Забарвлення універсального індикатора у різних середовищах. Водневий показник для різних розчинів. Забарвлення індикаторів у різних середовищах розчинів

Рослинні індикатори в шкільній лабораторії

Павлова Саргилана

Макарова Вікторія

клас 9 «В», МБОУ «Вілюйська середня загальноосвітня школа №1 імені Г.І. Чиряєва» м. Вілюйськ Республіки Саха (Якутія)

Петрова Ганна Прокопівна

науковий керівник, педагог вищої категорії, викладач хімії МБОУ «Вілюйська середня загальноосвітня школа №1 імені Г.І. Чиряєва», м. Вилюйськ

Індикатори – це хімічні речовини, фарбування яких змінюється в залежності від рН середовища Індикатор латинською означає «покажчик».

На уроках хімії ми використовуємо такі індикатори, як лакмус, фенолфталеїн, метиловий оранжевий, які змінюють фарбування залежно від середовища розчину. Соки і відвари яскраво забарвлених ягід, плодів і квіток також мають властивості кислотно-основних індикаторів, тобто змінюють своє забарвлення при зміні кислотності середовища.

Актуальність: використання кислотно-основних індикаторів із плодів рослин, що ростуть у Якутії для визначення реакції середовища.

Мета роботи : одержання рослинних індикаторів із природної сировини.

Завдання:

· Вивчити літературу, ознайомитися з методикою приготування саморобних індикаторів з плодів рослин, що ростуть у нашій місцевості;

· Експериментальним шляхом отримати набір індикаторів.

· Вивчити поведінку рослинних індикаторів у різних середовищах.

· Провести дослідження щодо визначення середовища розчинів миючих засобів для догляду за волоссям.

Об'єкт дослідження: природні рослини, що мають властивості кислотно-основних індикаторів.

Гіпотеза: розчини рослинних індикаторів можна приготувати самостійно та застосовувати у шкільній лабораторії.

Методи та прийоми роботи:

· Ознайомитися з методикою проведення дослідів;

· Приготувати розчини індикаторів з природної сировини;

· Вивчити зміни забарвлення природних індикаторів залежно від середовища;

· Дотримуватися правил техніки безпеки під час хімічного експерименту.

2. експериментальна частина

2.1. Визначення середовища розчинів штучними індикаторами

Ціль: н аблюдать зміна забарвлення розчинів кислот, лугу та середовища розчинів солейштучно-синтезованими індикаторами.

Реактиви: розчин соляної кислоти HCl, розчин гідроксиду калію КOH, розчин карбонату калію К 2 3 , розчин хлориду натрію NaС1, розчин хлориду алюмінію AlCl 3 .

У шкільній хімічній лабораторії є такі штучні індикатори: фенолфталеїн, метиловий оранжевий та лакмус. Ми розглянули їх на зміну кольору в нейтральному, кислому та лужному середовищах.

Таблиця 1.

Зміна фарбування індикаторів у розчинах

З таблиці 1 видно, що це індикатори змінюють свій колір: в кислому середовищі на червоний колір (крім фенолфталеїну); в нейтральній мають свій натуральний колір, а в лужний колір дуже відрізняється. Фенолфталеїн змінює колір розчину на малиновий, лакмус – на синій, а метиловий помаранчевий – на жовтий колір.

2.2. Методика приготування рослинних індикаторів

Хід роботи:

Для приготування рослинних індикаторів взяли по 25 г сировини, подрібнили, залили 100 мл води та прокип'ятили протягом 1-2 хвилин. Отримані відвари були охолоджені та профільтровані. В отриманий фільтрат, з метою запобігання псування, додали спирт у співвідношенні 2:1. Приготували індикатори з ягід брусниці, журавлини, малини, лохини, чорниці, полуниці, плодів буряків.

2.3. Визначення середовища розчинів рослинними індикаторами.

Результати дослідження:

Для вивчення зміни забарвлення природних індикаторів у різних середовищах брали піпеткою кілька крапель рослинного індикатора та по черзі додавали їх у розчини соляної кислоти, гідроксиду калію, хлориду натрію, карбонату калію та хлориду алюмінію. Результати всіх дослідів наведено в таблиці.

Таблиця 2.

Зміна фарбування природних індикаторів у різних середовищах

З таблиці 2 видно, що це вибрані нами об'єкти змінюють своє природне забарвлення залежно від кислотності середовища. Дуже добре це спостерігається у брусниці, малини, лохини, журавлини, полуниці, буряків, яскраво-червоний відвар ягід і плодів яких у кислому середовищі стають рожевими-червоними-фіолетовими, а в лужному - жовтими-світлозеленими.

Висновок: ягоди рослин мають кисле середовище, тому не змінюється колір розчину в кислому середовищі, фарбування залишається червоним. У лужному середовищі розчини набувають від жовтого до зеленого кольору. З плодів рослин плоди буряків є хорошими індикаторами, виходять яскраво виражені фарбування розчинів.

2.4. Приготування індикаторних папірців.

За допомогою фільтрувального паперу та витяжок із рослинних індикаторів ми приготували індикаторні папірці. Спосіб приготування дуже простий: на фільтрувальний папір за допомогою піпетки розчин наносять з витяжки рослинного індикатора, висушують і повторюють процедуру ще раз.

Зміна кольору просочених індикаторних папірців у різних середовищах відповідає зміні кольору витяжки аналогічного рослинного індикатора.

2.5. Визначення середовища розчинів миючих засобів.

Реактиви: рослинні індикатори, розчини шампунів: Absolut, Особлива серія (пивний), Head and shoulders, Дігтярний, Clear vita abe.

Хід роботи: кожне досліджуване миючий засіб розчинний у воді та розділимо на п'ять частин. У них додаємо краплю природних індикаторів. У кожному їх індикатори змінили забарвлення. (Таблиця 3).

Таблиця 3.

Зміна фарбування природних індикаторів у розчинах миючих засобів

Висновки за результатами дослідження:

1. Всі індикатори: саморобні та заводський універсальний папір, показали у всіх випробуваних засобах відповідний характер середовища.

2. Шкіра людини має слабокислотне середовище. Для захисту шкіри і волосся від негативного впливу миючого засобу повинні мати значення, що відповідає значенню pH епідермісу. Шампуні для волосся мають слабокислотне середовище, що відповідає гігієнічним вимогам до цих засобів. За нашими дослідженнями шампунів різних виробництв шампуні в основному відповідають стандартним показникам, але шампунь «Clear vita abe» є дає кисліше середовище, ніж інші шампуні. Друге місце за кислотністю займає шампунь "Абсолют", третє місце шампунь "Дегтярна".

Висновок:

Використовуючи методику отримання рослинних індикаторів у шкільній лабораторії, дійшли таких висновків:

1. Лакмус, метиловий помаранчевий та фенолфталеїн – кислотно-основні індикатори, які найчастіше використовуються у школі. По зміні їх забарвлення можна судити як про реакції середовища, а й досить точно визначити рН розчину.

2. Рослинні індикатори мають досить високу чутливість, тому їх можна використовувати як кислотно-основні індикатори для визначення середовища розчинів у шкільній лабораторії на заняттях елективного курсу, в хімічних гуртках, також для визначення кислотності ґрунту місцевості.

Додаток №1

Рисунок 1. Для вивчення зміни забарвлення природних індикаторів брали піпеткою кілька крапель саморобного індикатора та по черзі додавали їх у розчини хлориду натрію, гідроксиду калію, карбонату калію, соляної кислоти та хлориду алюмінію

Рисунок 2. Набір приготовлених рослинних індикаторів

Рисунок 3. Загальний виглядпроведених дослідів

Рисунок 4. Готові паперові індикатори

Рисунок 5. Зміна фарбування паперових індикаторів у різних середовищах

Список літератури:

1.Великий енциклопедичний словник- 2-ге вид., перероб. та дод. - М: «Велика Російська енциклопедія»; СПб.: "Норинт", 2001.

2. Ольга О., Досліди без вибухів. / О. Ольга. - М: Хімія, 1986.

3.Семенов П.П. "Індикатори з місцевого рослинного матеріалу", "Хімія в школі", 1984 № 1, стор 73.

4.Степін С.С., Алікберова Л.Ю. Цікаві завдання та ефектні досліди з хімії, М.: «Дрофа», 2002.

Речовини, що змінюють забарвлення при зміні реакції середовища – індикатори – найчастіше складні органічні сполуки – слабкі кислоти або слабкі основи. Схематично склад індикаторів можна виразити формулами НInd або IndOH, де Ind – складний органічний аніон або катіон індикатора.

Практично індикатори застосовували давно, але першу спробу пояснення їх дії було зроблено 1894 року Оствальдом, створившим так звану іонну теорію. Відповідно до цієї теорії, недисоційовані молекули індикатора та його Ind–іони мають у розчині різне забарвлення, і забарвлення розчину змінюється залежно від положення рівноваги дисоціації індикатора. Наприклад, фенолфталеїн (кислотний індикатор) має молекули безбарвні, а аніони малинові; метилоранж (основний індикатор) – жовті молекули та червоні катіони.

фенолфталеїн метилоранж

HIndH + + Ind – IndOH
Ind + + OH –

безцв. малинів. Жовтий. червоний.

Зміна відповідно до принципу Ле-Шательє призводить до усунення рівноваги вправо або вліво.

Відповідно до хромофорної теорії (Ганч), що з'явилася пізніше, зміна забарвлення індикаторів пов'язана з оборотним перегрупуванням атомів у молекулі органічної сполуки. Таке оборотне перегрупування в органічної хіміїназивається таутомерією. Якщо в результаті таутомерного зміни будови в молекулі органічної сполуки з'являються особливі угруповання, які називаються хромофорами, то органічна речовина набуває фарбування. Хромофорами називаються групи атомів, які містять один або кілька кратних зв'язків, що викликають вибіркове поглинання електромагнітних коливань в УФ області. У ролі хромофорних груп можуть виступати угруповання атомів і зв'язків, як −N=N− , =С=S , −N=О, хіноїдні структури тощо.

Коли таутомерне перетворення веде до зміни будови хромофора – фарбування змінюється; якщо після перегрупування молекула не містить більше хромофора - забарвлення зникне.

Сучасні уявлення ґрунтуються на іонно-хромофорній теорії, згідно з якою зміна забарвлення індикаторів обумовлена ​​переходом з іонної форми в молекулярну, і навпаки, що супроводжується зміною структури індикаторів. Таким чином, той самий індикатор може існувати у двох формах з різною будовою молекул, причому ці форми можуть переходити одна в іншу, і в розчині між ними встановлюється рівновага.

Як приклад можна розглянути структурні зміни у молекулах типових кислотно-основних індикаторів – фенолфталеїну та метилового помаранчевого під дією розчинів лугів та кислот (при різних значеннях рН).

Реакція, внаслідок якої завдяки таутомерній перебудові структури молекули фенолфталеїну в ній виникає хромофорне угруповання, що обумовлює появу забарвлення, протікає відповідно до наступного рівняння:

безбарвний безбарвний безбарвний

малиновий

Індикатори як слабкі електроліти мають малі величини констант дисоціації. Наприклад, К д фенолфталеїну дорівнює 2∙10 -10 і в нейтральних середовищах він перебуває переважно у вигляді своїх молекул унаслідок дуже малої концентрації іонів, чому і залишається безбарвним. При додаванні лугу Н + -іони фенолфталеїну зв'язуються, «стягуються» з ОН - -іонами лугу, утворюючи молекули води, і положення рівноваги дисоціації індикатора зміщується праворуч - у бік збільшення концентрації Ind - -іонів. У лужному середовищі утворюється двонатрієва сіль, що має хіноїдну будову, що викликає забарвлення індикатора. Усунення рівноваги між таутомерними формами відбувається поступово. Тому колір індикатора змінюється не відразу, а переходячи через змішане забарвлення до кольору аніонів. При додаванні до цього ж розчину кислоти одночасно з нейтралізацією лугу – за достатньої концентрації Н + -іонів – положення рівноваги дисоціації індикатора зміщується вліво, у бік моляризації, розчин знову знебарвлюється.

Аналогічно відбувається зміна забарвлення метилоранжу: нейтральні молекули метилоранжу надають розчину жовтого кольору, який у результаті протонування переходить у червоний, відповідний хіноїдної структури. Цей перехід спостерігається в інтервалі рН 4.4–3.1:

жовтий червоний

Таким чином, фарбування індикаторів залежить від рН-середовища. Інтенсивність фарбування таких індикаторів досить велика і добре помітна навіть при введенні невеликої кількості індикатора, що не здатна суттєво вплинути на рН розчину.

Розчин, що містить індикатор, постійно змінює своє забарвлення при зміні рН. Людське око, однак, не дуже чутливе до таких змін. Діапазон, у якому спостерігається зміна забарвлення індикатора, визначається фізіологічними межами сприйняття кольору людським оком. При нормальному зорі очей здатний розрізнити присутність одного забарвлення в суміші її з іншим забарвленням тільки за наявності як мінімум деякої порогової щільності першого забарвлення: зміна забарвлення індикатора сприймається лише у тій області, де є 5-10-кратний надлишок однієї форми стосовно інший. Розглядаючи як приклад HInd і характеризуючи стан рівноваги

HInd
H + + Ind –

відповідною константою

,

можна написати, що індикатор виявляє своє чисто кислотне забарвлення, зазвичай уловлювану спостерігачем,

,

а чисто лужне забарвлення при

Усередині інтервалу, який визначається цими величинами, проявляється змішане забарвлення індикатора.

Таким чином, око спостерігача розрізняє зміну забарвлення лише за зміни реакції середовища в інтервалі близько 2-х одиниць рН. Наприклад, у фенолфталеїну цей інтервал рН від 8,2 до 10,5: при рН=8,2 очей спостерігає початок появи рожевого забарвлення, яке все посилюється до значення рН=10,5, а при рН=10,5 посилення червоного забарвлення вже непомітно. Цей інтервал значень рН, у якому око розрізняє зміну забарвлення індикатора, називають інтервалом переходу забарвлення індикатора. Для метилового помаранчевого К Д = 1,65 · 10 -4 і РК = 3,8. Це означає, що з рН = 3,8 нейтральна і дисоційовані форми перебувають у рівновазі приблизно рівних концентраціях.

Зазначений діапазон рН величиною приблизно в 2 одиниці для різних індикаторів не припадає на ту саму область шкали рН, так як його положення залежить від конкретного значення константи дисоціації кожного індикатора: чим сильніша кислота HInd , тим у більш кислій області знаходиться інтервал переходу індикатора . У табл. 18 наведені інтервали переходу та кольори найбільш поширених кислотно-основних індикаторів.

Для більш точного визначення значення рН розчинів використовують складну суміш кількох індикаторів, нанесену на фільтрувальний папір (так званий "Універсальний індикатор Кольтгоффа"). Смужку індикаторного паперу вмочують у досліджуваний розчин, кладуть на білу підкладку, що не промокає, і швидко порівнюють забарвлення смужки з еталонною шкалою для pH.

Таблиця 18

Інтервали переходу та фарбування у різних середовищах

найбільш поширених кислотно-основних індикаторів

Існують різні методи визначення концентрації (точніше активності) іонів водню (і відповідно концентрації гідроксид-іонів). Один із найпростіших (колориметричний) заснований на використанні кислотно-основних індикаторів Як такі індикатори можуть служити багато органічних кислот і підстав, які змінюють своє забарвлення в деякому вузькому інтервалі значень рН.

Індикатори є слабкими кислотами або основами, які в недисоційованій та в дисоційованій (іонній) формах мають різне забарвлення.

приклад.

1.Фенолфталеїн являє собою кислоту, яка в молекулярній формі (HJnd) при рН8,1 безбарвна. Аніони фенолфталеїну (Jnd-) при рН9,6 мають червоно-фіолетове забарвлення:

H Jnd  H + + Jnd -

Безбарвний  червоно-фіолетовий

рН8,1 рН9,6

При зменшенні концентрації іонів Н+ та збільшенні концентрації іонівOH - молекулярна форма фенолфталеїну переходить в аніонну через відрив від молекул іона водню та зв'язування його з гідроксидом-іоном у воду. Тому при рН9,6 розчин у присутності фенолфталеїну набуває червоно-фіолетове забарвлення. Навпаки, у кислотних розчинах при рН8,1 рівновага зміщується у бік молекулярної форми індикатора, що не має забарвлення.

2.Метиловий помаранчевий є слабкою основою JndOH , яке в молекулярній формі при рН 4,4 має жовтий колір. Катіони Jnd + при рН3,0 фарбують розчин у червоний колір:

JndOH  Jnd + + OH -

жовтий  червоний

рН4,4 рН3,0

Кислотною формою індикатора називають форму, яка переважає в кислотних розчинах, а Основний формою - ту, що існує в основних (лужних) розчинах. У деякому проміжку значень рН у розчині може одночасно перебувати в рівновазі деяка кількість обох форм індикатора, внаслідок чого виникає перехідне забарвлення індикатора, - це інтервал рН переходу забарвлення індикатора, або просто Інтервал переходу індикатора.

У табл.1 показані інтервали переходу деяких індикаторів, що часто використовуються.

Таблиця 1

Кислотно-основні індикатори

Для швидкого визначення рН зручно також користуватися розчином універсального індикатора, що є сумішшю різних індикаторів і має великий інтервал переходу (значення рН від 1 до 10). На основі універсального індикатора промисловістю випускаються спеціальні паперові стрічки для визначення рН розчинів шляхом порівняння зі спеціальною шкалою зміни їх забарвлення під дією випробуваного розчину.

У колориметричному методі для точного визначення рН застосовуються стандартні буферні розчини, значення водневого показника яких точно відоме і постійно.

Буферними розчинами називаються суміші слабких кислот або основ зі своїми солями. Такі суміші зберігають певне значення рН як при розведенні, так і при додаванні невеликих кількостей сильних кислот або лугів.