при титровании и определении концентрации титруемого раствора. Для этого отбирают точную пробу раствора неизвестной концентрации, добавляют несколько капель индикатора и постепенно добавляют из мерной посуды стандартный раствор титранта с точно известной концентрацией. Если неизвестна концентрация кислоты, добавляют щелочь до полной нейтрализации, если неизвестна концентрация щелочи, то титруют кислотой. Определяют объем титранта, пошедший на титрование, и рассчитывают неизвестную концентрацию. Растительные пигменты Растительные пигменты представляют собой крупные органические молекулы, имеющие группировки, ответственные за поглощение света. Для этих группировок характерно наличие цепочки чередующихся простых и двойных связей (-С=С-С=С- ). К основным красящим пигментам в растениях относятся: хлорофилл, каротиноиды, антоцианы и флавонолы. Лакмус является кислотно-основным индикатором, т.е обладает способностью обратимо изменять окраску в зависимости от кислотности раствора: в кислой среде лакмус становится красным, а в щелочном – синим. В нейтральной среде цвет лакмуса фиолетовый – это сочетание равных количеств синего и красных. Хотя лакмус уже в течение нескольких столетий верно служит людям, его состав так до конца и не изучен. Антоцианы (от греч, «антос» - цветок, «цианос» - голубой) впервые выделены из цветка василька синего. Антоцианы поглощают свет в ультрафиолетовой и зелёной областях спектра. Их известно несколько десятков. Три наиболее распространенных антоциана, от которых зависит окраска многих цветов и ягод: пеларгонидин (красный), цианидин (фиолетовый) и дельфинидин (синий). Они содержатся в клеточном соке растений и хорошо растворимы в воде. Так вот: антоцианы обладают выраженными индикаторными свойствами: при действии минеральных и органических кислот образуют соединения красного цвета, при действии щелочей – как правило, синего цвета. 7 Приложение 14.6 к Мероприятию 2. Растительные хамелеоны.
На цвет антоцианов влияет не только кислотность среды, но и её элементный состав, так как пигменты способны образовывать комплексные соединения с металлами, соли которых извлекаются корнями растений из почвы. Например, для проявления синего цвета необходимо наличие в клетках растения комплексного соединения антоцианов с магнием, алюминием, оловом, а также белками и сахарами. Растворы, получаемые из окрашенных в красный, синий цвета плодов растений, всегда содержат комплекс антоцианов (до 10-15), которые различаются по строению и способности к поглощению отдельных участков спектра. Поэтому индикаторные свойства окрашенных вытяжек, получаемых из разных видов растений, также различны. Яблоки, вишня, виноград, черника, голубика и многие другие плоды своим цветом обязаны антоцианам. Клеточный сок краснокочанной капусты, листьев и корнеплодов столовой свеклы, красные осенние листья содержат антоцианы. Функции антоцианов разнообразны. Яркая окраска цветков и плодов играет большую роль в привлечении насекомых-опылителей и в распространении плодов. Больше всего антоцианов накапливают растения в местностях с суровыми климатическими условиями, а также ранневесенняя флора. Антоцианы – мощные антиоксиданты. Защищают клетки от вредных воздействий внешней среды. Например, в зонах с повышенной солнечной активностью антоцианы, поглощая избыток солнечной радиации, защищают хлорофилл и наследственный аппарат клетки от повреждений. Это полезное действие антоцианы продолжают и в организме человека, поступая в него с фруктами и овощами. Доказано противораковое действие антоцианов (баклажаны, болгарский перец). Эти удивительные вещества способствуют поддержанию нормального кровяного давления, предупреждая внутренние кровоизлияния (черноплодная рябина, калина). Образуя комплексы с радиоактивными элементами, антоцианы способствуют быстрому выведению их из организмов (смородина). Кроме того, эти пигменты способны улучшать зрение (черника). Наверняка, есть еще много полезных функций этих веществ. 8 Приложение 14.6 к Мероприятию 2. Растительные хамелеоны.
Методика эксперимента Оборудование и реактивы: Компьютер, цифровой датчик рН, фотокамера, мерные бюретки, химические стаканы и колбы, ступка фарфоровая, пестик, стеклянные палочки, ложечки, спиртовка, 0,1 М NaOH (гидроксид натрия), 0,1М HCl (соляная кислота), кристаллический NaНСО 3 (питьевая сода), 9% раствор СН 3 СООН (уксус столовый), дистиллированная вода. Объекты исследования: мандарин, свекла, лук, клюква, черника, черный виноград, черноплодная рябина, красная смородина, черная смородина, вишня, слива, ежевика. Приготовление вытяжки растительных пигментов Способ 1 (без термической обработки). 1. Измельчить растение - раздавить в ступке, морковь и свеклу потереть на терке. Отжать сок. 2. Разбавить наполовину дистиллированной водой. 3. Отфильтровать раствор через бумажный фильтр в чистую колбу или стакан. Цвет сока и раствора убеждает в том, что исследуемые растительные пигменты – водорастворимые вещества. Способ 2 (включая термообработку) 1. Плоды и ягоды поместить в химический стакан на 500 мл, подавить фарфоровой ложкой, морковь и свеклу мелко нарезать. В случае лука в стакан помещали шелуху. 2. Залить продукт 200 мл воды, поставить стакан на асбестовую сетку, довести до кипения на пламени спиртовки, прокипятить 2-3 минуты. Нагревание выше 70 о С приводит к разрушению мембран клеток. Антоцианы свободно выходят из клеток, окрашивая воду. 3. Раствор отфильтровать через бумажный фильтр. 9 Приложение 14.6 к Мероприятию 2. Растительные хамелеоны.
Определение цвета антоцианов в нейтральной, кислой и щелочной средах. Предварительные испытания – в домашних условиях. В два стакана наливали немного сока исследуемых плодов. В первый стакан добавляли несколько мл столового уксуса, во второй – четверть чайной ложки питьевой соды. Наблюдали за изменением окраски. Лабораторные испытания. Измерение рН исходных соков. В химический стакан наливали мл свежеотжатого неразбавленного сока. Погружали предварительно выдержанный в дистиллированной воде электрод цифрового датчика рН. Датчик подсоединяли к компьютеру через USB-порт. Запускали на компьютере программу «Химия-Практикум» и снимали зависимость рН от времени в течение 2-3 минут до стабилизации цифрового значения рН. Затем сохраняли полученную графическую зависимость во внешнем файле. Пример полученной зависимости (рис.1). 10 Приложение 14.6 к Мероприятию 2. Растительные хамелеоны.
Воздействие кислот и щелочей на окрашенные вытяжки. Построение цветной индикаторной шкалы рН. Для более точного определения рН раствора с помощью антоцианов было решено приготовить цветную шкалу изменения окраски антоцианов каждого вида растений в интервале рН 310. Разбавленные напополам водой вытяжки разливали в пять колбочек на 50 мл. В 1-ю добавляли 2-3 мл 0,1М HCl; в другие разный объем 0,1 М NaOH до получения разной окраски во всех пяти колбах. Затем переливали каждый из растворов в стакан для измерения рН и измеряли рН полученных растворов с помощью датчика рН, как описано выше. Результаты сохраняли в виде графической и табличной зависимостей. Таким образом выстраивали индикаторную шкалу рН для каждого из объектов. На фотографиях приведены полученные ряды для свеклы (рис.2) и черноплодки (рис.3). 11 Приложение 14.6 к Мероприятию 2. Растительные хамелеоны.
Титрование кислоты щелочью в присутствии растительного индикатора. Титрование в присутствии лакмуса. Был приготовлен 1% раствор лакмуса. На электронных весах взвешен 0,2 г кристаллического вещества и добавлено по 10 мл дистиллированной воды и спирта. Тщательно размешали смесь при нагревании, дали остыть. В коническую колбу отмерили 10 мл 0,1М HCl из бюретки, добавили 2-3 капли приготовленного индикатора. Раствор приобрел розовую окраску. Из бюретки прибавляли к раствору 0,1 М NaOH, сначала струйкой, при приближении к точке нейтрализации - по каплям. Отметили цвет при добавлении 10 мл NaOH (то есть эквивалентного количества щелочи). После чего добавили еще 2 мл щелочи и вновь отметили окраску. Колбочки с исходным,оттитрованным и перетитрованными растворами сфотографировали. Полученные результаты приведены (рис. 4) 12 Приложение 14.6 к Мероприятию 2. Растительные хамелеоны.
Титрование в присутствии вытяжки винограда. Аналогичным образом провели титрование кислоты щелочью, добавив в раствор 3-4 капли вытяжки из черного винограда, приготовленной по 2-му способу. Полученные результаты приведены (рис.5) 13 Приложение 14.6 к Мероприятию 2. Растительные хамелеоны.
Плоды Нейтральная среда Щелочная среда Кислотная среда Мандарин Желто-оранжевый желто-оранжевый Свеклакрасныйбордовый Ярко-красный Лук Желтый Желто-коричневый Желтый Клюквакрасныйзеленыйрозовый Черникафиолетовый Желто-зеленый Темно-красный Черноплодная рябинафиолетовыйзеленаякрасная Виноград (черный)фиолетовыйсинийкрасный Ежевикакрасныйсинийкрасный Черная смородина Красно-бордовыйзеленый Красно-розовый Слива фиолетовая Темно-красный Сине-зеленый Ярко-красный Вишнябесцветныйжелтыйрозовый Результаты опыта и их обсуждение В ходе предварительных опытов с целью выбора объектов мы добавляли в небольшие объемы отжатых плодов столовый уксус и питьевую соду. Поскольку изначально выжимки из плодов имели сильно кислую реакцию среды (см.табл.2), добавление уксуса существенно окраску не изменяло. При добавлении соды происходило газовыделение, бикарбонат натрия разлагался на карбонат под действием более сильных кислот, содержащихся в плодах, рН повышался и раствор резко менял вою окраску. Настой шелухи лука и сок мандарина не проявили характерной для антоцианов изменения окраски. Цвет вытяжки антоцианов в различных средах. 14 Приложение 14.6 к Мероприятию 2. Растительные хамелеоны.
В ходе исследования нами было получено 11 вытяжек различных растительных пигментов. Данные пигменты растворимы в воде. Антоцианы как правило, меняют цвет от розово-красного до сине- зеленого. Поэтому в мандарине и луке маловероятно присутствие антоцианов, скорее красящими веществами являются каротиноиды и флавонолы. Переход окраски у мандарина вообще не выражен, а у лука не четко выражен, Данные плоды нельзя использовать в качестве индикаторов среды. Остальные растения изменяли свой цвет в различных средах так, как это характерно для антоцианов. Поэтому был сделан вывод о наличии в них антоцианов. Сходный переход окраски наблюдался у клюквы, красной и черной смородины и вишни. Также схожи по цвету черный виноград, черника, ежевика и черноплодная рябина. Результаты приведены в таблице 2. Проведя опыт по титрованию кислоты щелочью в присутствии лакмуса и в присутствии сока черного винограда, мы убедились, что антоцианы винограда точно так же, как и лакмус, изменяли свой цвет при достижении точки нейтрализации с вино-красного на фиолетовый (рис.6) Переход был четко выражен, при излишке щелочи также происходила ярко выраженная смена окраски на синюю. Отвар черного винограда показал себя отличным индикатором. 15 Приложение 14.6 к Мероприятию 2. Растительные хамелеоны.
Значение рН вытяжки антоцианов в различных средах. Для проверки эффективности приготовленной индикаторной бумаги на нее наносили по капле кислоты или щелочи. Красная бумага под действием щелочи синела, а синяя краснела под действием кислоты. Такая бумага может быть использована в быту для проверки кислотности почвы на садовом участке, кислотности не сильно окрашенных безалкогольных напитков, среды различных моющих и чистящих средств. К сожалению, почти у всех природных индикаторов есть серьезный недостаток: их отвары довольно быстро портятся – скисают или плесневеют. Для отвара винограда этот недостаток можно устранить добавлением спирта и хранением в холодильнике. Другой недостаток – слишком широкий интервал изменения цвета. При этом трудно отличить, например, нейтральную среду от слабокислой или слабощелочную от сильнощелочной. ПлодырН сокарН перехода Мандарин 3,9Нет перехода Свекла 4,89-10 Лук-9,5-10,5 Клюква 3,16-7,5 Черника 3,4 Черноплодная рябина 3,7 зеленая Виноград (черный)3,86,8-7,2 Ежевика 3,65,8-7,5 Черная смородина 3,55,6-8,1 Слива фиолетовая 3,96,2-9,0 Вишня 3,65,8-7,9 16 Приложение 14.6 к Мероприятию 2. Растительные хамелеоны.
Выводы Антоцианы были обнаружены нами во всех плодах, имеющих красно-фиолетовую окраску. Антоцианы можно использовать в домашних условиях для качественного определения реакции среды. В качестве индикаторов при титровании кислоты или щелочи очень хорошо использовать прокипяченный сок черного винограда. Если сезон другой, можно использовать вытяжки из свежезамороженных ягод смородины, черники, ежевики, клюквы и т.д. Для более точного определения рН раствора с помощью антоциановых индикаторов следует построить цветовую индикаторную шкалу для сравнения. 17 Приложение 14.6 к Мероприятию 2. Растительные хамелеоны.