Исследовательская работа "Индикаторы". 8 класс

Муниципальное бюджетное общеобразовательное учреждение «Гимназия №8» г. Шумерля

Научно-исследовательская работа по теме:

ХИМИЧЕСКИЕ «ХАМЕЛЕОНЫ»

(СРАВНИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ ДЕЙСТВИЯ ПРИРОДНЫХ И СИНТЕТИЧЕСКИХИНДИКАТОРОВ В РАЗЛИЧНЫХ СРЕДАХ)

Михайлова Е.,

Петрова А.

МБОУ «Гимназия №8» г. Шумерля, 8 класс

Научный руководитель: Ванифатова Елена Петровна,

учитель химии МБОУ «Гимназия №8» г. Шумерля

Содержание:

1.      Введение

2.      Основная часть

2.1.Индикаторы

2.1.1.История открытия

2.1.2        Классификация

2.2.Синтетические индикаторы

2.3.Природные индикаторы

2.4.Применение и биохимическая роль индикаторов

3.      Практическая часть

3.1. Методика исследования

3.2. Результаты исследования

3.3. Выводы

4.      Заключение

5.      Список литературы

6.      Приложения

1.      Введение

В этом году мы впервые познакомились с химическими веществами, когда начали изучать курс химии. Нас поразило многообразие веществ в современном мире. Но как же ориентироваться в этом огромном и сложном мире веществ? Как можно различить вещества, ведь некоторые из них визуально идентичны? Нам очень понравилось выполнять химические эксперименты. Многие простейшие опыты выполнялись дома. Для этого готовили разнообразные растворы, и убедились на практике как важно вовремя наклеить этикетку с названием приготовленного раствора. Ведь большинство растворов бесцветны. Как различить растворы? Что может служить указателем в бескрайнем мире химических веществ? Оказывается, есть такие указатели в химии – это индикаторы.

Цель  работы:

Изучить и сравнить природные и синтетические индикаторы.

Методы исследования:

Теоретические - изучение научно-популярной литературы;

Практические - экспериментальные (сбор растений, их обработка, проведение химических опытов по определению реакции полученных индикаторов на изменение кислотно-щелочной среды), создание презентации по работе.

Задачи:

1)      Изучить и анализировать существующую литературу по вопросу химических индикаторов и провести их классификацию.

2)      Выбратьи собрать растения для выделения индикаторов химических реакций.

3)      Разработать методику для определения реакции полученных из растений индикаторов на изменение кислотно-щелочной среды.

4)      Выбрать синтетические индикаторы

5)      Выяснить значение различных индикаторов в природе и жизни человека

6)      Провести эксперименты по определению реакции индикаторов на изменение кислотно-щелочной среды.

7)      Зафиксировать и анализировать результаты.

8)      Подготовить печатную работу по теме.

9)      Подготовить презентацию по теме.

Актуальность:заключается в том, что на сегодняшний день всех нас все больше интересуют свойства растительных и синтетических объектов для применения и использования в разных областях науки, таких как химия, биология и медицина.

Гипотеза: Предполагается, что в ходе изменения кислотно-щелочной среды будет происходить реакция химических индикаторов различного происхождения. В качестве индикаторов предполагается использовать как искусственно выделенные индикаторы, так и полученные из природных материалов.

Объекты исследования:Природные индикаторы:отвары цветков флокса, фиалки, львиного зева, розы, ириса; раствор свекольного сока. Синтетические индикаторы: лакмус, метиловый оранжевый, фенолфталеин.

Предмет исследования:Индикаторы

2. Основная часть

2.1. Индикаторы(от английского indicate - указывать) - это вещества, которые изменяют свой цвет в зависимости от среды раствора.

2.1.1. История открытия

Впервые индикаторы обнаружил в 17 веке английский физик и химик  Роберт Бойль.  Бойль проводил различные опыты. Однажды, когда он проводил очередное исследование, зашел садовник. Он принес фиалки. Бойль любил цветы, но ему необходимо было проводить эксперимент. Бойль оставил цветы на столе. Когда ученый закончил свой опыт, он случайно посмотрел 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. Бойль заинтересовался и проводил опыты с растворами, при этом каждый раз добавлял фиалки и наблюдал, что происходит с цветками. В некоторых стаканах цветы немедленно начали краснеть. Ученый понял, что цвет фиалок зависит от того, какой раствор находится в стакане, какие вещества содержатся в растворе. Лучшие результаты дали опыты с лакмусовым лишайником. Бойль опустил в настой лакмусового лишайника обыкновенные бумажные полоски. Дождался, когда они пропитаются настоем, а затем высушил их. Эти хитрые бумажки Роберт Бойль назвал индикаторами, что в переводе с латинского означает «указатель», так как они указывают на среду раствора.

2.1.2. Классификация (см. приложение 2)

На сегодняшний день в химии известно большое количество различных индикаторов как химических, так и природных. К химическим индикаторам относятся такие как, кислотно-основные, универсальные, окислительно-восстановительные, адсорбционные, флуоресцентные, комплексонометрические и другие.

Кислотно-основные индикаторы – это органические соединения, способные изменять цвет в растворе при изменении кислотности. Такие индикаторы резко изменяют свой цвет в достаточно узких границах рН.

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

Окислительно-восстановительные индикаторы изменяют цвет в зависимости от того, присутствует в растворе окислитель или восстановитель.

Комплексонометрические индикаторы – вещества, образующие с ионами металлов, окрашенные комплексные соединения.

Адсорбционные индикаторы – индикаторы, когда некоторые вещества адсорбируются на поверхности осадка, изменяя его окраску.

Флуоресцентные индикаторы – такие индикаторы светятся (флуоресцируют) разным цветом в зависимости от рН раствора. Они удобны при исследовании мутных или окрашенных растворов, в которых практически невозможно заметить изменение окраски обычными кислотно-основными индикаторами.

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

Индикаторы обычно используют, добавляя несколько капель водного или спиртового раствора, либо немного порошка к исследуемому раствору.

Другой способ применения - использование полосок бумаги, пропитанных раствором индикатора или смеси индикаторов и высушенных. Такие полоски выпускают в самых разнообразных вариантах - с нанесенной на них цветной шкалой - эталоном цвета.

2.2. Синтетические индикаторы

История открытия синтетических индикаторов.

Самый известно используемый в химии 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. Готовили лакмус из специальных видов лишайников. Измельченные лишайники увлажняли, а затем добавляли в эту смесь золу и соду. Приготовленную смесь помещали в деревянные бочки, добавляли мочу и выдерживали длительное время. Постепенно раствор приобретал темно-синий цвет. Его упаривали и в таком виде применяли для окрашивания тканей.

Позже лакмус был открыт в 1663 году. Он представлял собой водный раствор лишайника, растущего на скалах в Шотландии. Роберт Бойль приготовил водный раствор лакмусового лишайника для своих опытов. 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 явлением, Бойль на пробу добавил несколько капель к водному раствору гидроксида натрия и обнаружил, что в щелочной среде лакмус синеет. Так был открыт первый индикатор для обнаружения кислот и щелочей, названный по имени лишайника лакмусом. С тех пор этот индикатор является одним из незаменимых индикаторов в различных исследованиях в области химии.

Кислотно-основные индикаторы.

Чаще всего в лабораториях используют кислотно-основные индикаторы. К ним относятся фенолфталеин, лакмус, метиловый оранжевый, бромтимоловый синий и другие.

Кислотно-основные индикаторы – это органические соединения, способные изменять цвет в растворе при изменении кислотности. Они изменяют цвет в достаточно узких границах рН. Таких индикаторов известно множество, и каждый из них имеет свою область применения.

Такие индикаторы являются одними из самых устойчивых и востребованных в химических лабораториях.

Например, метиловый фиолетовый изменяет окраску от желтой до зеленой в интервале рН 0,13 – 0,5. Метиловый оранжевый – от красной (рН< 3,1) до оранжево-желтой (рН 4). Фенолфталеин – от бесцветной (рН<8,2) до малиновой (рН=10).

Универсальные индикаторы.

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

Раствором универсального индикатора часто пропитывают полоски бумаги, которые позволяют быстро определить pH анализируемого раствора, окрашивая окраску полоски, смоченный раствором, с эталонной цветной шкалой, приведенной в таблице №2. Интенсивный красный цвет определяет сильнокислую среду, переходя постепенно в слабокислую, при этом окраска индикатора меняется на оранжево-желтый цвет. В нейтральной среде индикатор дает светло-зеленый цвет. В слабощелочной среде - темно-зеленый цвет индикатора, который переходит в темно-синий в сильнощелочной среде.

Количественной характеристикой кислотности среды используют так называемый водородный показатель pH (см. приложение 3). В щёлочной среде значение pH больше 7, а кислотной среде больше 1. Значения pH водных растворов обычно находятся в интервале от 1 до 13. Приближённо оценить водородный показатель можно с помощью кислотно-основных индикаторов ( лакмус, фенолфталеин, метилового оранжевого). Изобретателем кислотно-основных индикаторов считается английский учёный Р. Бойль. Для более точного измерения водородного показателя используют приборы – pH-метры.

2.3.Природные индикаторы

Характеристика и классификация.

С древности люди уделяли большое внимание наблюдениям за природой. И в наше время учение многих стран все больше и больше стали обращаться к природным индикаторам.

Пигменты многих растений способны изменять цвет в зависимости от кислотности клеточного сока. Поэтому растительные пигменты являются индикаторами, которые можно применять для исследования кислотности других растворов. Общее название природных пигментов флавониды. В эту группу входят каротиноиды, ксантофиллы, антоцианы, соответственно определяющие желтую, оранжевую, красную, синюю, фиолетовую окраску растений.

Антоцианы - природный индикатор.

Антоцианы – это природный краситель из группы флавонидов.

Известно большое количество объектов, богатыми антоцианами. Это малина, клубника, земляника, вишня, слива, краснокочанная капуста, черный виноград, свекла, черника, голубика, клюква и многие другие.

Антоцианы придают фиолетовый, синий, коричневый, красный или оранжевый цвета плодам. Такое многообразие объясняется тем, что цвет изменяется в зависимости от баланса кислот и щелочей.

Строение антоцианов установлено в 1913 году немецким биохимиком Р.Вильштеттером. Первый химический синтез осуществлен в 1928 году английским химиком Р.Робинсоном. Разнообразие окраски объясняется не только особенностями их строения, но и образованием комплексов с ионными К (пурпурная соль), Мg и Са (синяя соль), а также адсорбцией на полисахаридах. Образованию антоцианов благоприятствуют низкая температура, интенсивное освещение.

Антоцианы при гидролизе расщепляются на антоцианид и углевод.

Антоцианы обладают хорошими индикаторными свойствами: в нейтральной среде приобретают пурпурную окраску, в кислой среде – красный цвет, в щелочной среде – зелено-желтый цвет.

Антоцианы очень часто определяют цвет лепестков, плодов и осенних листьев. Они обычно придают фиолетовую, синюю, коричневую, красную окраску. Эта окраска часто зависит от рН клеточного содержимого, и потому может меняться при созревании плодов, отцветании цветков в процессах, сопровождающихся закислением клеточного сока.

Растения с повышенной концентрацией антоцианов популярны в ландшафтном дизайне.

Многие считают, что цвет осенних листьев (включая красный цвет) просто результат разрушения хлорофилла, который маскировал уже имевшиеся желтые, оранжевые и красные пигменты (каротиноид, ксантофилл и антоциан, соответственно). И если для каротиноидов и ксантофиллов это действительно так, то антоцианы не присутствуют в листьях до тех пор, пока в листьях не начнет снижаться уровень хлорофиллов. Именно тогда растения начинают синтезировать антоцианы.

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.

2.4.Применение и биохимическая роль индикаторов

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

Антоцианы – это биофлавониды, придающие плодам фиолетовую, синюю, коричневую, красную окраску.

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 – мощные антиоксиданты, 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.

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.

3.Практическая часть

Для нашей работы были использованы химические и природные индикаторы. В качестве химических индикаторов мы взяли кислотно-основные индикаторы: лакмус, фенолфталеин, метиловый оранжевый и универсальный индикатор. В качестве природных индикаторов были отобраны ягоды клубники, черники и свекла. Это те природные объекты, которые содержат наибольшую концентрацию антоцианов.

3.1.Методика исследования

Мы решили приготовить самодельные растительные индикаторы. Для этого мы высушили цветки  флокса, петунии, львиного зёва, розы, ириса. После того, мы стали делать отвар.

Для изготовления отвара каждого цветка мы взяли по 50 мл воды. Воду довели до кипения, потом положили цветки, варили ровно минуту слегка при этом помешивая. Далее дали отвару охладиться и настояться. Затем мы его профильтровали и налили в склянку.

Далее мы выжимали сок свёклы. Для этого нужно было свежевымытую свёклу очистить, натереть на тёрке и отжать сок. Налить в склянку.

Для приготовления растворов синтетических индикаторов мы брали твёрдые, кристаллические индикаторы и разводили их водно-спиртовым раствором.

3.2.Результаты исследования (см. Приложение 2)

3.3.Выводы

По результатам нашего исследования были доказаны индикаторные свойства цветков флокса, фиалки, львиного зева, розы, ириса; свекольного сока.

Таким образом, здесь наблюдается следующая закономерность – все данные природные объекты в кислотной среде преимущественно окрашиваются в красный цвет, а в щелочной среде – в зелено-желтый. И это доказывает, что флоксы, фиалки, львиный зев, розы, ирис и свекольный сок действительно содержат антоцианы и могут применяться в качестве индикаторов.

 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.

4. Заключение

Индикаторы – это своеобразные сигналы, которые мгновенно реагируют на состояние среды.

Известно, что индикаторы подразделяются на химические и природные. В нашем исследовании перед нами стояла задача – доказать наличие природных индикаторов – антоцианов в растительных объектах и установить их индикаторные свойства.

Нами были взяты следующие природные объекты: свекла, львиный зев, ирисы, флоксы, фиалка, роза. По литературным данным эти объекты содержат антоцианы. Нами установлено, что эти растительные объекты действительно содержат природные индикаторы – антоцианы. Далее мы исследовали их индикаторные свойства. Для этого мы наблюдали изменение окраски свеклы, отвара цветов львиного зева, ирисов, флоксов, фиалки, розыв кислотной и щелочной средах. И действительно, окраска природных пигментов этих растительных объектов изменяется следующим образом: в кислотной среде – на красный цвет, а в щелочной среде – на зелено-желтый. Это доказывает, что данные объекты содержат такие природные индикаторы как антоцианы.

Антоцианы имеют огромное биохимическое значение. Антоцианы являются мощными антиоксидантами, которые нейтрализуют свободные радикалы, которые в свою очередь губительно действуют на наш организм. Таким образом, антоцианы являются гарантами долгой и здоровой жизни клеток, а значит, продлевают и нашу жизнь. Многие исследования подтвердили пользу антоцианов для зрения. Также они помогают снизить уровень сахара крови. Особенно это касается тех людей, которые больны сахарным диабетом. Чтобы получить всю эту пользу, ученые советуют съедать в день всего полстакана черники – свежей или замороженной. Поэтому препараты, содержащие чернику, наиболее востребованы в медицине.

В результате этой исследовательской работы нами доказано, что среди природных объектов существует большое количество природных индикаторов, которые можно использовать и применять как в быту, так и в химии для других разных исследований. А также антоцианы часто применяются в медицине благодаря своим уникальным свойствам.

5. Список литературы:

1.      Л.Ю. Аликберова Занимательная химия. – М.: АСТ-ПРЕСС, 2002.

2.      О.С.Габриэлян. Настольная книга учителя. Химия.8 класс, Дрофа, М.-2002.

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

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

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

6.      Химия: Энциклопедия для детей.- М.: Аванта+, 2000.

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

8.      Интернет-ресурсы. www.alhimik.ru, http://www.xumuk.ru

9.      Е.В. Савинкина, Г.П. Логинова. Химия для школ и классов гуманитарного профиля. 11 класс. АСТ-ПРЕСС, 2002

6. Приложения

Приложение 1

Приложение 2

Таблица 1

Название природного индикатора		Раствор щёлочи NaOH (щелочная среда) pH>7 [H⁺] < [OH⁻]	Вода (нейтральная среда) pH=7 [H⁺] = [OH⁻]		Раствор кислоты HCl (кислотная среда) pH <7 [H⁺] > [OH⁻]	Вывод
Отвар цветков флокса		Лимонно-жёлтый	Жёлтый		Бледно-розовый
Отвар цветков львиного зёва		Тёмно-жёлтый	Тёмно-жёлтый		Розовый
Отвар цветков петунии		Бледно-жёлтый	Зелёный		Бледно-розовый
Отвар цветков розы		Жёлтый	Бледно- розовый		Ярко - розовый
Отвар цветков ириса		Тёмно-жёлтый	Коричнево-зелёный		Темно -розовый
Раствор свекольного сока(1:8)	Тёмно-жёлтый		Малиновый	Малиновый

Таблица 2

Название синтетического индикатора	Раствор щёлочи NaOH (щелочная среда) pH>7 [H⁺] < [OH⁻]	Вода (нейтральная среда) pH=7 [H⁺] = [OH⁻]	Раствор кислоты HCl (кислотная среда) pH <7 [H⁺] > [OH⁻]	Вывод
Лакмус	Синий	Фиолетовый	Темно-красный
Метиловый оранжевый	Желтый	Оранжевый	Ярко-красный
Фенолфталеин	Малиновый	Бесцветный	Бесцветный

Приложение 3