Окраска универсального индикатора в различных средах. Водородный показатель для различных сред растворов. Окраска индикаторов в различных средах растворов

РАСТИТЕЛЬНЫЕ ИНДИКАТОРЫ В ШКОЛЬНОЙ ЛАБОРАТОРИИ

Павлова Саргылана

Макарова Виктория

класс 9 «В», МБОУ «Вилюйская средняя общеобразовательная школа № 1 имени Г.И. Чиряева» г. Вилюйск Республики Саха (Якутия)

Петрова Анна Прокопьевна

научный руководитель, педагог высшей категории, преподаватель химии МБОУ «Вилюйская средняя общеобразовательная школа № 1 имени Г.И. Чиряева», г. Вилюйск

Индикаторы - это химические вещества, окраска которых меняется в зависимости от рН среды. Индикатор на латинском означает «указатель».

На уроках химии мы используем такие индикаторы, как лакмус, фенолфталеин, метиловый оранжевый, которые изменяют окраску в зависимости от среды раствора. Соки и отвары ярко окрашенных ягод, плодов и цветков также обладают свойствами кислотно-основных индикаторов, то есть меняют свою окраску при изменении кислотности среды.

Актуальность: использование кислотно-основных индикаторов из плодов растений, растущих в Якутии для определения реакции среды.

Цель работы : получение растительных индикаторов из природного сырья.

Задачи:

· изучить литературу, ознакомиться с методикой приготовления самодельных индикаторов из плодов растений, растущих в нашей местности;

· экспериментальным путем получить набор индикаторов.

· изучить поведение растительных индикаторов в различных средах.

· провести исследование по определению среды растворов моющих средств по уходу за волосами.

Объект исследования: природные растения, обладающие свойствами кислотно-основных индикаторов.

Гипотеза: растворы растительных индикаторов можно приготовить самостоятельно и применять в школьной лаборатории.

Методы и приемы работы:

· ознакомиться с методикой проведения опытов;

· приготовить растворы индикаторов из природного сырья;

· изучить изменения окраски природных индикаторов в зависимости от среды;

· соблюдать правила техники безопасности во время химического эксперимента.

2. Экспериментальная часть

2.1. Определение среды растворов искусственными индикаторами

Цель: н аблюдать изменение окраски растворов кислот, щелочи и среды растворов солейискусственно-синтезированными индикаторами.

Реактивы: раствор соляной кислоты HCl, раствор гидроксида калия КOH, раствор карбоната калия К 2 СО 3 , раствор хлорида натрия NaС1, раствор хлорида алюминия AlCl 3 .

В школьной химической лаборатории имеются следующие искусственные индикаторы: фенолфталеин, метиловый оранжевый и лакмус. Мы рассмотрели их на изменение цвета в нейтральной, кислой и щелочной средах.

Таблица 1.

Изменение окраски индикаторов в растворах

Из таблицы 1 видно, что все индикаторы меняют свой цвет: в кислой среде на красный цвет (кроме фенолфталеина); в нейтральной имеют свой натуральный цвет, а в щелочной цвет сильно различается. Фенолфталеин меняет цвет раствора на малиновый, лакмус - на синий, а метиловый оранжевый - на жёлтый цвет.

2.2. Методика приготовления растительных индикаторов

Ход работы:

Для приготовления растительных индикаторов взяли по 25 г сырья, измельчили, залили 100 мл воды и прокипятили в течение 1-2 минут. Полученные отвары были охлаждены и профильтрованы. В полученный фильтрат, с целью предохранения от порчи, добавили спирт в соотношении 2:1. Приготовили индикаторы из ягод брусники, клюквы, малины, голубики, черники, клубники, плода свеклы.

2.3. Определение среды растворов растительными индикаторами.

Результаты исследования:

Для изучения изменения окраски природных индикаторов в различных средах брали пипеткой несколько капель растительного индикатора и поочередно добавляли их в растворы соляной кислоты, гидроксида калия, хлорида натрия, карбоната калия и хлорида алюминия. Результаты всех опытов даны в таблице.

Таблица 2.

Изменение окраски природных индикаторов в различных средах

Из таблицы 2 видно, что все выбранные нами объекты изменяют свою естественную окраску в зависимости от кислотности среды. Очень хорошо это наблюдается у брусники, малины, голубики, клюквы, клубники, свеклы, ярко-красный отвар ягод и плодов которых в кислой среде становятся розовыми-красными-фиолетовыми, а в щелочной - жёлтыми- светлозелеными.

Вывод: ягоды растений имеют кислую среду, поэтому не изменяется цвет раствора в кислой среде, окраска остается красным. В щелочной среде растворы приобретают от желтого до зеленого цвета. Из плодов растений плоды свеклы являются хорошими индикаторами, получаются ярко выраженные окраски растворов.

2.4. Приготовление индикаторных бумажек.

С помощью фильтровальной бумаги и вытяжек из растительных индикаторов мы приготовили индикаторные бумажки. Способ приготовления очень простой: на фильтровальную бумагу с помощью пипетки наносят раствор из вытяжки растительного индикатора, высушивают и повторяют процедуру ещё раз.

Изменение цвета пропитанных индикаторных бумажек в различных средах соответствует изменению цвета вытяжки аналогичного растительного индикатора.

2.5. Определение среды растворов моющих средств.

Реактивы: растительные индикаторы, растворы шампуней: Absolut, Особая серия (пивной), Head and shoulders, Дегтярный, Clear vita abe.

Ход работы: каждое исследуемое моющее средство растворим в воде и разделим на пять частей. В них добавляем каплю природных индикаторов. В каждой из них индикаторы изменили окраску. (таблица 3).

Таблица 3.

Изменение окраски природных индикаторов в растворах моющих средств

Выводы по результатам исследования:

1. Все индикаторы: самодельные и заводская универсальная бумага, показали во всех испытуемых средствах соответствующий характер среды.

2. Кожа человека имеет слабокислотную среду. Для предохранения кожи и волос от негативного воздействия моющего средства должны иметь значение, соответствующее значению pН эпидермиса. Шампуни для волос имеют слабокислотную среду, что соответствует гигиеническим требованиям к данным средствам. По нашим исследованиям шампуней разных производств шампуни в основном соответствуют стандартным показателям, но шампунь «Clear vita abe» является дает более кислую среду, чем остальные шампуни. Второе место по кислотности занимает шампунь «Абсолют», третье место шампунь «Дегтярная».

Заключение:

Используя методику получения растительных индикаторов в школьной лаборатории, пришли к следующим выводам:

1. Лакмус, метиловый оранжевый и фенолфталеин - кислотно-основные индикаторы, которые чаще всего используются в школе. По изменению их окраски можно судить не только о реакции среды, но и достаточно точно определить рН раствора.

2. Растительные индикаторы обладают достаточно высокой чувствительностью, поэтому их можно использовать в качестве кислотно-основных индикаторов для определения среды растворов в школьной лаборатории на занятиях элективного курса, в химических кружках, также для определения кислотности почвы местности.

Приложение № 1

Рисунок 1. Для изучения изменения окраски природных индикаторов брали пипеткой несколько капель самодельного индикатора и поочередно добавляли их в растворы хлорида натрия, гидроксида калия, карбоната калия, соляной кислоты и хлорида алюминия

Рисунок 2. Набор приготовленных растительных индикаторов

Рисунок 3. Общий вид проведенных опытов

Рисунок 4. Готовые бумажные индикаторы

Рисунок 5. Изменение окраски бумажных индикаторов в различных средах

Список литературы:

1.Большой энциклопедический словарь - 2-е изд., перераб. и доп. - М.: «Большая Российская энциклопедия»; СПб.: «Норинт», 2001.

2.Ольгин О., Опыты без взрывов./ О. Ольгин. - М.: Химия, 1986.

3.Семенов П.П. «Индикаторы из местного растительного материала», «Химия в школе», 1984, № 1, стр. 73.

4.Степин С.С., Аликберова Л.Ю. Занимательные задания и эффектные опыты по химии, М.: «Дрофа», 2002.

Вещества, изменяющие окраску при изменении реакции среды, – индикаторы – чаще всего сложные органические соединения – слабые кислоты или слабые основания. Схематично состав индикаторов можно выразить формулами НInd или IndOH, где Ind – сложный органический анион или катион индикатора.

Практически индикаторы применяли давно, но первая попытка в объяснении их действия была сделана в 1894 году Оствальдом, создавшим так называемую ионную теорию. Согласно этой теории, недиссоциированные молекулы индикатора и его Ind–ионы имеют в растворе разную окраску, и окраска раствора изменяется в зависимости от положения равновесия диссоциации индикатора. Например, фенолфталеин (кислотный индикатор) имеет молекулы бесцветные, а анионы малиновые; метилоранж (основной индикатор) – желтые молекулы и красные катионы.

фенолфталеин метилоранж

HIndH + + Ind – IndOH
Ind + + OH –

бесцв. малинов. желт. красн.

Изменение в соответствии с принципом Ле-Шателье приводит к смещениию равновесия вправо или влево.

Согласно хромофорной теории (Ганч), появившейся позднее, изменение окраски индикаторов связано с обратимой перегруппировкой атомов в молекуле органического соединения. Такая обратимая перегруппировка в органической химии называется таутомерией. Если в результате таутомерного изменения строения в молекуле органического соединения появляются особые группировки, называемые хромофорами, то органическое вещество приобретает окраску. Хромофорами называются группы атомов, которые содержат одну или несколько кратных связей, вызывающие избирательное поглощение электромагнитных колебаний в УФ области. В роли хромофорных групп могут выступать группировки атомов и связей, как −N=N− , =С=S , −N=О, хиноидные структуры и т.д.

Когда таутомерное превращение ведет к изменению строения хромофора – окраска изменяется; если же после перегруппировки молекула не содержит более хромофора – окраска исчезнет.

Современные представления основывываются на ионно-хромофорной теории, согласно которой изменение окраски индикаторов обусловлено переходом из ионной формы в молекулярную, и наоборот, сопровождающегося изменением структуры индикаторов. Таким образом, один и тот же индикатор может существовать в двух формах с разным строением молекул, причем эти формы могут переходить одна в другую, и в растворе между ними устанавливается равновесие.

В качестве примера можно рассмотреть структурные изменения в молекулах типичных кислотно-основных индикаторов – фенолфталеина и метилового оранжевого под действием растворов щелочей и кислот (при различных значениях рН).

Реакция, в результате которой, благодаря таутомерной перестройке структуры молекулы фенолфталеина в ней возникает хромофорная группировка, обусловливающая появление окраски, протекает согласно следующему уравнению:

бесцветный бесцветный бесцветный

малиновый

Индикаторы, как слабые электролиты, имеют малые величины констант диссоциации. Например, К д фенолфталеина равна 2∙10 -10 и в нейтральных средах он находится преимущественно в виде своих молекул вследствие очень малой концентрации ионов, почему и остается бесцветным. При добавлении щелочи Н + -ионы фенолфталеина связываются, «стягиваются» с ОН – -ионами щелочи, образуя молекулы воды, и положение равновесия диссоциации индикатора смещается вправо – в сторону увеличения концентрации Ind – -ионов. В щелочной среде образуется двунатриевая соль, имеющая хиноидное строение, что вызывает окраску индикатора. Смещение равновесия между таутомерными формами происходит постепенно. Поэтому и цвет индикатора изменяется не сразу, а переходя через смешанную окраску к цвету анионов. При добавлении в этот же раствор кислоты одновременно с нейтрализацией щелочи – при достаточной концентрации Н + -ионов – положение равновесия диссоциации индикатора смещается влево, в сторону моляризации, раствор снова обесцвечивается.

Аналогично происходит изменение окраски метилоранжа: нейтральные молекулы метилоранжа придают раствору желтый цвет, который в результате протонирования переходит в красный, соответствующий хиноидной структуре. Этот переход наблюдается в интервале рН 4.4–3.1:

желтый красный

Таким образом, окраска индикаторов зависит от рН-среды. Интенсивность окраски таких индикаторов достаточно велика и хорошо заметна даже при введении небольшого количества индикатора, не способного существенно повлиять на рН раствора.

Раствор, содержащий индикатор, непрерывно изменяет свою окраску при изменении рН. Человеческий глаз, однако, не очень чувствителен к таким изменениям. Диапазон, в котором наблюдается изменение окраски индикатора, определяется физиологическими пределами восприятия цвета человеческим глазом. При нормальном зрении глаз способен различить присутствие одной окраски в смеси ее с другой окраской только при наличии как минимум некоторой пороговой плотности первой окраски: изменение окраски индикатора воспринимается только в той области, где имеется 5-10-кратный избыток одной формы по отношению к другой. Рассматривая в качестве примера HInd и характеризуя состояние равновесия

HInd
H + + Ind –

соответствующей константой

,

можно написать, что индикатор проявляет свою чисто кислотную окраску, обычно улавливаемую наблюдателем, при

,

а чисто щелочную окраску при

Внутри интервала, определяемого этими величинами, проявляется смешанная окраска индикатора.

Таким образом, глаз наблюдателя различает изменение окраски лишь при изменении реакции среды в интервале около 2-х единиц рН. Например, у фенолфталеина этот интервал рН от 8,2 до 10,5: при рН=8,2 глаз наблюдает начало появления розовой окраски, которая все усиливается до значения рН=10,5, а при рН=10,5 усиление красной окраски уже незаметно. Этот интервал значений рН, в котором глаз различает изменение окраски индикатора, называют интервалом перехода окраски индикатора. Для метилового оранжевого К Д = 1,65·10 -4 и рК = 3,8. Это означает, что при рН = 3,8 нейтральная и диссоциированные формы находятся в равновесии в приблизительно равных концентрациях.

Указанный диапазон рН величиной приблизительно в 2 единицы для различных индикаторов не приходится на одну и ту же область шкалы рН, так как его положение зависит от конкретного значения константы диссоциации каждого индикатора: чем более сильная кислота HInd , тем в более кислой области находится интервал перехода индикатора. В табл. 18 приведены интервалы перехода и цвета наиболее распространенных кислотно-основных индикаторов.

Для более точного определения значения pH растворов используют сложную смесь нескольких индикаторов, нанесенную на фильтровальную бумагу (так называемый "Универсальный индикатор Кольтгоффа"). Полоску индикаторной бумаги обмакивают в исследуемый раствор, кладут на белую непромокаемую подложку и быстро сравнивают окраску полоски с эталонной шкалой для pH.

Таблица 18.

Интервалы перехода и окраска в различных средах

наиболее распространенных кислотно-основных индикаторов

Существуют различные методы определения концентрации (точнее активности) ионов водорода (и, соответственно, концентрации гидроксид-ионов). Один из простейших (колориметрический) основан на использовании кислотно-основных индикаторов. В качестве таких индикаторов могут служить многие органические кислоты и основания, которые изменяют свою окраску в некотором узком интервале значений рН.

Индикаторы представляют собой слабые кислоты или основания, которые в недиссоциированной и в диссоциированной (ионной) формах имеют разную окраску.

Пример.

1.Фенолфталеин представляет собой кислоту, которая в молекулярной форме (HJnd) при рН8,1 бесцветна. Анионы фенолфталеина (Jnd -) при рН9,6 имеют красно-фиолетовую окраску:

H Jnd  H + + Jnd -

Бесцветный  красно-фиолетовый

рН8,1 рН9,6

При уменьшении концентрации ионов Н + и увеличении концентрации ионовOH - молекулярная форма фенолфталеина переходит в анионную из-за отрыва от молекул иона водорода и связывания его с гидроксид-ионом в воду. Поэтому при рН9,6 раствор в присутствии фенолфталеина приобретает красно-фиолетовую окраску. Наоборот, в кислотных растворах при рН8,1 равновесие смещается в сторону молекулярной формы индикатора, не имеющей окраски.

2.Метиловый оранжевый представляет собой слабое основание JndOH, которое в молекулярной форме при рН 4,4 имеет желтый цвет. Катионы Jnd + при рН3,0 окрашивают раствор в красный цвет:

JndOH  Jnd + + OH -

желтый  красный

рН4,4 рН3,0

Кислотной формой индикатора называют форму, которая преобладает в кислотных растворах, а основной формой – ту, которая существует в основных (щелочных) растворах. В некотором промежутке значений рН в растворе может одновременно находиться в равновесии некоторое количество обеих форм индикатора, вследствие чего возникает переходная окраска индикатора, - это интервал рН перехода окраски индикатора, или просто интервал перехода индикатора.

В табл.1 показаны интервалы перехода некоторых часто используемых индикаторов.

Таблица 1

Кислотно-основные индикаторы

Для быстрого определения рН удобно также пользоваться раствором универсального индикатора, представляющего собой смесь различных индикаторов и имеющего большой интервал перехода (значения рН от 1 до 10). На основе универсального индикатора промышленностью выпускаются специальные бумажные ленты для определения рН у растворов путем сравнения со специальной шкалой изменения их окраски под действием испытуемого раствора.

В колориметрическом методе для точного определения рН применяются стандартные буферные растворы, значение водородного показателя которых точно известно и постоянно.

Буферными растворами называются смеси слабых кислот или оснований с их солями. Такие смеси сохраняют определенное значение рН как при разбавлении, так и при прибавлении небольших количеств сильных кислот или щелочей.