Изучение свойств природных индикаторов, содержащихся в растениях

IV Межрегиональный интернет-конкурс для школьников  
«Химия настоящего и будущего»

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Тема: «Изучение свойств природных индикаторов, содержащихся в растениях».

 

 

 

 

 

 

 

                                                                                                            Автор: Нестерова Ангелина

учащаяся  10 «Б» класса

                                                                                                                   ГБОУ СОШ  № 7

                                                                                                                           г.о. Новокуйбышевска.

 

                                                                                                    Научный руководитель:

 Глотова  Наталья  Михайловна

                                                                                                                  учитель химии

                                                                                                                       первой категории

                                                                                                                        ГБОУ  ООШ  № 6

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2012г.

 

Оглавление

стр.

1. Введение……………………………………………………………………………………………3

2. Теоретическая часть……………………………………………………………………………….5                                                                                                                                                                                                             

2.1. Индикаторы. Общие понятия. Классификация…………………………………………………5                                                                          2.2. Кислотно – основные индикаторы. История их открытия…………………………………….6                                                 

2.3. Растительные пигменты………………………………………………………………………….7

2.4. Антоцианы и их свойства………………………………………………………………………..8                                                                                                     

2.5. Роль антоцианов в жизни растений……………………………………………………………..9

2.6 Применение и биохимическая  роль природных индикаторов…………………………………11

2.6.1. Применение природных индикаторов в медицине…………………………………………..11

2.6.2.  Применение природных индикаторов в народном хозяйстве и быту……………………...12

3. Практическая часть………………………………………………………………………………...14

3.1.  Методика изготовления  индикаторов…………………………………………………………14                                                                                                                                            

3.2.  Приготовление растительных  индикаторов и исследование их свойств……………………14  

3.3. Определение рН среды  средств бытовой химии и косметических средств…………………17  

3.4 Метод нанесения надписей  на лепестки цветов………………………………………………..17

Заключение……………………………………………………………………………………………19                                                                                                                                      

Список используемой литературы…………………………………………………………………..20                                                                                                 

Приложения…………………………………………………………………………………………..21

Приложение 1.  Кислотно – основные  индикаторы……………………………………………….21                                                                     

Приложение 2.  Растительные пигменты…………………………………………………………...22

Приложение 3.  Весовые соотношения природного сырья и воды для приготовления

                            индикаторов………………………………………………………………………..23

Приложение 4.  Применение природных индикаторов……………………………………………24

Приложение 5. Изменение окраски природных индикаторов в разных средах………………….25

Приложение 6. Реакция среды косметико-гигиенических, моющих и других средств.

                    Способы удаления пятен растительного происхождения………………………..26

Приложение 7. Фотоиллюстрации к экспериментам………………………………………………27                                                                

 

                                                                                                                                                                                                                                                     

 

 

 

 

1. Введение.

Многие наблюдали такую картину. Дети с аппетитом едят вкусные и сочные фрукты, роняя капли сока на одежду. Они и не подозревают, сколько забот и хлопот создают своим мамам и бабушкам. Еще бы: ведь растительные пятна, где присутствуют все краски живой природы так непросто отстирать! Вот и со мной случилась такая же история.

      Этим летом мне подарили красивую футболку, а я её испачкала соком вишни. Что бы не огорчать маму,  я решила это пятно вывести. Что я только не делала: терла его хозяйственным мылом и стирала с порошком. По совету бабушки протирала ваткой с уксусной кислотой, а потом нашатырным спиртом, но ничего не помогало. К моему удивлению пятно становилось то ярко красным, то фиолетовым, то синим. Это мне напомнило урок химии, когда мы исследовали различные вещества с помощью индикаторов.

       Индикаторы (от латинского indicate-указывать) - это вещества, которые изменяют свой цвет в зависимости от среды раствора. Значит в плодах растений, листьях и цветах  содержатся природные красители (пигменты), которые под действием щелочных растворов меняют свой цвет на синий или фиолетовый, а от действия кислот становятся красными. Возникает вопрос – что это за природные индикаторы, которые содержатся в плодах и ягодах? И какими свойствами они обладают? Поэтому, тема моей  исследовательской работы  –  «Изучение свойств природных индикаторов, содержащихся в растениях». А цель её -  доказать наличие природных индикаторов в разных частях растений и изучить их свойства. Для достижения цели исследования были поставлены следующие задачи:

• Изучить литературу по данной  проблеме;
• Исследовать природные объекты на наличие индикаторов;
• Доказать индикаторные свойства растительных пигментов;
• Выявить значение и биохимическую роль природных  индикаторов.

       Актуальность темы данной работы заключается в том, что в настоящее время возрос интерес к растениям в связи с их  применением в различных областях науки, таких как химия, биология, экология и медицина. Например, по окраске растений и её интенсивности экологи определяют наличие вредных веществ в атмосферном воздухе и почве.

        Информацию, полученную в этой работе можно использовать как на уроках химии, так и на уроках биологи. 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, что определяет урожайность плодов и ягод.

       В качестве  объекта исследования были взяты цветы, плоды и ягоды растений, обладающие индикаторными свойствами, а предмет исследования: растворы растительных индикаторов.

Гипотеза исследования: растения обладают индикаторными свойствами, которые можно использовать в различных сферах.

Для достижения поставленной цели были использованы следующие методы исследования: анализ, сравнение, химический эксперимент.

       Нужную  информацию я находила в книгах, периодических изданиях, интернате. Следует отметить, что данная тема широко освещена, поэтому была проведена большая работа, связанная с отбором и систематизацией  информации.

      Несомненная новизна работы, как можно судить по доступным источникам в том, что в ходе экспериментов мною найден метод нанесения надписей на лепестки цветов, основываясь на индикаторных свойствах антоцианов.

       Как  мне кажется, эта работа способствует развитию у учащихся любознательности, наблюдательности и приобретению практических навыков проведения наблюдений, исследованию и обобщению информации  для обоснования конечных выводов.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2. Теоретическая часть.

2.1 Индикаторы. Общие понятия. Классификация.

Существует несколько определений понятия «индикатор», но во всех определениях индикаторы представлены как вещества, которые меняют цвет в  зависимости от того, попали они в кислую, щелочную или нейтральную среду.

        Так же как  и определений индикаторов, существует несколько их классификаций. В химической энциклопедии рассмотрены  индикаторы кислотно-основные,  окислительно-восстановительные, комплексонометрические, адсорбционные, изотопные,         люминесцентные. Индикаторы всех этих шести групп информируют химиков о том, как далеко зашли изменения в реакционной системе. Некоторые из них даже начинают светиться под действием произошедших в растворе изменений. Индикаторы действуют безотказно и 

отличаются большой чувствительностью [7]. 

Рассмотрим определения некоторых индикаторов.

Адсорбционные индикаторы - вещества,  способные адсорбироваться на поверхности

осадка  и менять при этом окраску или интенсивность люминесценции.

        Изотопные индикаторы - вещества, имеющие в своем составе химический элемент с изотопным составом, отличающимся от природного.

      Комплексонометрические индикаторы - вещества, образующие с ионами металлов окрашенные комплексы, по цвету отличающиеся от самих индикаторов.

      Люминесцентные индикаторы - вещества, способные люминесцировать или тушить люминесценцию при изменении концентрации ионов водорода в растворе.

    Окислительно - восстановительные индикаторы - вещества, способные изменять окраску в зависимости от окислительно-восстановительного потенциала раствора.

     Кислотно – основные индикаторы -  растворимые органические соединения, которые меняют свой цвет или люминесценцию в зависимости от концентрации ионов Н+ (рН среды). Такие индикаторы резко изменяют свой цвет в достаточно узких границах рН [7].

     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.

      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. Существует нейтральная среда – рН = 7, рН < 7 – кислотная, при рН > 7 – щелочная [5]. Среду исследуемого раствора можно приблизительно определить по окраске индикаторов.

        Рассмотрим кислотно-основные индикаторы более подробно, так как именно к ним  относятся природные индикаторы.

 

2.2 Кислотно-основные индикаторы. История их открытия.                                                                                                                                  

     Кислотно-основные индикаторы

применяется для установления конца реакции между кислотами и основаниями, или других реакций, если в них участвуют ионы Н+, а также для колориметрического определения   рН водных растворов. Причина изменения цвета индикатора в том, что присоединение или отдача протонов его молекулами связаны с заменой одних хромофорных групп другими или с появлением новых хромофорных групп [7]. Наиболее важные кислотно – основные индикаторы приведены в таблице (приложение 1).    

     Вероятно, самым древним кислотно-основным индикатором является лакмус. Лакмус был известен уже в Древнем Египте и Древнем Риме. Лакмус (от гол. lakmoes) - красящее вещество, добываемое из некоторых видов лишайников. Фактически природный лакмус представляет собой сложную смесь. Его основными компонентами являются: азолитмин (C9H10NO5) и эритролитмин (С13H22O6) [10].  Лакмус в древности использовали в качестве фиолетовой краски, но со временем,  рецепт его приготовления был утерян. В 1640 ботаники описали гелиотроп (Heliotropium Turnesole) – душистое растение с темно-лиловыми цветками, из которого было выделено красящее вещество. Этот краситель, наряду с соком фиалок, стал широко применяться химиками в качестве индикатора, который в кислой среде был красным, а в щелочной – синим.

В 1667 году знаменитый химик и физик Роберт Бойль предложил пропитывать фильтровальную бумагу отваром тропического лишайника – лакмуса, а также отварами фиалок и васильков, и таким образом положил начало применению индикаторной (лакмусовой) бумаги [8].

       Цвет растений определяется химическим составом клеточного содержимого каждого растения (пигментом). Следовательно, индикаторы можно найти среди природных объектов. Пигменты многих растений способны менять цвет в зависимости от кислотности клеточного сока. Поэтому, пигменты являются индикаторами, которые можно применить для исследования кислотности растворов.

 

 

 

2.3 Растительные пигменты.                                               

        Пигменты - органические соединения, присутствующие в клетках и тканях растений и окрашивающие их. Расположены пигменты в хлоропластах и хромопластах.

В растительном мире известно около 2 тысяч пигментов. Наиболее стойкими, являются  150. Некоторые из них представлены в таблице (приложение 2). Накапливаются пигменты главным образом в корнях, цветках, кожуре плодов и в листьях растений.

     Общее название растительных пигментов - биофлавоноиды. Это фенольные соединения, продукты жизнедеятельности растений. Большинство хорошо растворимы в воде, не растворимы в этиловом эфире, хлороформе и бензоле. Особенно богаты ими листья чая, цветы и листья гречихи, софоры японской, плоды цитрусовых, шиповника и черноплодной рябины (эти растения служат сырьем для производства медицинских препаратов). Значительные количества содержатся также в красном перце, черной смородине, землянике, малине, вишне, облепихе, некоторых сортах яблок, слив и винограда. Многие биофлавоноиды придают окраску цветам и плодам растений [9].

       Все пигменты можно разделить на три группы — хлорофиллы, каротиноиды, антоцианы.

Хлорофилл определяет зеленую окраску листьев. Без этого изумрудного пигмента невозможна жизнь на планете, так как он осуществляет фотосинтез. Спутниками хлорофилла являются каротиноиды, которые определяют желтое, оранжевое и красное окрашивание. Так, желтые зерна кукурузы, оранжевая кожура мандарина, красные плоды шиповника своей окраской обязаны каротиноидам. Третья группа пигментов — антоцианы, которые определяют практически все краски растений — от оранжевой и красной до синей [4]. Особый интерес представляют пигменты третьей группы – антоцианы, которые обладают хорошими индикаторными свойствами.

 

2.4 Антоцианы и их свойства.

 

Антоцианы (от греч. ánthos — цвет и kýаnos — лазоревый) – это одни из самых распространённых пигментов в растительном царстве. Группа антоцианов наиболее многочисленна и насчитывает около 10 видов. Известно большое количество природных объектов, богатых антоцианами. Это анютины глазки, малина,  вишня, земляника, краснокочанная капуста,  черника, клюква, клубника, черный виноград и многие другие. Они образуются в процессах гидролиза крахмала и по своему происхождению являются безазотистыми соединениями, близким к глюкозидам - соединениям сахара с неуглеводной частью. В основе их строения находится структура:

Строение антоцианов установлено в 1913 немецким биохимиком Р. Вильштеттером, первый химический синтез осуществлен в 1928 английским химиком Р. Робинсоном. 

Антоцианы придают тканям растений фиолетовую, синюю, красную, оранжевую и другие окраски. Эта окраска нередко зависит от рН клеточного содержимого, и потому может меняться при созревании плодов, отцветании цветков — процессах, сопровождающихся закислением клеточного содержимого [3].

При этом окраска растений изменяется от зелёных до красных и синих цветов. Антоцианы хорошо растворимы в воде и присутствуют в соке вакуолей. Диапазон цветов изменяется благодаря наличию в растениях в основном трёх моделей антоцианов, различных между собой числом гидроксильных групп: пеларгонидин (красный), цианидин (фиолетовый) и дельфинидин (синий).

Пеларгонидин,  цианидин  и дельфинидин - пирилиевые соли, которые образуются при нагревании с разбавленными кислотами или в результате действия некоторых ферментов. Они придают цвет тканям растений, цветам, плодам. Цвет и строение антацианов зависят от рН среды.  
Красный пеларгонидин содержится в цветках герани (Geranium roseum), плодах земляники (Fragaria ananassa), корнеплодах редиса (Raphanus sativus). Цианидин находится в цветках тюльпанов (Tulipa x hybrida), васильков (Centaurea cyanus), плодах черной смородины (Ribes nigra), ежевики (Rubus caesius). А дельфинидин определяет окраску цветков гиацинта (Hyacinthus orientalis), плодов баклажана (Solarium melongena), граната (Punica granatum). Вариации в пропорциях этих пигментов в растениях дают разную окраску [4]. В зависимости от кислотности (рН) среды сока вакуолей, антоциан придаёт ту или иную окраску. В кислой среде он обычно имеет красные тона, например, у герани, гортензии, фиалок. В щелочной эти растения приобретают сине-голубые тона. Если же к синему или фиолетовому раствору антоциана прибавить кислоту, раствор снова станет розовым. Опытным путём это легко проверить на растениях, подбирая в качестве подкормок те или иные микроэлементы, изменяющие кислотность жидкости вакуолей. Если к нейтральному раствору антоциана добавить очень слабый щелочной раствор - получается голубое окрашивание, при более концентрированном растворе щелочи окрашивание перейдёт в жёлто-зелёное [11].

 

 

 

2.5 Роль антоцианов в жизни растений.

       Антоцианы содержатся почти во всех растительных тканях в самых разных частях растений: в лепестках, плодах, листьях. Они обычно окрашивают цветки и плоды в фиолетовый

цвет. В листьях антоцианы замаскированы хлорофиллом и проявляются лишь при его разрушении. Этим и объясняется красный,  желтый и оранжевый цвет осенней листвы. На цвет антоцианов влияет не только кислотность среды, но и её элементный состав. Например, для проявления синего цвета необходимо наличие в клетках растения комплексного соединения антоцианов с магнием, алюминием, оловом, а также белками и сахарами. Разнообразие антоциановых окрасок растений определяется внутренними биохимическими процессами и сочетанием различных антоцианов и их производных. Поэтому в соцветиях медуницы лекарственной можно одновременно найти полураспустившиеся цветки с розоватым венчиком, расцветшие - пурпуровой окраски и уже отцветающие - синего цвета. Это обусловлено тем, что в бутонах клеточный сок имеет кислую реакцию, которая по мере распускания цветков переходит в нейтральную, а потом и в щелочную. Подобные изменения окраски лепестков наблюдаются у многих растений, например у герани. Изменение цвета лепестков герани по мере старения   

 можно объяснить индикаторными свойствами

 антоцианов.

Клеточный сок растения, в котором растворён пигмент, имеет кислую среду, а цитоплазма –щелочную. Вакуоли с клеточным соком отделены от цитоплазмы мембраной, которая обычно непроницаема для антоцианов. Однако с возрастом в мембране возникают дефекты, и в результате пигмент начинает проникать из вакуолей в цитоплазму. А поскольку среда здесь иная, меняется окраска цветков.

Усиленное образование антоцианов в клетках растения происходит при снижениях температур окружающей среды, при остановках синтеза хлорофилла, при интенсивном освещении УФ-лучами. Поэтому больше всего антоцианов накапливают растения в местностях с суровыми климатическими условиями. Считается, что антоциан защищает растения от низких температур и от вредного воздействия солнечного цвета на цитоплазму [1].

Несомненно, яркая окраска цветков и плодов играет большую роль в привлечении насекомых-опылителей и в распространении плодов.

 

2.6 Применение и биохимическая роль природных индикаторов.

        Свойства природных индикаторов имеют широкое применение (приложение 4).

 

2.6.1 Применение природных индикаторов в медицине.

       Данные последних лет свидетельствуют, что красящие вещества растений обладают многообразными лечебными эффектами и  благотворно влияние на организм человека.

       Антоцианы имеют огромное биохимическое значение. Они являются мощными антиоксидантами, которые сильнее в 50 раз витамина С. 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, улучшают память. 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 обладают уникальными свойствами – подавляют рост опухолей. Так, например 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.  

2. Применение природных индикаторов в народном хозяйстве и быту.

       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 [13].

       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 [4].

Окраска антоцианов связанна с показателем рН среды. При рН < 6 окраска карминово-красная, 6 — фиолетовая, 8 — синяя, 10 — зеленая. Так, розовая гортензия, растущая на щелочных почвах, при подкислении грунта квасцами приобретают голубую окраску.  Синие гиацинты, растущие вблизи муравейника, под влиянием паров муравьиной кислоты превращаются в красные [4]. Для садоводов так же важен цвет семян, листьев и стеблей растений. Фиолетовая окраска - является индикатором на содержание в них углеводов - сахарозы, фруктозы и глюкозы, которые обусловливают холодостойкость растений. По этому характерному признаку  можно вести предварительный отбор на морозоустойчивость растений, что не маловажно в нашей полосе.  
      Так же антоцианы применяются в косметике, т.к. обладают стабилизирующим эффектом и являются коллагенами и в пищевой промышленности в виде добавки E163 в качестве природных красителей. Они применяются в производстве кондитерских изделий, напитков, йогуртов и других пищевых продуктов.

       Растительные индикаторы можно использовать и в быту:

• определять среду растворов различных средств бытовой химии и косметических средств (приложение 5);
• удаление пятен растительного происхождения (приложение 5).

 

 

 

3. Практическая часть

3.1  Методика изготовления  индикаторов.  

Для приготовления индикаторов из растительного сырья рекомендуется, использовать окрашенные растения или их части. Выбор растительного материала для приготовления индикаторов неограничен. Существуют различные способов приготовления индикаторов. Некоторые из них мы рассмотрим в данной работе.

1. Индикатор из сока краснокочанной капусты можно получить следующим образом: 40-50 граммов мелко нарезанной капусты залить 25 мл этилового спирта, осторожно прокипятить, отфильтровать – индикатор готов [6].

2. Индикатор можно готовить  не только из свежего сырья, но и из сушённого. Тонко измельчают корни конского щавеля и берут 25 – 30 грамм, заливают 25% водным раствором аммиака (120 – 150 мл). 6 часов настаивают [11].

3. 50г свежих плодов размельчить в ступке, залить 200мл воды и кипятить в течение  2-3минут. Затем охлаждённый и отфильтрованный раствор разбавить спиртом в соотношении 2:1 с целью предохранения раствора от порчи. Аналогично готовят вытяжки из лепестков цветов. В таблице (приложение 3) указаны соотношение лепестков и воды [2].

4. Можно использовать сушеные ягоды, получая из них настои: для этого измельченный материал нужно залить водой и дать постоять некоторое время при комнатной температуре. Окрашенный раствор отфильтровать и использовать как индикатор. Многие ягоды сохраняют свои свойства, если их поместить в сахарный сироп.

       Для приготовления индикаторной бумаги необходимо в приготовленную вытяжку опустить сухую фильтровальную бумагу на 10 – 12 минут, пока красящее вещество не адсорбируется целлюлозой. При необходимости эту процедуру повторяют 2 – 3 раза. Затем бумагу промывают и сушат не допуская попадания яркого свет. Сухую бумагу разрезают и хранят  в пакете.

 

3.2  Приготовление растительных  индикаторов и исследование их свойств.  

Для приготовления растительных индикаторов я выбрала следующие методы:

Опыт № 1. Приготовление индикаторов из ягодного сахарного сиропа и свежих ягод.

Цель: приготовление вытяжки антоцианов.

Оборудование: сахарный сироп из клубники, малины и чёрной смородины; свежие ягоды – клюква, ежевика, вишня; дистиллированная вода, спирт, пробирка,  фильтровальная бумага, фильтр.