Исследование возможности замены синтетических индикаторов натуральными

Индикаторы — соединения, способные изменять цвет в зависимости от кислотности среды, широко используются в современном химическом анализе веществ [1]. Искусственные индикаторы получают химическим синтезом из различных органических веществ [2].

Целью моей работы являлось найти вещества с меньшей токсичностью, которые можно использовать в качестве индикаторов в химических лабораториях, поскольку, работа с любыми синтетическими химическими веществами несет в себе определенный риск для здоровья организма.

Синтетические индикаторы — химические вещества, главным образом слабые органические кислоты, способные менять свой цвет в зависимости от среды раствора и получаемые благодаря синтезу органических веществ.

Целесообразно использовать классификацию для индикаторов, согласующуюся по типу реакции:

1.               Окислительно-восстановительные индикаторы.

2.               Индикаторы присоединения ионов

а)     Металлохромные индикаторы.

б)     Осадкообразующие индикаторы. Адсорбционные.

в)     Кислотно-основные индикаторы:

Окислительно-восстановительные индикаторы — это органические соединения, способные изменять цвет в растворе в зависимости от окислительно-восстановительного потенциала (E). Примером таких индикаторов могут служить — вариаминовый синий или галлоцианин.

Все индикаторы присоединения ионов в общем смысле имеют одинаковую природу, ион водорода занимает место ионов металла при переходе от металлохромных к кислотно-основным индикаторам, и фактически все индикаторы в некотором смысле реагируют на ион водорода.

Металлохромные индикаторы — металл-индикаторы, органические соединения, которые используют для установления точки эквивалентности комплексонометрическом титровании. Изменение окраски в таких индикаторах ведётся благодаря образованию устойчивых комплексов с металлами. Это такие индикаторы, как металлофталеин и эриохромовые красители.

Адсорбционные индикаторы — органические соединения, используемые для определения конечной точки при титровании по методу осаждения. К таким индикаторам относят метаниловый жёлтый и тартразин.

Кислотно-основные индикаторы — органические соединения, способные изменять цвет в зависимости от кислотности среды. Используются для определения рН водных растворов. Из индикаторов присоединения ионов кислотно-основные являются самыми «популярными», претерпевают хорошо заметное изменение окраски в зависимости от значения рН и именно они используются на уроках химии в общеобразовательных учреждениях. Самые распространённые кислотно-основные индикаторы — это фенолфталеин, лакмус и метиловый оранжевый [1].

Все индикаторы, которые в наше время широко используются на уроках химии и в лабораториях получают благодаря синтезу органических веществ. Органический синтез обосновал отдельный раздел органической химии и технологии, которая изучает способы получения органических веществ с ценными физическими, химическими или биологическими свойствами.

К примеру можно привести получение самого распространённого индикатора фенолфталеина. На рисунке 1 приведена структурная формула фенолфталеина.

Рис. 1. Фенолфталеин

Наряду с синтетическими индикаторами, также существуют природные или натуральные индикаторы, которые являются особым пигментом группы антоцианов и содержатся в экстрактах и соках некоторых растений, а также проявляют кислотно-основные свойства. Наиболее известные вещества, содержащие пигмент группы антоцианов это: бразилин (C₁₆H₁₄O₄), куркумин (C₂₁H₂₀O₆) и карминовая кислота (C₂₂H₂₀O₁₃).

Антоцианы определяют цвет лепестков и плодов растений, окраска которых зависит от pH клеточного сока, и может меняться. С химической точки зрения антоцианы относятся к группе флавонойдов, являются растительными гликозидами, содержащими в качестве агликона гидрокси-производные дифенилхромена. В силу высокой электрофильности окраска антоцианов обуславливается их чувствительностью к pH.

Рис. 2. R = H (цианидин)

Самые распространенные растения, содержащие антоцианы: свекла красная, черная смородина, малина, клубника, клюква, вишня, виноград, ежевика, морковь, карри порошок, сок красной капусты и др. Кроме этого, антоцианы, оказывая бактерицидное действие, используются в медицине в комплексной борьбе с простудными заболеваниями.

Исходя из установленных мной требований: контрастный цвет перехода окраски, широкий интервал перехода, доступность растений, были получены концентрированные соки ягод: черной смородины, малины, клубники, клюквы, вишни, и красной капусты. Антоцианы легко растворимы в воде и полярных растворителях, малорастворимы в спирте и нерастворимы в неполярных растворителях. Концентрат ягодного сока был разбавлен этиловым спиртом, в соотношении 1:2, с целью предотвращения скисания. При проверке действия полученных растворов на различную среду, оказалось, что все приготовленные индикаторы меняют цвет. Выбранные концентраты соков в кислой среде изменяют цвет на красный, а в щелочной среде на цвет от синего к желтому. Также была изготовлена индикаторная бумага, методом пропитывания фильтровальной бумаги соком красной капусты.

Важными показателями характеристики индикатора являются интервал перехода и интенсивность окраски [3]. Для определения интервала перехода природных индикаторов были получены 0,1 % растворы соков и использовалась серия пробирок кислот и оснований с растворами рН от 1 до 14.

Например, в ходе эксперимента было определено, что сок красной капусты может использоваться в интервале рН от 2 до 12 (таблица 1).

Таблица 1

Изменение цвета сока красной капусты в зависимости от рН среды

К преимуществам органических индикаторов относятся: легкая доступность сырья для приготовления, экономичность, экологичность, дешевизна, быстрота и наглядность, а также безопасность студентов при проведении процесса индикации. В результате проведенного исследования было установлено, что на практических занятиях при проведении лабораторных работ, возможна замена синтетических химических индикаторов натуральными, которые в некоторых случаях являются более удобными и практичными.

И последнее о растительных индикаторах. Некогда было в моде писать приглашения на лепестках цветов; а писали надписи раствором кислоты или щёлочи, пользуясь тонким пером или заострённой палочкой. Мы предлагаем вам потренироваться в составлении таких приглашений, используя природные индикаторы. Данный вопрос затрагивает глобальные проблемы современности — проблему экологии и экономики. А как? Это надо изучать, доказывать, аргументировать. Мы только находим то, что всегда существовало. Таким образом, данное исследование остается перспективой для дальнейшей работы в этом направлении.

Рис. 3. Ягоды для приготовления индикатора

Изменение цвета приготовленных натуральных индикаторов в зависимости от среды

Рис. 4. Кислая среда Щелочная среда

Шкала перехода универсального синтетического индикатора

Рис. 5. Шкала перехода универсально индикатора

Литература:

1.        Индикаторы. Том1 // Перевод с английского — И. В. Матвеевой, под редакцией И. Н. Марова.- М.: Мир 1976, — 190 с.

2.        Ахметов Н. С. Общая и неорганическая химия. М.: Высшая школа, 2009. — 743 с.

3.        Гельфман М. И. Юстратов В. П. Неорганическая химия (учебное пособие). — Спб.: Лань., 2009. — 528 с.