Приготовление индикаторов из природных материалов

Растворы всех кислот и щелочей бесцветны, большинство из них не пахнут. Как же тогда можно определить, что в одном сосуде находится кислота, а в другом – щёлочь? Попробуем провести такой опыт. Разольём заваренный чай в два стакана. В один из них положим кусочек лимона, и мы увидим, что чай побледнел. В другой стакан добавим немного питьевой соды. Размешаем соду в стакане с чаем, мы увидим, что чай потемнел. Как объяснить эти результаты с точки зрения химии? Оказывается, чай указывает нам, что в лимоне есть кислота, а сода в соединении с водой образует щёлочь! Такой способностью подсказывать людям, где кислота, а где щёлочь обладают многие красители. Все они имеют специальное название – индикаторы, что означает – указатели.

По мере развития производственной и научной деятельности человека было создано огромное множество разнообразных индикаторов. Общая задача их – контролировать процесс или изменение состояния наблюдаемого объекта в форме, удобной для человеческого восприятия. В химической лаборатории или на заводе индикаторы в наглядной и доступной форме расскажут о том, прошла ли до конца химическая реакция или нет, достаточно добавлено одного реактива к другому или нужно ещё добавить. Чаще всего химики пользуются индикаторами, которые переменой цвета сообщают о величине концентрации водородных ионов в растворах, их называют кислотно-основными. Лакмус и фенолфталеин, сок красной капусты, вишни и черноплодной рябины, а также множество других красителей тонко реагируют на изменение концентрации ионов водорода в растворе. Но существуют индикаторы и других типов: окислительно-восстановительные, комплексонометрические, адсорбционные, хемилюминесцентные. Индикаторы всех этих пяти групп информируют химиков о том, как далеко зашли изменения в реакционной системе. Некоторые из них даже начинают светиться под действием происшедших в растворе изменений. Индикаторы действуют безотказно и отличаются большой чувствительностью.

История возникновения индикаторов.

История открытия лакмуса.

История открытия вещества, о котором пойдёт речь, началась в XVII веке в лаборатории известного английского физика и химика Роберта Бойля (1627-1692). В лаборатории, как обычно, кипела напряжённая работа: горели свечи, в ретортах нагревались разнообразные вещества. В кабинет к Бойлю вошел садовник и поставил в углу корзину с великолепными тёмно-фиолетовыми фиалками. В это время Бойль собирался проводить опыт по получению серной кислоты. Восхищённый красотой и ароматом фиалок, учёный, 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: тёмно-фиолетовые фиалки стали красными. Естественно, Бойль, как истинный учёный, не мог пройти мимо такого случая и начал исследования.

Он обнаружил, что и другие кислоты окрашивают лепестки фиалок в красный цвет. Учёный подумал, что если приготовить из лепестков настой и добавить немного к исследуемому раствору, то можно будет узнать, кислый он или нет. Бойль начал готовить растворы из целебных трав, древесной коры, корней растений. Однако самым интересным оказался фиолетовый настой, полученный из лакмусового лишайника. Кислоты изменили его цвет на красный, а щёлочи – на синий. Бойль распорядился пропитать этим настоем бумагу и затем высушить её. Так была создана первая лакмусовая бумажка, которая теперь имеется в любой химической лаборатории. Клочок такой бумажки, погружённый в испытуемый раствор, изменяет цвет и показывает, кислый это раствор или щелочной. Таким образом, было открыто одно из первых веществ, которые Бойль уже тогда назвал индикаторами. Слово индикатор в переводе с латыни означает «указатель».

Фенолфталеин – кислотно-основный индикатор.

Фенолфталеин – бесцветное кристаллическое органическое вещество сложного строения. Фенолфталеин мало растворим в воде и хорошо растворяется в этиловом спирте. Он может служить кислотно-основным индикатором: его раствор, бесцветный в нейтральной и кислотной средах, в щелочной среде становится малиновым. Раствор фенолфталеина для химических опытов обычно содержит 0,1 г этого индикатора в 125 мл этилового спирта и 25 мл воды. Фенолфталеин – это не только индикатор, но и лекарственное средство (сильное слабительное – пурген) и поэтому продаётся в аптеке. Синтез фенолфталеина впервые осуществил в 1871 году немецкий химик Адольф фон Байер, будущий лауреат Нобелевской премии.

Кислотно-основные индикаторы.

Каждому школьнику хорошо знаком лакмус – с его помощью определяют кислотность среды. Это вещество является кислотно-основным индикатором, то есть обладает способностью обратимо изменять окраску в зависимости от кислотности раствора: в кислой среде лакмус становится красным, а в щелочной – синим. В нейтральной среде лакмус фиолетовый – это сочетание равных количеств синего и красного. Хотя лакмус уже в течение нескольких столетий верно служит людям, его состав так до конца и не изучен. В этом нет ничего удивительного: ведь лакмус – это сложная смесь природных соединений. Он был известен уже в Древнем Египте и в Древнем Риме, где его использовали в качестве фиолетовой краски – заменителя дорогостоящего пурпура. Лишь в начале XIV века во Флоренции вновь была открыта фиолетовая краска орсейль, тождественная лакмусу, причём способ её приготовления в течение многих лет держали в секрете. Готовили лакмус из специальных видов лишайников. Измельчённые лишайники увлажняли, а затем добавляли в эту смесь золу и соду. Приготовленную таким образом густую массу помещали в деревянные бочки, добавляли мочу и выдерживали длительное время. Постепенно раствор приобретал тёмно-синий цвет. Его упаривали и в таком виде применяли для окрашивания тканей.

Похожее на орсейль красящее вещество было выделено в XVII веке из гелиотропа – душистого садового растения с тёмно-лиловыми цветками. Знаменитый физик и химик Роберт Бойль писал о гелиотропе: «Плоды этого растения дают сок, который при нанесении на бумагу или материю имеет сначала ярко-зелёный цвет, но неожиданно изменяет его на пурпурный. Если материал замочить в воде и отжать, вода окрашивается в винный цвет; такие виды красителя есть у аптекарей, в бакалейных лавках и других местах, которые служат для окраски желе, или других веществ, кто как хочет». С того времени орсейль и гелиотроп стали использовать в химических лабораториях. И лишь в 1704 году немецкий учёный М. Валентин назвал эту краску лакмусом. В некоторых странах краску, сходную с лакмусом, добывали и из других растений. Простейшим примером служит свекольный сок, который также изменяет цвет в зависимости от кислотности среды.

В XIX веке на смену лакмусу пришли более прочные и дешёвые синтетические красители, поэтому использование лакмуса ограничилось лишь грубым определением кислотности среды. Для этой цели служат полоски фильтровальной бумаги, пропитанные раствором лакмуса. На смену лакмусу в аналитической химии пришёл лакмоид – краситель резорциновый синий, который отличается от природного лакмуса по строению, но сходен с ним по окраске: в кислой среде он красный, а в щелочной – синий.

В наши дни известны несколько сот кислотно-основных индикаторов, искусственно синтезированных начиная с середины XIX века. С некоторыми из них можно познакомиться в школьной химической лаборатории. Индикатор метиловый оранжевый (метилоранж) в кислой среде красный, в нейтральной – оранжевый, а в щелочной – жёлтый. Более яркая цветовая гамма свойственна индикатору тимоловому синему: в кислой среде он малиново-красный, в нейтральной – жёлтый, а в щелочной – синий. Индикатор фенолфталеин (он продаётся в аптеке под названием «пурген») в кислой и нейтральной средах бесцветный, а в щелочной имеет малиновую окраску. Поэтому фенолфталеин используют лишь для определения щелочной среды. В зависимости от кислотности среды изменяет свою окраску и краситель бриллиантовый зелёный (его спиртовой раствор используется как дезинфицирующее средство – «зелёнка»). Для того чтобы проверить это, надо приготовить разбавленный раствор бриллиантового зелёного: налить в пробирку несколько миллилитров воды и добавить в неё одну-две капли аптечного препарата. Раствор приобретает красивый зелёно-голубой цвет. В сильнокислой среде его окраска сменится жёлтой, а в сильнощелочной раствор обесцветится.

Однако наиболее часто в лабораторной практике используется универсальный индикатор – смесь нескольких кислотно-основных индикаторов. Он позволяет легко определять не только характер среды (кислая, нейтральная, щелочная), но и значение кислотности раствора.

Таблица №1.

Шкала цветовых переходов кислотно-основных индикаторов.

название индикатора нейтральная среда кислотная среда щелочная среда лакмус фиолетовый красный синий тимоловый синий жёлтый малиново-красный синий метиловый оранжевый оранжевый красно-розовый жёлтый фенолфталеин бесцветный бесцветный малиновый универсальный жёлтый оттенки красного оттенки синего

Экспериментальная часть.

Правила техники безопасности в домашней лаборатории.

Представить себе химию без химических опытов невозможно. Поэтому изучить эту науку, понять её законы и, конечно, полюбить её можно только через эксперимент. Сложилось мнение, что химический эксперимент – это сложное оборудование и недоступные реактивы, ядовитые соединения и страшные взрывы и для занятий химией необходимы особые условия. Тем не менее, более 300 химических опытов с самыми различными веществами можно выполнить в домашних условиях. В связи с тем, что в домашней лаборатории нет вытяжного шкафа и других специальных устройств, необходимо строго соблюдать правила техники безопасности:

1. Запрещается проводить опыты с ядовитыми и опасными веществами.

2. Нельзя накапливать и хранить дома большие количества реактивов.

3. Химические реактивы и вещества должны иметь этикетки с названиями, концентрацией и сроком изготовления.

4. Химические вещества нельзя пробовать на вкус.

5. Для определения запаха нельзя сосуд с веществом близко подносить к лицу. Нужно ладонью руки сделать несколько плавных взмахов от отверстия сосуда к носу.

6. Если пролилась кислота или щелочь, то вещество предварительно нейтрализуют или засыпают песком и удаляют тряпкой или собирают в совок.

7. Перед проведением эксперимента, каким бы простым он ни казался, нужно внимательно прочесть описание опыта и понять свойства применяемых веществ. Для этого есть учебники, справочники и другая литература.

Приготовление индикаторов из растительного сырья.

Во многих плодах и цветах содержатся красители, которые изменяют свой цвет в зависимости от кислотности среды. Удивительное многообразие цветов в природе создаётся простыми средствами, находящимися в «химическом отделе» фабрики растительного мира, - двумя видами пигментов. Первый вид – ксантины (каротин, ксантофилл, флавоны), окрашивают лепестки цветов в жёлтый, оранжевый цвета; второй – антоцианы, придающие лепесткам красный, голубой и фиолетовый цвета.

Стоит отметить, что пигменты растений могут быть химическими индикаторами. В качестве индикаторов можно использовать также свекольный, капустный, вишнёвый и виноградный соки, а также заварку. Растворы индикаторов надо готовить прямо перед опытом, потому что они быстро портятся.

Получение индикатора из краснокочанной капусты.

Оборудование:

Краснокочанная капуста, спирт, вода, ступка с пестиком, раствор соляной кислоты, раствор гидрокарбоната натрия, штатив с пробирками, марлевый фильтр.

Методика проведения эксперимента:

Измельчаем лист краснокочанной капусты и растираем его в ступке с небольшим объёмом спирто-водной смеси (1:1). Вытяжка приобретает фиолетовый цвет, поскольку из капустной ткани экстрагируется рубробрассицин. Это и есть кислотно-щелочной индикатор растительной природы. Приготовим 4 пробирки: первая – с раствором соляной кислоты, капустный индикатор в этой пробирке ярко-красный цвет; вторая – просто с водой – цвет фиолетовый; третья – со слабым раствором гидрокарбоната натрия – цвет синий; четвёртая – с раствором щёлочи, приобретает зелёный цвет.

Получение индикатора из сока сахарной свёклы.

Оборудование:

Сахарная свёкла, нож, тёрка, кастрюля, ступка с пестиком, стакан, воронка, марлевый фильтр, штатив с пробирками, раствор соляной кислоты, раствор гидроксида натрия.

Методика проведения эксперимента:

Очистим свёклу от кожуры, отрежем кусочек весом 5-10 грамм. Данный кусочек прокипятим в 100 мл воды в течение 5-10 минут. Протрём кусок свёклы на терке, измельчим в ступке и отфильтруем полученный настой. Фильтрат приобретает бордовый цвет. Приготовим 2 пробирки с растворами кислоты и щёлочи, добавим к содержимому пробирок по несколько капель полученного индикатора. В растворе кислоты свекольный индикатор приобретает малиновую окраску, а в растворе щёлочи становится жёлто-коричневым.

Получение индикатора из клюквы.

Оборудование:

Клюква, ступка с пестиком, стакан, воронка, марлевый фильтр, мел, спирт, вода, штатив с пробирками, растворы соляной кислоты и гидроксида натрия.

Методика проведения эксперимента:

Ягоды клюквы разотрём в ступке с небольшим количеством чистого речного песка и добавим несколько миллилитров спирта. Необходимым условием является экстракция пигмента (краски) данным растворителем. После этого экстракт нейтрализуем мелом, так как сок клюквы содержит природные кислоты. Профильтруем полученную смесь через марлевый фильтр. Вытяжка приобретает красный цвет. Приготовим пробирки с растворами кислоты и щёлочи и добавим в каждую по несколько капель клюквенного индикатора. В растворе с кислотой индикатор приобретает алую окраску, а в растворе со щёлочью – синюю.

Получение индикатора из чёрного винограда.

Оборудование:

Чёрный виноград, ступка с пестиком, стакан, воронка, марлевый фильтр, мел, спирт, вода, штатив с пробирками, раствор уксусной кислоты, раствор питьевой соды.

Методика проведения эксперимента:

С ягод чёрного винограда осторожно снимаем кожицу и измельчаем её в ступке с пестиком, добавляем несколько миллилитров спирта. Необходимым условием является экстракция пигмента (краски) данным растворителем. После этого экстракт нейтрализуем мелом, так как сок винограда содержит природные кислоты. Профильтруем полученную смесь через марлевый фильтр. Вытяжка приобретает бордово-красный цвет. Приготовим пробирки с растворами уксусной кислоты и питьевой соды и добавим в каждую по несколько капель виноградного индикатора. В растворе с кислотой индикатор приобретает красную окраску, а в растворе со щёлочью – жёлто-зелёную.

Получение индикатора из цветков домашней фиалки.

Оборудование:

Домашняя фиалка, ступка с пестиком, стакан, воронка, марлевый фильтр, спирт, вода, штатив с пробирками, раствор соляной кислоты, раствор гидроксила натрия.

Методика проведения эксперимента:

Сорвём несколько цветков с комнатного растения – фиалка. Измельчим цветки в ступке с небольшим количеством чистого речного песка и добавим несколько миллилитров спирто-водной смеси (1:1). Полученную смесь отфильтруем в стакан. Вытяжка приобретает сиреневый цвет. Приготовим пробирки с растворами соляной кислоты и гидроксида натрия, добавим в каждую пробирку по несколько капель фиалкового индикатора. В растворе с кислотой индикатор приобретает розовый цвет, а в растворе со щёлочью – зелёный.

Для проведения опытов целесообразно приготовить индикаторные бумажки. Полученными вытяжками из соков овощей, ягод и цветков пропитаем полоски фильтровальной (промокательной) бумаги, которые затем высушим в тени и сохраним в тёмных плотно закрытых склянках, на которых приклеим этикетки с названиями растений. Эти индикаторные бумажки можно использовать в школе при проведении лабораторных опытов. Результаты экспериментов оформляем в виде таблицы.

Получение индикатора фенолфталеина.

Оборудование:

Лекарственное вещество – пурген, спирт, вода, стакан, ступка с пестиком, штатив с пробирками, раствор соляной кислоты, раствор гидроксида натрия.

Методика проведения эксперимента:

Разотрём в ступке одну таблетку лекарственного вещества – пургена, размешаем с несколькими каплями спирта и разведём водой до 20-30 мл. Приготовим пробирки с растворами соляной кислоты и гидроксида натрия, добавим в каждую пробирку по несколько капель полученного индикатора. В растворе с кислотой индикатор остаётся бесцветным, а в растворе со щёлочью приобретает малиновую окраску.

Реакция нейтрализации.

Оборудование:

Пробирка, гидроксид натрия, соляная кислота, фенолфталеин.

Методика проведения эксперимента:

В пробирку прильём 1 мл раствора гидроксида натрия и добавим несколько капель фенолфталеина, раствор приобретает малиновую окраску. К полученному раствору будем по каплям приливать соляную кислоту. При добавлении кислоты окраска раствора исчезает, так как среда становится нейтральной, то есть протекает реакция нейтрализации.

Лакмус для цветов.

Оборудование:

Семь бумажных цветов из фильтровальной бумаги, раствор лакмуса, семь стаканчиков, уксусная кислота, лимонная кислота, питьевая сода, стиральный порошок, кальцинированная сода, нашатырный спирт, шампунь, вода.

Методика проведения эксперимента:

Среди веществ, которые можно найти дома на кухне, в аптечке или ванной комнате, есть кислоты и основания. Чтобы определить, какая среда в растворе (кислотная или щелочная) будем использовать индикатор – раствор лакмуса. Лакмус синеет в щелочной среде и становится красным в кислотной.

Сделаем из фильтровальной бумаги семь бумажных цветов (роз) и опустим их поочерёдно в раствор лакмуса. В нейтральной среде этот раствор фиолетовый.

Приготовим в стаканчиках водные растворы «домашних» реактивов: уксусной кислоты, лимонной кислоты, питьевой соды, нашатырного спирта, кальцинированной соды, стирального порошка, шампуня. В каждый из приготовленных растворов по очереди опускаем «лакмусовую» бумажную розу и обращаем внимание, как изменится её цвет. Таким образом, мы определяем, какие из домашних химических веществ кислоты, а какие- щёлочи. Результаты эксперимента оформляем в виде таблицы.

Занимательный эксперимент.

Оборудование:

Фильтровальная бумага, проволока, банка с крышкой, медный купорос, фенолфталеин, нашатырный спирт.

Методика проведения эксперимента:

Из фильтровальной бумаги и проволоки готовим два цветочка: розу и василёк. Бумажную розу необходимо пропитать раствором медного купороса, а бумажный василёк – спиртовым раствором фенолфталеина. Красиво разместим влажные цветы в банке, вольём в неё 10 мл нашатырного спирта и закупорим горловину крышкой. Через несколько минут роза станет ярко-синей (васильковой), так как медный купорос образует с аммиаком комплекс интенсивно-синего цвета. А василёк станет розово-малиновым, так как индикатор фенолфталеин в щелочной среде окрашивается в малиновый цвет.

Секретные чернила.

Оборудование:

Белый лист бумаги, раствор фенолфталеина, ручка с пером.

Методика проведения эксперимента:

На белом листе бумаги обычным пером пишут какой-нибудь текст, но вместо чернил берут спиртовой раствор фенолфталеина. Спирт быстро испаряется с бумаги, а фенолфталеин остаётся невидимым. По внешнему виду бумага кажется совершенно чистой. Для того чтобы прочитать текст необходимо приготовить раствор, имеющий щелочную среду (раствор гидроксида натрия, питьевой или кальцинированной соды или использовать нашатырный спирт)

Выводы по работе.

В ходе выполнения учебно-исследовательской работы, мы выяснили, что такое индикаторы, познакомились с их классификацией, историей открытия и способами получения. Экспериментальную часть работы мы выполняли дома и в школьной лаборатории. В ходе выполнения экспериментов, мы освоили методику получения природных индикаторов из растительного сырья, а также составили экспериментальную шкалу цветовых переходов природных индикаторов в различных средах. Мы считаем, что полученные нами индикаторы имеют преимущества перед синтетическими, потому что они дешёвые и доступные; но у них есть и существенные недостатки. Основной недостаток природных индикаторов – их сезонность и невозможность заготовить впрок: растворы довольно быстро скисают или плесневеют, теряют свои свойства. Другой, но не такой существенный недостаток – слишком медленное, постепенное изменение цвета при добавлении кислоты к щелочному раствору или наоборот. К тому же трудно бывает отличить, например, нейтральную среду от слабокислой или слабощелочную от сильнощелочной. Поэтому в химических лабораториях используют синтетические индикаторы, резко меняющие свой цвет уже при небольшом изменении кислотности.

А также мы поняли, что химия – это замечательная наука! Она помогает нам дома и в школе, даёт пищу и одежду, снабжает необычными веществами и материалами и удивляет химическими чудесами. Химия позволит нам проникнуть в тайны природы, прикоснуться к прекрасному и познать многие вещества, окружающие нас. Как много ещё интересных открытий предстоит нам совершить, изучая химию.

Таблица №2.

Шкала цветовых переходов природных индикаторов в различных средах.

Природный индикатор кислая среда нейтральная среда щелочная среда краснокочанная капуста красный фиолетовый зелёный сахарная свёкла малиновый бордовый жёлто-коричневый клюква алый красный синий чёрный виноград красный бордово-красный зелёный домашняя фиалка розовый сиреневый жёлто-зелёный

Таблица №3.

Изменение окраски «лакмусовой» бумажной розы в водных растворах «домашних» реактивов.

Реактив роза до опыта роза после опыта уксусная кислота фиолетовая розовая лимонная кислота фиолетовая розовая питьевая сода фиолетовая синяя нашатырный спирт фиолетовая синяя кальцинированная сода фиолетовая синяя стиральный порошок фиолетовая синяя шампунь фиолетовая синяя