Индикаторы – вещества, которые изменяют свой цвет в зависимости от среды раствора. Они позволяют быстро и достаточно точно контролировать состав жидких и газообразных сред, следить за изменением их состава, за протеканием химической реакции. На данный момент существует множество видов индикаторов, применяемых в различных сферах. Они делятся на кислотно-основные, адсорбционные, изотопные, окислительно-восстановительные (редокс-индикаторы), метало- и термоиндикаторы и т.д. Кислотно-основные природные индикаторы, которые обладают способностью изменять цвет в зависимости от среды раствора, из-за своей дешевизны и удобства в использовании широко применяются в титровании, аналитической химии, биохимии, но не отличаются высокой точностью.
Цель работы: получение и изучение растительных пигментов в качестве кислотно-основных индикаторов.
История индикаторов начинается в XVII веке. Еще в 1640 году ботаники описали гелиотроп – душистое растение с темно-лиловыми цветками, из которого было выделено красящее вещество. В 1663 году был открыт лакмус – водный настой лишайника, растущего на скалах Шотландии. Знаменитый химик Роберт Бойль приготовил водный настой лакмусового лишайника для своих опытов. Вылив настой, Бойль обнаружил, что кислота покраснела, а добавив несколько капель настоя лакмуса к водному раствору гидроксида натрия - синеет. Так был открыт первый индикатор для обнаружения кислот и оснований, названный по имени лишайника лакмусом. В 1871 году немецкий химик-органик Адольф фон Байер впервые осуществил синтез кислотно-основного индикатора – фенолфталеина.
Спустя 6 лет был открыт метилоранж. Его водный раствор применяется и по сей день в аналитической химии как индикатор кислотно-основного титрования, где переход цвета осуществляется от красного до оранжево-желтого (при pH = 3,1-4,4).
В наши дни известны несколько сот кислотно-основных индикаторов, искусственно синтезированных. Свойства некоторых из них вы видите на слайде.
Фенолфталеин - кислотно-основный индикатор, изменяющий окраску от бесцветной (при pH < 8,2) до красно-фиолетовой, «малиновой» (в щелочной); но в концентрированной щелочи — вновь бесцветен. В концентрированной серной кислоте образует розовый катион. Вещество представляет собой бесцветные кристаллы, плохо растворимые в воде, но хорошо — в спирте и диэтиловом эфире. Фенолфталеин синтезируется путём конденсации фенола и фталевого ангидрида при 105—110 °C в присутствии ZnCl2 или концентрированной серной кислоты.
Метиловый оранжевый – синтетический органический краситель из группы азокрасителей, является солью натрия. При обычных условиях метилоранж имеет вид порошка, чешуек или листочков жёлто-оранжевого цвета, обладающих высокой растворимостью в воде. В кислой среде он приобретает красный цвет, в нейтральной – оранжевый, в щелочной - оттенки жёлтого. Основным путем получения метилоранжа является диазотирование сульфаниловой кислоты, затем сочетание получившегося вещества с диметиланилином в лабораторной посуде с использованием специального лабораторного оборудования и приборов.
Лакмус - индикатор, добываемый из некоторых лишайников. В чистом виде представляет собой тёмный порошок со слабым запахом аммиака. Хорошо растворяется в чистой воде, образуя растворы фиолетового цвета. В кислых средах (pH<4,5) лакмус приобретает красную окраску, в щелочных (pH>8,3) - синюю.
Изменение окраски кислотно-основных индикаторов в зависимости от pH раствора представлены на экране.
Некоторые биофлавоноиды или растительные пигменты способны менять цвет в зависимости от кислотности клеточного сока, расположенного в хромопластах. Поэтому их можно применить для исследования кислотности других растворов. Такими являются антоцианы и каротиноиды. Антоцианы придают растениям окраску в диапазоне от розовой до темно - фиолетовой. Каротиноиды - от желтого до красно-оранжевого цвета.
Экспериментальная часть
Исследования проводились учащимися 10 класса на базе химической лаборатории КемГУ в июне 2018 года.
Было проведено несколько опытов:
Опыт №1. Разделение пигментов зеленого листа методом тонкослойной хроматографии.
Листья фиалки растерли в ступке и добавили 2-5 мл ацетона для извлечения красящих веществ. Приготовленный раствор использовали для хроматографии. Для этого каплю раствора нанесли на силуфол, который поместили в хроматографическую камеру. Под действием капиллярных сил растворитель поднимается по силуфолу и вместе с ним поднимаются пигменты листа, но с разной скоростью. Через некоторое время на полоске силуфола наблюдали следующее:
Опыт №2. Получение индикатора из сока сахарной свёклы
Свеклу очистили, отварили, натерли, затем измельчили в ступке и отфильтровали полученный настой. Получился фильтрат бордового цвета, с которым провели реакцию нейтрализации:
1) В пробирку со свекольным фильтратом прилили 1 мл раствора гидроксида натрия, раствор приобрел жёлто-коричневый окрас.
2) Прилили несколько капель фенолфталеина, раствор приобрел малиновую окраску.
3) К полученному раствору по каплям приливали соляную кислоту. При добавлении кислоты окраска раствора исчезала, так как среда становилась нейтральной, то есть произошла реакция нейтрализации.
Опыт №3. Получение индикатора из черники
Ягоды черники растерли в ступке и добавили несколько миллилитров ацетона. Необходимым условием является экстракция пигмента данным растворителем. После этого экстракт нейтрализовали мелом, так как сок ягоды содержит природные кислоты. Профильтровали полученную смесь через марлевый фильтр. Вытяжка приобрела темно красный цвет. С полученным раствором провели реакцию нейтрализации:
1) В пробирку с индикатором прилили 1 мл раствора гидроксида натрия, раствор приобрел темно синий цвет
2) Прилили несколько капель фенолфталеина, раствор приобрел малиновую окраску.
3) К полученному раствору по каплям приливали соляную кислоту. При добавлении кислоты окраска раствора исчезла, так как среда станола нейтральной, то есть произошла реакция нейтрализации.
Опыт №4. Получение индикатора из красной смородины
Ягоды красной смородины разтёрли в ступке и добавили несколько миллилитров ацетона. Необходимым условием является экстракция пигмента данным растворителем. После этого экстракт нейтрализовали мелом, так как сок ягоды содержит природные кислоты. Полученную смесь профильтровали через марлевый фильтр. Вытяжка приобрела красный цвет. С данным раствором провели реакцию нейтрализации:
1) В пробирку с индикатором прилили 1 мл раствора гидроксида натрия, раствор приобрел зеленый цвет.
2) Прилили несколько капель фенолфталеина, раствор приобрел малиновую окраску.
3) К полученному раствору по каплям приливали соляную кислоту. При добавлении кислоты окраска раствора исчезла, так как среда стала нейтральной, то есть произошла реакция нейтрализации.
Опыт №5. Лакмус для цветков.
Для опыта приготовили лакмусовую бумагу, для этого отрезок фильтровальной бумаги опустили в раствор лакмуса (в нейтральной среде этот раствор фиолетовый). Затем приготовили 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 опустили пропитанную в лакмусе бумагу и наблюдали, как изменится её цвет. Лакмус синеет в щелочной среде и становится красным в кислотной. Все результаты заносили в таблицу, которая представлена на слайде.
Из таблицы видно, что уксусная кислота, лимонная кислота, при воздействии с лакмусом окрасились в красный цвет и имеют кислую среду. Питьевая сода, нашатырный спирт, стиральный порошок, кальцинированная сода, шампунь окрасились в синий и имеют щелочную среду.
Заключение
В ходе выполнения учебно-исследовательской работы, мы выяснили, что такое индикаторы, познакомились с их классификацией, историей открытия и способами получения. В ходе выполнения экспериментов, 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, к тому же трудно бывает отличить, например, нейтральную среду от слабокислой или слабощелочную от сильнощелочной. Поэтому в химических лабораториях лучше использовать синтетические индикаторы, резко меняющие свой цвет уже при небольшом изменении кислотности.