Рослини-індикатори та їх застосування

План проекту

І. Теоретичний блок.

1. Визначення актуальності, теми, мети, об’єкту досліджень. Завдання та новизна роботи.

2. Опис предмету дослідження.

1.     Що таке індикатори, види індикаторів, їх характеристики.

2.     Індикатори з природної сировини.

3.     Виготовлення індикаторів у домашніх умовах.

4.     Індикатори на службі людини.

ІІ. Експериментально-практичний блок.

1. Підбір сировини для виготовлення індикаторів.

2. Виготовлення розчинів-індикаторів з рослинної сировини.

3. Виготовлення індикаторного паперу.

4. Аналіз кислотно-основних характеристик засобів побутової хімії та продуктів харчування.

5. Аналіз ґрунту та рекомендації щодо висадки сільськогосподарських  культур.

ІІІ. Аналіз і узагальнення отриманих даних. Висновки.

IV. Список використаних джерел.

І. Теоретичний блок

Визначення актуальності,  теми, мети, об’єкту досліджень.

Завдання та новизна роботи.

Інтенсивно зростаючий потік нових товарів – засобів побутової хімії, косметичних засобів, продуктів харчування, енергетичних напоїв, смакових приправ та інших заставляє кожного з нас задуматися: а чи не шкідливе це все для нашого здоров’я, чи не постраждають зуби, шкіра, шлунок від величезної кількості новостворених людиною продуктів. Людина – це середовище з певним кислотно-лужним балансом. І якщо те, з чим вона контактує, значно відрізняється від встановлених природою меж, то можна передбачити негативний вплив на здоров’я. У наш час активно використовують  хімічні речовини  в повсякденному житті і необхідно правильно з ними поводитись, щоб не завдати шкоди своєму здоров’ю. Використовуючи пральні, миючі, чистячі засоби для дому, можна інколи помітити, що виробники не вказують на етикетках негативного впливу цих речовин на шкіру людини. Маючи дома свій індикатор, можна легко вирішити проблему  поводження з цими засобами. Перевіривши рослинним індикатором миючі засоби, можна визначити, який вплив на шкіру має гель для душу, шампунь чи мило.

Актуальність роботи полягає в тому, що я використала природну сировину для виготовлення індикаторів та для визначення з їхньою допомогою кислотно-лужного балансу продуктів, косметичних та миючих засобів, а також ґрунту. Властивості рослинних об'єктів можуть бути використані для застосування в різних областях науки, таких як хімія, біологія і медицина.

Мета роботи – отримання рослинних індикаторів з природної сировини; вивчення зміни забарвлення рослинних індикаторів в нейтральному, кислому та лужному середовищах; дослідження рН речовин, що застосовуються в побуті, косметичних засобів та ґрунту.

Об’єкт дослідження – рослини, соки яких мають індикаторні властивості.

Предметом дослідження є розчини рослинних індикаторів.

Завдання роботи:

1.      Вивчити літературні джерела з теми.

2.      Розглянути класифікацію індикаторів.

3.      Охарактеризувати основні рослинні барвники.

4.      Виділити із природної сировини речовини, які мають здатність за певних умов змінювати свій колір , виготовити їх розчини.

5.      Провести дослідження з визначення зміни забарвлення отриманих розчинів залежно від середовища.

6.      Виготовити індикаторний папір.

7.      Визначити рослинні індикатори, які можна використати для визначення реакції середовища.

8.      Експериментально дослідити рН речовин, що застосовуються в побуті і ґрунту в різних місцевостях. 

Новизна роботи полягає в тому, що я провела дослідження визначення реакції рослинних індикаторів в засобах побутової хімії, косметичних засобах та ґрунті; запропонувала використовувати саморобний індикаторний папір під час уроків; дослідила реакцію ґрунту на різних частинах свого городу і зробила висновок щодо висадки сільськогосподарських рослин відповідно до кислотності ґрунту.   

Практичне значення роботи.

Інформацію, отриману в цій роботі можна використовувати   як на уроках хімії, так і на уроках біології. Рослинні індикатори доступні для кожного учня і можуть використовуватись при проведенні дослідів у шкільній лабораторії, для домашніх дослідів, для досліджень у польових умовах, для демонстрування цікавих дослідів, для того, щоб учні мали уявлення про природні індикатори і використовували їх у своєму житті в майбутньому (для визначення рН різних розчинів, наприклад, молочних продуктів, бульйонів, лимонаду та інших), а також для визначення кислотності ґрунту, так як на одній і тій же землі в залежності від її кислотності один вид рослин може давати високий урожай, а інші будуть пригнобленими. Синтетичні індикатори не всім доступні. Природні індикатори легко приготувати і цим економляться кошти на реактиви.

Що таке індикатори, види індикаторів, їх характеристики.

Індикатори - це органічні речовини, які можуть приєднувати йони H⁺ або OH^–. Залежно від того, який йон приєднала молекула індикатора, вона змінює свою структуру. У результаті ми спостерігаємо зміну кольору індикатора. Якщо індикатор містився в розчині — змінюється колір розчину, якщо він був нанесений на папір (індикаторний папір) — змінюється колір індикаторного паперу.

У XVII столітті в лабораторії англійського фізика і хіміка Роберта Бойля, як завжди, кипіла робота. До кабінету вченого заглянув садівник і поставив у кутку кошик з дивовижними темно-фіолетовими квітами. Бойль дуже любив фіалки, але на порядку денному було проведення досліду.  Вчений взяв кілька квіток, понюхав, поклав на стіл і відкрив колбу з хлоридною кислотою, з якої заклубочилася їдка пара. Завершуючи дослід, Бойль краєм ока помітив, що квіти на столі димлять. Щоб врятувати їх, Бойль швидко опустив фіалки у склянку з водою. І тут сталося диво: фіолетові пелюстки змінили колір на червоний! Справжній учений не залишить таке явище без уваги, доки не знайде йому пояснення. Бойль наказав помічнику приготувати різні розчини, і улюблені квіти перетворилися на об’єкт дослідження. Занурюючи фіалки у розчини, Бойль зробив висновок: у кислому середовищі пелюстки фіалок забарвлюються у червоний колір, а в лужному – у синьо-зелений. А як щодо інших квітів? Експерименти тривали. Найкращі результати дали лакмусові лишайники. Бойль занурив у настоянку лакмусового лишайника звичайні смужки паперу, почекав, доки вони просочаться настоянкою, а потім висушив їх. Ці «розумні» папірці, які вказують на кислотність розчину, Бойль назвав індикаторами, що в перекладі з латини означає «вказівники».

Класифікація індикаторів

Типи індикаторів	З якою метою використовуються	Назва
Кислотно-основні	Визначення  рН середовища	Метиловий оранжевий  Метиловий червоний  Феноловий червоний  Фенолфталеїн
Окислювально-відновні	Визначення окисника чи відновника	Метиленовий синій Дифеніламін
Комплексонометричні	Визначення йонів металу	Пірокатехіновий червоний  Алюмінол Мурексид
Абсорбційні	Визначення йонів кислотних залишків	Алізариновий червоний  Еозин Еритрозин
Люмінесцентні	Визначення середовища  каламутних розчинів	Хінін Кумарин Акридин Люмінол

НАЙВАЖЛИВІШІ КИСЛОТНО – ОСНОВНІ ІНДИКАТОРИ

Назва індикатора	Інтервал переходу рН	Лужне середовище	Кисле середовище	Нейтральне середовище
Метиловий оранжевий	3,1 – 4,0	Жовтий	Рожевий	Оранжевий
Метиловий червоний	4,2 – 6,2	Жовтий	Червоний	Червоний
Феноловий червоний	6,8 – 8,4	Червоний	Жовтий	Червоний
Фенолфталеїн	8,2 – 10,0	Малиновий	Безбарвний	Безбарвний
Тимолфталеїн	9,3 – 10,5	Синій	Безбарвний	Безбарвний
Алізариновий жовтий	10,2 – 12,1	Бузковий	Жовтий	Жовтий
Лакмус	5,0 – 8,0	Синій	Червоний	Фіолетовий

Кислотно-основні індикатори діляться на:

-          Чутливі до кислот – інтервал переходу знаходиться в лужному середовищі (фенолфталеїн, алізариновий жовтий, тимолфталеїн);

-          Чутливі до основ – інтервал переходу – у кислому середовищі (метиловий оранжевий);

-          Чутливі до кислот і основ, або нейтральні індикатори – інтервал переходу – в нейтральному середовищі.

При визначенні сильних кислот і основ можна використовувати будь-який індикатор.

Якщо хочемо визначати слабку кислоту чи основу, то треба користуватися індикатором, який чутливий саме до кислот чи основ. Для збільшення чіткості переходу забарвлення кислотно-основних індикаторів використовують змішані індикатори – суміш двох індикаторів, кольори яких доповнюють один одного.

Для визначення рН розчинів використовують універсальний кислотно-основний індикатор (суміші кислотно-основних індикаторів), які змінюють своє забарвлення у межах 1-14 одиниць рН.

(Бишоп Е. Индикаторы. – М., 1976; Коренман И.М. Новые титриметрические методы. – М., 1983)

Індикатори з природної сировини.

Багато індикаторів є синтетичними, тобто не природного походження. Це забезпечує їхню стійкість та точність аналізу, адже синтетичний індикатор – це речовина певного складу, на відміну від рослинних індикаторів, які часто є сумішшю різних природних речовин, мають обмежену стійкість і не завжди дають точні і відтворювані результати.

Вперше використав кольоровий індикатор Льюіс в 1767 році, і цим першим індикатором був лакмус, який є саме індикатором рослинного походження. (lubbook.org)

Фактично природний лакмус являє собою складну суміш 10 – 15 різних речовин. Процес його отримання є досить складним і включає немало стадій.

-          Подрібнення рослинної сировини;

-          Її вимочування в содово-аміачному розчині;

-          Відокремлення утвореного осаду;

-          Висушування і розтирання отриманого твердого голубого екстракту;

-          Спиртова екстракція інших, наявних у порошку, забарвлених речовин;

-          Пресування отриманого темно-синього осаду з гіпсом або крейдою.

-          Подальше розчинення у спирті і використання як індикатора.

Індикатори можна добути з багатьох рослин, яким притаманне забарвлення.

Колір рослин визначається хімічним складом клітинного вмісту кожної рослини (пігментом). Пігменти - органічні сполуки, які  присутні в клітинах і тканинах рослин та надають їм певного забарвлення.

Накопичуються пігменти у корінні, у квітках, у шкірці плодів і в листках рослин. Розташовані пігменти в хлоропластах і хромопластах. Пігменти багатьох рослин здатні змінювати колір залежно від кислотності клітинного соку. Тому пігменти є індикаторами, які можна застосувати для дослідження кислотності розчинів.

Хлорофіл надає зеленого забарвлення листкам. Без цього смарагдового пігменту неможливе життя на планеті, оскільки він приймає участь у фотосинтезі.

Супутниками хлорофілу є каротиноїди, які надають жовте, помаранчеве і червоне забарвлення. Так, жовті зерна кукурудзи, помаранчева шкірка мандарина, червоні плоди шипшини своїм забарвленням зобов'язані каротиноїдам.

Флавоноїди – це жовті, коричневі пігменти рослин.

Антоціани, які надають практично всі кольори рослинам — від помаранчевого та червоного до синього. Вони мають добре виражені індикаторні властивості.

Природні індикатори мають і переваги, і недоліки.

Недоліки природних індикаторів: їх відвари досить швидко псуються – скисають або пліснявіють, тому частіше використовують  більш стійкий спиртовий розчин.  Інший недолік – дуже широкий інтервал зміни кольору. При цьому важко або неможливо відрізнити, наприклад, нейтральне середовище від слабо кислого або слабо лужне від сильно лужного.

Позитивним моментом є те, що вони екологічно безпечні і їх можна приготувати і використовувати в домашніх умовах.

Виготовлення індикаторів у домашніх умовах.

Для  приготування розчинів  індикаторів з рослинної сировини рекомендується, використовувати забарвлені рослини або їх частини. Вибір рослинного матеріалу для приготування індикаторів необмежений.

Головне – щоб виготовлені індикатори відповідали певним вимогам:

Ø  мають бути слабкою кислотою або слабкою основою;

Ø  молекули і йони повинні мати різне забарвлення;

Ø  забарвлення  має бути надзвичайно інтенсивним, щоб його можна  було помітити  при додаванні до досліджуваного  розчину навіть малої кількості індикатора.

Можливі 3 шляхи приготування розчинів індикаторів з природної сировини:

І. Подрібнити потрібний матеріал та вичавити з нього сік. Отриманий сік розвести водою або спиртом для довшого зберігання.

ІІ. Подрібнити потрібний матеріал, залити його гарячою водою і настояти. Згодом відфільтрувати і використовувати фільтрат як індикатор.

ІІІ. Приготувати відвар – подрібнений матеріал недовго прокип’ятити, настояти до охолодження розчину, відфільтрувати.

Індикатори на службі людини.

ІІ. Експериментально-практичний блок.

1. Підбір сировини для виготовлення індикаторів.

Я пробувала виготовляти індикатори з різних рослин – квітів, овочів, ягід. Звісно, не всі рослини були придатні для проведення кислотно-лужного аналізу продуктів побутової хімії, продуктів харчування, ґрунту. Деякі давали не чітку зміну забарвлення, іншими можна було визначити тільки сильну кислоту чи сильну основу, тому вони теж не годилися для проведення аналізу в домашніх умовах. В основному чітку картину з яскраво вираженою зміною забарвлення давали рослини синьо-фіолетового забарвлення.

Спочатку я перевіряла, як працює індикатор, з трьома речовинами: слабкою оцтовою кислотою (СН₃СООН), сильною нітратною кислотою (HNO₃)  та з розчином питної соди (NaHCO₃), яка має лужне середовище.

Дані експериментів представила у таблиці.

З чого виготовлений індикатор	Колір індикатора	Колір індикатора в кислому середовищі	Колір індикатора в лужному середовищі
Картопля	Жовтий	Світліший каламутно-жовтий	Без змін
Морква	Оранжевий	Трішки світліший оранжевий	Без змін
Цибуля біла	Світло-жовтий	Світліший каламутно-жовтий	Трішки яскравіший жовтий
Часник	Світло-жовтий	Молочно-рожевуватий	Без змін
Буряк	Темно-рожевий	Темно-малиновий	Темно-малиновий
Синя капуста	Фіолетовий	Яскраво-малиновий	Насичено зелено-синій
Синя цибуля	Брудно-бузковий	Малиновий	Зелено-синій
Виноград	Світло-фіолетовий	Яскраво-малиновий	Зелений
Вишня	Червоний	Яскраво-червоний	Брудно-зелений
Чорна смородина	Червоний	Яскраво-червоний	Зелений
Малина	Рожевий	Яскраво-рожевий	Зелений
Калина	Рожевий	Червоний	Зелений
Пелюстки червоної троянди	Рожевий	Червоний	Коричневий
Пелюстки фіолетової айстри	Фіолетовий	Рожево-червоний	Зелений
Чорниця	Світло-фіолетовий	Малиновий	Червоно-оранжевий

2. Виготовлення розчинів-індикаторів з рослинної сировини.

Я виготовляла всі розчини індикаторів за такою схемою:

-          подрібнила;

-          вичавила сік;

-          розвела водою.

Звісно, можна було приготувати відвари, в такому випадку відбувається краща екстракція рослинних пігментів у розчин. Але так як я спочатку перевіряла, які рослини краще використовувати в якості індикаторів, тому пробні зразки виготовила саме так.

Аналізуючи отримані розчини, роблю висновок, що в якості індикаторів найкраще використовувати яскраво-забарвлені в синьо-фіолетовий колір рослини: соки або відвари вишні, чорної смородини, фіолетової айстри, синьої капусти та цибулі і синього винограду.

3. Виготовлення індикаторного паперу.

Так як природнім індикаторам властивий недолік – вони не можуть довго зберігатися – тому я вирішила виготовити індикаторний папір.

Для цього відібрала соки трьох рослин, які найкраще змінювали забарвлення в різних середовищах – сік синьої капусти, цибулі та винограду.

Нарізала фільтрувальний папір на смужки та просочила його соками рослин-індикаторів.

Висушила смужки.

Індикаторний папір готовий!

4. Аналіз кислотно-основних характеристик засобів побутової хімії та продуктів харчування.

Використовуючи власноруч виготовлений індикаторний папір, провела аналіз кислотно-основного характеру таких речовин, дані в таблиці.

Досліджуваний засіб (продукт)	Індикаторний папір з соку:			Середовище
	Синьої капусти	Синьої цибулі	Винограду
Розчин мила «Шик» (липа)	Синій	Світло-зелений	Без змін	Лужне
Шампунь «PANTENE Pro-v»	Світлішо-фіолетовий	Світло-фіолетовий	Світло-малиновий	Слабо-кисле
Засіб для миття посуди «Gala»	Синій	Світло-зелений	Без змін	Лужне
Порошок для чищення посуди «Dix»	Синьо-голубий	Світло-зелений	Без змін	Лужне
Пральний порошок «Gallus»	Темно-зелений	Зелений	Темнішо-зелений	Сильно лужне
Засіб для зняття макіяжу «Pur Bleuet»	Без змін	Без змін	Без змін	Нейтральне
Кока-кола	Світло-червоний	Коричнево-червоний	Коричнево-червоний	Кисле
Бульйон «Мівіна»	Без змін	Без змін	Без змін	Нейтральне

5. Аналіз ґрунту та рекомендації щодо висадки сільськогосподарських  культур.

Індикатор Ґрунт	Синя капуста	Синя цибуля	Виноград	Середовище
З купки, яку нарив кріт	Без змін	Без змін	Без змін	Нейтральне
З орної землі, яку підживлюють гноєм	Фіолетово-малиновий	Слабо малиновий	Світло-малиновий	Слабо кисле
З віддаленої ділянки городу, де не садять нічого	Синьо-голубий	Трішки  зеленкуватий	Без змін	Слабо лужне

Я помітила, що на різних ділянках нашого городу ростуть різні рослини, а висадку сільськогосподарських культур батьки завжди здійснюють в одному місці, і добре підживлюють його гноєм. Властивості ґрунту, такі як вологоємність, структура, щільність, вміст кисню тощо, а також вміст поживних речовин, важких металів і солей визначає середовище існування рослин. Вносячи добрива, ми міняємо склад ґрунту. Змінюючи середовище, ми змінюємо умови для росту рослин; а вони реагують збільшенням кількості або навпаки, відсутністю, пишним ростом або пригніченим розвитком.

Існують рослини-індикатори. Це такі рослини, які, залежно від властивостей ґрунту, будуть на ньому проростати. Наприклад:

-          на піщаному ґрунті добре росте коров'як (висока рослина з жовтими квітками, часто її можна помітити на берегах річки, де пісок);

-          на глинистому ґрунті — молочай;

-          про сухість ґрунту свідчить поява ромашки і полину;

-          на вологому — м'ята польова, щавель, хвощ; коли застійна вологість – то ще, окрім м’яти, росте мокрець;

-          індикатори кислих ґрунтів — хвощ, щавель, подорожник, мати-й-мачуха, конюшина;

-          вапнякових (лужних) — гірчиця польова, молочай, сонцецвіт, люцерна, льонок, мак дикий;

-          коли підвищений вміст азоту – добре росте кропива.

Використовуючи саморобні рослинні індикатори, я вирішила перевірити ґрунт на кислотність. Для цього взяла 3 проби ґрунту з різних частин городу – ґрунт з грядки, ґрунт з віддаленої частини городу, де ніколи нічого не садили і ґрунт з купки, яку нарив кріт. Дані аналізу в таблиці.

Як бачимо, земля, підживлена гноєм, має слабо-кисле середовище. У нас прийнято вважати, що чим більше гною внести в ґрунт, тим краще будуть рости сільськогосподарські культури. Але це не зовсім так. На кислотність ґрунту різні культури реагують по-різному. На середньо і сильно-кислому найкраще ростуть морква, петрушка, редька, ріпа, помідори, кабачки, гарбузи, груша, малина, суниця, аґрус. Огірки, цвітна капуста, яблуня, слива віддають перевагу слабо-кислій і близькій до нейтральної реакції ґрунту. Помірна кислотність сприятлива для картоплі. 

На мою думку, слід переорати ту ділянку городу, де ґрунт показав слабо-лужну реакцію. Адже капуста, цибуля, часник, селера, пастернак, столовий буряк і смородина потребують, щоб земля була нейтральною або слабо-лужною. Задля доброго урожаю цих рослин можна спеціально вносити в ґрунт вапнякові матеріали.

ІІІ. Аналіз і узагальнення отриманих даних. Висновки.

В ході роботи дослідила індикаторні властивості різних рослин.

Виготовила з них індикатори-розчини та індикаторний папір.

Використовуючи саморобні рослинні індикатори, дослідила кислотно-лужні характеристики речовин, якими ми користуємося в побуті, улюблених продуктів харчування та ґрунту.

На основі отриманих даних можу зробити наступні висновки:

1.      Індикаторні властивості притаманні тим рослинам, які мають рослинні пігменти.

2.      Найкраще індикаторні властивості виражені у рослин з синьо-фіолетовим забарвленням.

3.      З розчинів індикаторів можна виготовити індикаторний папір, який має такі ж властивості, як і розчини.

4.      Проаналізувавши засоби побутової хімії, роблю висновок, що це, в основному, речовини з лужним середовищем, тому довгий контакт зі шкірою несе загрозу здоров’ю – пересихання і навіть тріскання шкіри, а барвники та ароматизатори, що є в засобах для миття-чищення можуть викликати алергічні реакції.

5.      На милі «Шик» та шампуні вказано рН=5,5 – це слабо-кисле середовище, яке відповідає середовищу нашої шкіри. Проте дослідивши мило, я побачила, що в ньому слабо-лужне середовище. Отже, його в жодному разі не можна використовувати для дітей, у яких ніжна шкіра. І самим теж не потрібно надто часто ним митися, бо це пересушує шкіру.

6.      Кока-кола має слабо-кисле середовище, це не несе загрози нашому здоров’ю. Проте в ній є великий вміст цукру та інші речовини, які можуть бути шкідливими. Це ж можна сказати і про «Мівіну» - середовище нейтральне, але в ній багато барвників, ароматизаторів, тому нею не потрібно зловживати.

7.      Провівши аналіз ґрунту – порекомендую батькам, що де краще висаджувати.

8.      Навчившись сама виготовляти рослинні індикатори – пораджу їх виготовити своїм однокласникам та друзям, адже це дуже цікаво і пізнавально!

9.      Власноруч виготовленим індикаторним папером збагачу хімічну лабораторію і цим посприяю проведенню цікавіших уроків хімії.

Отже, дана робота збагатила мої знання про індикатори та їхнє застосування.

IV. Список використаних джерел.

1. П.П.Попель, Л.С.Крикля Підручник «Хімія» 8 клас. – К.,2016
2. Бишоп Е. Индикаторы. – М., 1976; Коренман И.М. Новые титриметрические методы. – М., 1983
3. Матеріали з Інтернет (Вікіпедія, та з сайту www. lubbook.org)