Экологичные индикаторные бумажки



Обзор литературы

Кислотно-основные индикаторы (по-другому индикаторы среды) находят широкое применение во многих разделах химии. Практически на любом производстве используют индикаторы среды. Это может быть производство косметики, пищевых продуктов, лекарств и так далее.

Кислотно-основные индикаторы — это вещества, окраска которых меняется в зависимости от кислотности среды. Кислотность среды характеризуется с помощью такого параметра, как рН. Это так называемый водородный показатель. Численно он равен отрицательному десятичному логарифму концентрации ионов водорода в растворе. рН может находиться в диапазоне от 0 до 14. Если водородный показатель равен нулю, то означает, что среда очень кислая. Если он равен 14, то среда очень щелочная. Если рН=7, то это нейтральная среда [1]. Разные жидкости имеют разный рН (рис. 1).

Рис. 1. рН разных жидкостей

Одним из самых простых способов измерить рН является использование индикаторных полосок или рН-метров.

Индикаторные полоски — это бумажные полоски, пропитанные каким-либо веществом — индикатором. При опускании полосок в раствор, они меняют цвет в зависимости от кислотности среды. Индикаторные полоски на качественном уровне могут помочь определить рН среды. К веществам-индикаторам относятся фенолфталеин, метиловый оранжевый, лакмус, ализариновый желтый, бромтимоловый синий и так далее (рис. 2). Полоски используются для определения кислотности среды бассейнов, аквариумов, котлов, в кулинарии, в медицине и в научных исследованиях [2].

Рис. 2. Изменение цвета индикаторов в разной среде

рН-метр — это прибор, позволяющий определить точное значение рН раствора. Прибор используется в высокотехнологичных производствах, где необходимо точно знать значение рН, а также широко распространен в качестве лабораторного оборудования для проведения научных исследований.

Более простым и быстрым методом определения кислотности среды является использование индикаторных бумажек, однако если необходимо точно знать рН, для этого применяют рН-метры.

В школе на уроках химии также часто используются индикаторные бумажки для проведения различных экспериментов.

Основная проблема при использовании индикаторных бумажек — это неточность определения рН и токсичность для человека и окружающей среды. Многие индикаторы относятся к соединениям высокой токсичности и требуют особых методов утилизации [3].

Однако, известно, что во многих растениях содержатся природные индикаторы — вещества антоцианы. Часто они обуславливают синюю, красную или фиолетовую окраску растениям. Антоцианы принадлежат к классу молекул, называемых флавоноидами. В зависимости от рН жидкостей, антоцианы могут менять свою окраску и таким образом выступать в роли индикаторов. Примеры продуктов, в которых содержатся антоцианы: голубика, красная роза, морковь, черника, краснокочанная капуста, клубника, гранат [4].

Актуальность работы

В связи с тем, что стандартные индикаторы (и индикаторные бумажки на их основе) являются токсичными для природы, было предложено создать экологичные индикаторные бумажки, на основе антоцианов, выделенных из растений. Для утилизации таких бумажек не нужны особые условия, они безвредны для человека и природы и, предположительно, должны обладать не меньшей точностью определения рН.

Цель работы

Создать экологичные индикаторные бумажки и создать цветную шкалу для определения рН.

Экспериментальная часть

В качестве сырья для создания индикаторных бумажек были выбраны морковь, свекла, краснокочанная капуста, чай каркаде, гранат, голубика, клубника, так как это доступные продукты, содержащие антоцианы. Все дальнейшие эксперименты производили при температуре 20–25 ^о С и давлении 1 атм.

Этап 1. Выбор лучших продуктов.

1. Получение сока продуктов. Морковь и свекла были натерты на тёрке и отжаты. Чай каркаде заварили в слегка тёплой воде, голубику и клубнику раздавили вилкой и отжали сок, краснокочанную капусту порезали на кусочки и измельчили в блендере с небольшим количеством воды.
2. Приготовление растворов с разным рН. Для создания раствора с рН 14 в 500 мл дистиллированной воды растворили 20 г щёлочи NaOH, концентрация 1 М (расчёт проводили по формуле pH = 14 — lgс(основания)). Для создания раствора с рН 1 к 500 мл дистиллированной воды добавили 4,9 г концентрированной серной кислоты, концентрация 0,1 М (расчет проводили по формуле pН = –lg С (кислоты)). рН полученных растворов определяли с помощью лакмусовых индикаторных бумажек. Для создания нейтрального раствора (рН 7) использовали физиологический раствор (с массовой долей NaCl 0,9 %). Для определения массы веществ использовали ювелирные весы с точностью измерений до 0,01 г.
3. Тестирование соков продуктов. Для каждого продукта подготовили три пробирки: одну с рН 1 (кислотная среда), одну с рН 7 (нейтральная среда), одну с рН 14 (щелочная среда). Затем в пробирки добавляли сок из выбранных продуктов и следили за изменением окраски раствора (рис. 3). По результатам тестов выбрали три наиболее подходящих варианта: свекла, чай каскаде и краснокочанная капуста, так как в этих трёх случаях цвет менялся заметно в разных растворах, что позволяет использовать их как индикаторы в широком диапазоне рН. Сок клубники и голубики не подошёл, так как он тяжело отделялся от мякоти, а также давал плохой результат по изменению цвета.

Рис. 3. Изменение окраски соков в зависимости от рН среды. Везде слева кислотная среда, по центру нейтральная, справа щелочная

Этап 2. Создание индикаторных бумажек.

Для создания бумажек бумага разного вида была пропитана соком свёклы, краснокочанной капусты и чаем каскаде и затем высушена в тёмном месте на воздухе в течение 28 часов. Использовали обычную офисную бумагу (80 г/м ² ) и фильтровальную бумагу (белая лента).

Затем бумагу разрезали на полоски и тестировали на растворах с разным рН, полученных ранее (по три измерения для каждого вида) (рис. 4). Выбирали лучшие варианты по критерию яркости цвета бумажки и хорошего изменения цвета при разных рН. Лучшим вариантом оказался сок краснокочанной капусты, так как давал более яркую окраску при взаимодействии с растворами, а также более ярко выраженный переход цвета в разных рН.

Рис. 4. Примеры тестирования бумажек, пропитанных соком капусты, свёклы, чаем каркаде. Слева на рисунке капуста не поменяла цвет, так как была нарушена технология приготовления сока из капусты

Этап 3. Создание цветовой шкалы для полученных индикаторных бумажек.

1. Приготовление растворов с рН от 1 до 14. Растворы с рН 2–6 были приготовлены путём последовательного разбавления в 10 раз раствора с меньшим рН (исходно брали раствор серной кислоты с рН 1). Растворы с рН 7–13 были приготовлены путём последовательного разбавления в 10 раз растворов с большим рН (исходно брали раствор гидроксида натрия с рН 14).
2. Бумажки на основе краснокочанной капусты были нарезаны на полоски и протестированы с помощью растворов с рН от 1 до 14 (по три измерения на каждый рН) (рис. 5). Также для сравнения аналогичных образом протестировали покупные лакмусовые бумажки.

Рис. 5. Создание цветовой шкалы для индикаторных бумажек. Для каждого значения рН проверяли покупные бумажки с универсальным индикатором (везде слева) и полученные из краснокочанной капусты (везде справа). Цвета могут отличаться от цветов в реальности

3. По результатам трёх измерений на каждый рН был выбран средний цвет окраски бумажки в мокром виде. Таким образом была составлена цветовая шкала для созданных индикаторных бумажек (рис. 6).

Рис. 6. Цветовая шкала полученных индикаторных бумажек

Этап 4. Создание прототипа упаковки индикаторных бумажек.

На этом этапе был создан дизайн упаковки, нарезаны бумажки и собраны вместе в упаковку (рис. 7).

Рис. 7. Дизайн упаковки (внутренняя и внешняя сторона)

Этап 5. Тестированные полученных индикаторных бумажек на различных жидкостях.

Для проверки качества полученных индикаторных бумажек было проведено тестирование на реальных объектах. Проверяли рН лимонного сока, грейпфрутового сока, чёрного чая, эспрессо, слюны, бутылированной воды, воды из-под крана, раствора средства для мытья посуды, жидкости для прочистки труб. С помощью изготовленной ранее шкалы определяли рН этих жидкостей (три измерения на каждую жидкость) (рис. 8). Полученные результаты довольно точно совпали с предполагаемыми значениями рН, что говорит о пригодности полученных бумажек и точности шкалы (табл. 1).

Рис. 8. Определение рН различных жидкостей

Исследуемая жидкость	рН, определенный с помощью эко - бумажек	рН по теоретическим данным
Чёрный чай	7	6–8 [6]
Кофе	5	5 [5]
Лимонный сок	2	2 [5]
Грейпфрутовый сок	3	3 [5]
Вода из-под крана	8	6,5–8,5 [7]
Бутылированная вода	7	6,5–8,5 [7]
Раствор средства для мытья посуды	11	12 [8]
Человеческая слюна	7	7 [8]
Средство для прочистки труб	14	14 [5]

Обсуждение результатов

По результатам исследования самым подходящим для определения рН продуктом оказалась краснокочанная капуста, так как у нее был самый заметный переход цвета в растворах с разным рН. Бумажки, пропитанные краснокочанной капустой, показали свою эффективность в качестве индикаторных бумажек. Плюсы полученных бумажек: экологичность, простота их создания, простота использования, высокая точность качественного определения рН сильно кислой и сильно щелочной среды. Минусы: низкая точность определения кислотности среды с рН 4–8 из-за небольшой разницы в цвете. Однако, например, покупные бумажки так же показывают невысокую точность в этом диапазоне рН. В дальнейшем планируется изучение срока годности экологичных индикаторных бумажек.

Литература:

1. Кузнецова, Н. Е. Химия 11 класс / Н. Е. Кузнецова, Т. Н. Литвинова, А. Н. Левкин. — 6-е издание. — Москва: «Вентана-Граф», 2020. — 432 c. — Текст: непосредственный.
2. Химические индикаторы. — Текст: электронный // Wikipedia: [сайт]. — URL: https://ru.wikipedia.org/wiki/Химические_индикаторы#Распространённые_кислотно-основные_индикаторы (дата обращения: 13.11.2023).
3. Паспорт безопасности (фенолфталеин). — Текст: электронный // Carlroth.com: [сайт]. — URL: https://www.carlroth.com/medias/SDB-T126-RU-RU.pdf?context=bWFzdGVyfHNlY3VyaXR5RGF0YXNoZWV0c3wyNTAzOTF8YXBwbGljYXRpb24vcGRmfHNlY3VyaXR5RGF0YXNoZWV0cy9oNjkvaGE4LzkwODk0NzU2MDg2MDYucGRmfDBiMjRlZWZhMTZhYzgwZmNkYzQ5MDkwNWJmMjBjY2RhYjRlYjJhYWRlYjYxMDY5YmUwM2NjMjU5ZWJmMzg4Nzc (дата обращения: 13.11.2023).
4. Шоева, О. Ю. Антоцианы: секреты цвета / О. Ю. Шоева. — Текст: непосредственный // Химия и жизнь. — 2013. — № 1.
5. pH scale. — Текст: электронный // USGS.gov: [сайт]. — URL: https://www.usgs.gov/media/images/ph-scale-0 (дата обращения: 13.11.2023).
6. Мешкова, В. В. Изучение водородного показателя различных сортов чая / В. В. Мешкова, В. О. Киседобрева, Т. А. Афанасьева. — Текст: непосредственный // Актуальные вопросы современной медицинской науки и здравоохранения. — Екатеринбург: НОМУС УГМУ, 2019. — С. 1397–1400.
7. Что такое рН воды. — Текст: электронный // Барьер.ру: [сайт]. — URL: https://www.barrier.ru/encyclopedia/o-vode/chto-takoe-ph-vody/ (дата обращения: 13.11.2023).
8. Водородный показатель рН. — Текст: электронный // Skysmart: [сайт]. — URL: https://skysmart.ru/articles/chemistry/vodorodnyj-pokazatel-ph (дата обращения: 13.11.2023).