Проектная работа учащихся «Цветик-семицветик, или химия природных индикаторов»

МБОУ «Шиловская средняя общеобразовательная школа №2» муниципального образования - Шиловский муниципальный район Рязанской области.

Т Е М А П Р О Е К Т А

Цветик – семицветик, или химия индикаторов

Авторы : учащиеся 10 класса

Железнова Арина и Субботкина София

Руководитель проекта : Стройкова Светлана Ивановна,

учитель химии

р.п. Шилово 2021 г.

ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение 2

Глава 1. Химические индикаторы 5

1.1. История открытия индикаторов 5

1.2. Разновидности индикаторов 6

1.3. Индикаторы в природе. Антоцианы и каротиноиды 8

Выводы по первой главе 9

Глава 2. Практическая часть: исследование природных индикаторов 11

2.1. Опыт 1.Проведение экстракции пигментов из растительного сырья 11

2.2.Опыт 2.Исследование изменение окраски приготовленных растворов 11

в зависимости от среды

2.3. Опыт 3. Исследование среды растворов бытовой химии 12

2.4. Опыт 4. Нагревание до кипения раствора свеклы 12

Выводы по второй главе 12

Заключение 13

Список источников информации 14

Приложения 15

Приложение 1

Приложение 2

ВВЕДЕНИЕ

1.Актуальность проекта

Актуальность темы в том, что в настоящее время возрос интерес к растениям  в связи с их  применением в различных областях науки, таких как химия, биология, экология, медицина. Данная работа посвящена уникальным свойствам растений, которые не перестают удивлять человечество каждый раз.

На основании проведенных исследований можно дать рекомендации по использованию отваров растительного сырья для примерной оценки величины рН, что актуально в случае отсутствия специального оборудования. По окраске растений и её интенсивности возможно определить наличие избытка кислот или щелочей в продуктах питания и моющих средствах. 

Информацию, полученную в этой работе можно использовать  как на уроках химии, так и на уроках биологии. Эта работа полезна и в узко прикладном направлении, например в домашнем хозяйстве и на даче, когда потребуется привести в порядок одежду или определить кислотность почвы на участке, которая влияет на  урожайность овощей и фруктов.

2. Ключевые понятия

Эта работа об индикаторах, их разновидностях, в частности, о кислотно-основных индикаторах, об антоцианах – особых природных индикаторах, способах их выделения (экстракции) и практического использования.

3. Проблема

– Как теоретический материал о химии индикаторов может быть

использован в жизни человека ?

4. Объект исследования : природные индикаторы

5.Предметы исследования: замороженные ягоды смородины, вишни;

апельсин, помидор, корнеплоды свеклы

6. Цель проекта

-Изучить природные индикаторы и рассмотреть возможность

использования их в повседневной жизни.

7. Гипотеза

-Если растения изменяют цвет в различных средах, то их можно

использовать в качестве индикаторов, том числе, и в домашних условиях.

6. Задачи

• Изучить материал об индикаторах как химических веществах.

• Изучить природные индикаторы, освоить методику их выделения из растений.

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

8. Результаты учебного проекта

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 выяснилось, что такое индикаторы, как они изменяют свою окраску в разных средах; была отработана методика получения индикаторов из природного сырья. Были проведены исследования средств бытовой химии с использованием полученных экстрактов растительных индикаторов.

Авторами проекта выстроена шкала цветовых переходов настоев

некоторых растений в различных средах.

9.Практическое значение проекта

Природные индикаторы  имеют  преимущества  перед  синтетическими, потому  что  они  дешёвые  и  доступные, они экологически безопасны, и их можно приготовить и использовать в домашних условиях.

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 мы узнали, что, поступая в организм человека с фруктами и овощами, антоцианы оказывают действие, схожее с витамином Р - они поддерживают нормальное состояние кровяного давления и сосудов, предупреждая внутренние кровоизлияния. Антоцианы требуются клеткам головного мозга, улучшают память. Они являются мощными антиоксидантами, которые сильнее в 50 раз витамина С.

10.Методы исследования :

• изучение  научно-популярной  литературы;

• классификация

• обобщение

• определение понятий

• эксперимент

Глава 1. Химические индикаторы

1.1 История открытия индикаторов

Индикаторы (от лат.Indicator –указатель) – 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.

Самый 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. Использование пигментов для определения среды раствора впервые научно применено Робертом Бойлем (1627 – 1691)[3]. 1663 год, в лаборатории, в кабинет к Бойлю вошел садовник и поставил в углу корзину с великолепными темно–фиолетовыми фиалками. В это время Бойль собирался проводить опыт по получению серной кислоты. 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. 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.

1.2. Разновидности индикаторов

Химический энциклопедический словарь среди индикаторов выделяет: адсорбционные, изотопные, кислотно-основные, окислительно-восстановительные, комплексонометрические, люминесцентные индикаторы.

Наша работа посвящена кислотно-основным индикаторам. С развитием химии росло число кислотно-щелочных индикаторов. Индикаторы, полученные в результате химического синтеза: фенолфталеин, введенный в науку в 1871 году немецким химиком А.Байером, и метилоранж, открытый в 1877году .

В наше время известны несколько сот искусственно синтезированных кислотно-щелочных индикаторов. С некоторыми из них мы можем познакомиться в школьной химической лаборатории.Из наиболее известных это : фенолфталеин , лакмус (лакмоид) - метиловый оранжевый. Меньше используются тимоловый синий, тимолфталеин, метиловый красный.

Фенолфталеин (продается в аптеке под названием "пурген") - белый или белый со слегка желтоватым оттенком мелкокристаллический порошок. Растворим в 95 % спирте, практически не растворим в воде. Бесцветный фенолфталеин в кислой и нейтральной среде бесцветен, а в щелочной среде окрасится в малиновый цвет. Поэтому фенолфталеин используется для определения щелочной среды.

Метиловый оранжевый - кристаллический порошок оранжевого цвета.  Умеренно растворим в воде, легко растворим в горячей воде, практически нерастворим в органических растворителях. Переход окраски раствора от красной к желтой.

Лакмоид (лакмус) - порошок черного цвета. Растворим в воде, 95 % спирте, ацетоне, ледяной уксусной кислоте. Переход окраски раствора от красной к синей.

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 при комнатной температуре. Такие полоски выпускают в самых разнообразных вариантах - с нанесенной на них цветной шкалой - эталоном цвета или без него.

В таблице приведены распространенные в лабораторной практике кислотно-основные индикаторы в порядке возрастания значений pH, вызывающих изменение окраски ( Приложение 1). Первая окраска соответствует значениям pH до интервала, вторая окраска – после интервала.

Однако наиболее часто в лабораторной практике используется универсальный индикатор.

1.3. Индикаторы в природе . Антоцианы и каротиноиды

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.

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.

Широко распространенными в растительном мире красящими веществами являются антоцианы.Антоцианы (от греческих слов «цветок» и «синий») – природные красящие вещества. Они придают растениям окраску в диапазоне от розовой до темно- фиолетовой. 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.

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,

Каротиноиды (от латинского слова «морковь») – это природные пигменты от желтого до красно-оранжевого цвета, синтезируемые высшими растениями, грибами, губками, кораллами. Эти вещества неустойчивы на свету, при нагревании, при действии кислот и щелочей. Из растительных материалов каротиноиды могут быть выделены экстракцией органическими растворителями.

Выводы по первой главе:

Изучив теоретический материал, мы пришли к выводу о большой значимости природных индикаторов в нашей жизни. Так, например, антоцианы обладают уникальными свойствами – подавляют рост опухолей. 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.

Кроме медицины антоцианы также используются и в других областях народного хозяйства. Например, в сельском хозяйстве, для оценке химического состава почвы, степени её плодородия, при разведке полезных ископаемых. Добавив в антоциановый раствор горсть земли, можно сделать заключение о ее кислотности, так как 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: белую, желтую, розовую, красную, синюю, темно-фиолетовую и даже черную.  Различие окраски картофеля зависит от содержащихся в нем  пигментов: белая - от бесцветных лейкоантоцианов или катехинов, желтая - от флавонов и флавоноидов, красная и фиолетовая - от антоцианов. 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. Они позволяют 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.

Глава 2. Практическая часть: исследование природных индикаторов

2.1. Опыт 1. Проведение экстракции пигментов из растительного сырья

Мы решили выяснить, какие из имеющихся дома съедобных растений можно использовать в качестве кислотно-щелочных индикаторов. Для опыта взяли мороженые ягоды смородины, вишни, апельсин, помидор, корнеплоды свеклы и моркови, сухую жгучую крапиву.

Для проведения опытов мы использовали следующие материалы и оборудование: стакан, воронки, пробирки, ступки с пестиками, нож, фильтровальную бумагу, воду, этиловый спирт, растворы гидроксида натрия и соляной кислоты, ватные диски.

Ягоды, мякоть апельсина и помидора растирали в ступке, свеклу измельчили с помощью терки. Экстракцию пигмента (краски) из измельченного сырья проводили двумя способами: с помощью спирта и воды

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.

2.2.Опыт 2. Исследование изменение окраски приготовленных растворов в зависимости от среды

Мы налили в пробирки растворы щелочи и кислоты и добавили растворы природных индикаторов. Наблюдаемые изменения цвета индикаторов мы занесли в таблицу ( Приложение 2).

Пропитав спиртовыми и водными растворами ватные диски, мы изготовили коллекцию растительных индикаторов «Цветик – семицветик» ( Приложение 3).

2.3. Опыт 3 Исследование среды растворов бытовой химии

С помощью природных приготовленных индикаторов мы исследовали среду мыла хозяйственного, молочка для умывания«Garnier», средства для мытья посуды«Sorti», чистящего порошка «Comet», которыми пользуемся дома.

Результаты опыта оформили в виде таблицы (Приложение 4).

2.4. Опыт 4 Изменение свекольного раствора при нагревании

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.

Выводы по второй главе

1. Составили шкалу цветовых переходов настоев некоторых растений в

различных средах и создали коллекцию растительных индикаторов, которые можно использовать для определения среды различных косметических и бытовых химических средств.

Изготавливая коллекцию, мы выяснили, что спиртовые вытяжки растительных экстрактов со временем теряют интенсивность окраски, поэтому лучше использовать водные растворы или масляные экстракты.

2. По результатам исследования среды растворов бытовой химии составили таблицу.

В результате исследования мы сделали вывод, что косметическое молочко «Garnier» вполне подходят для применения. А вот средство для мытья посуды«Sorti», хозяйственное мыло и чистящее средство «Comet»имеют щелочной характер и могут влиять на кожу рук, так как наша кожа имеет слабокислую реакцию. Использовать эти средства нужно в резиновых перчатках.

3.Чтобы вернуть красивый насыщенный цвет борща, можно добавить

немного яблочной или уксусной кислоты.

Заключение

Эта работа оказалась очень интересной и полезной, вызывает желание узнать и получить больше информации об использовании растений.

Приступая к работе, мы сформулировали гипотезу 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 мы выяснили, что такое индикаторы, как они изменяют свою окраску в разных средах;  освоили методику получения индикаторов из природного сырья. 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 серьезный недостаток: их отвары довольно быстро портятся, теряют  свои  свойства.

Мы планируем продолжить работу над проектом. В частности мы хотим проверить возможность использования природных индикаторов для выявления загрязнений почвы ядохимикатами и солями тяжёлых металлов.

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.

Список источников информации

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

256с.

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

3. Меженский В.Н. Растения-индикаторы. М.: ООО «Издательство ACT»;

4.http://www.moizveti.ucoz.ru/. Мой цветочный мир.23

5. http://travi.uvaga.biz/. Антоцианы. Лечебные травы.

6. http://www.valleyflora.ru/. Удивительный мир растений.

7. http://www.pereplet.ru/nauka/Soros/pdf/0007_047.pdf

8. http://www.edudic.ru/. Биофлавоноиды. Химическая энциклопедия.

ПРИЛОЖЕНИЯ

Приложение 1. Окраска химических индикаторов в различных средах.

Приложение 2. Изменение цвета природных индикаторов в зависимости от

pH среды.

Приложение 3 Коллекция растительных индикаторов «Цветик –

семицветик»

Приложение 4 Исследование средств бытовой химии свекольным индикатором.

Адрес публикации: https://www.prodlenka.org/metodicheskie-razrabotki/498332-proektnaja-rabota-uchaschihsja-cvetik-semicve