2. Денисов В. В. Промышленная экология. М., 2009.
3. Новиков Ю. В. Экология, окружающая среда и человек: Учеб. пособие. М., 2005.
4. Фелленберг Г. Загрязнение природной среды. М., 1997.
5. Все о воде. URL: http://all-about-water.ru/chemical-composition.php (дата обращения: 20.02.2018).
Определение кислотности газированных напитков и минеральных вод
Янович Елизавета, Зубрийчук Александра
ГБОУ города Москвы «Школа № 1601 имени Героя Советского Союза Е. К. Лютикова»
Руководитель:
Егошина Елена Евгеньевна, учитель химии и биологии
Введение
В последнее время все чаще люди используют для питья и приготовления пищи бутилированную воду. Школьники стараются покупать газированную воду, напитки на основе натуральных соков, а в последнее время еще и «холодный чай». Взрослые, заботясь о состоянии своего организма, предпочитают минеральную воду.
Мнений об употреблении данных напитков очень много: газировка очень плохо действует на работу желудочно-кишечного тракта. Для детей она вредна еще больше, так как у них еще не сформирован взрослый тип секреции желудка – она у них более низкая, а лимонады снижают кислотообразование. Красители могут вызвать аллергические реакции, а один из ингредиентов газировки – углекислый газ (диоксид углерода) – вызывает отрыжку, вздутие кишечника и другие нежелательные явления в организме.
Новизна данного проекта заключается в том, что особое внимание обращено на сравнение кислотности разных групп напитков.
Задача проекта – определение и сравнение значений кислотности исследуемых напитков с использованием универсальной индикаторной бумаги.
В напитках для придания кислого вкуса используют кислоты (ортофосфорную или лимонную), а также в качестве антиокислителя применяется аскорбиновая кислота.
В средствах массовой информации можно увидеть ролики с использованием газировки (Pepsi, Sprite, Coca-cola) для очистки материалов от ржавчины или накипи, а также для демонстрации «фонтана» при добавлении в нее драже «Ментос». Эти данные вызывают у людей опасение за свое здоровье в связи с возможностью появления хрупкости костей из-за вымывания из них кальция или раздражения желудка, образования язвы из-за нарушения его кислотности.
Из курса химии известно, что для определения среды растворов используется значение рН (кислотность среды), которую мы и решили взять за основу для выяснения влияния различных напитков на организм человека.
Водородный показатель
Водородный показатель (рН) – отрицательный десятичный логарифм (–lg) концентрации [H+] – служит показателем кислотности среды. Кислые среды имеют рН < 7, а щелочные – рН > 7; в нейтральной среде рН = 7. Например, квашеная капуста и простокваша имеют рН 4–4,5, а маринованные грибы и овощи – около 3,5–4.
Между кислыми и щелочными веществами в тканях организма устанавливается баланс. В случае его нарушения наблюдается явление ацидоза (избыток в тканях H+) или, напротив, алкалоза (недостаток H+ и избыток ОН–). Продукты с кислотными свойствами – это злаки (овес, ячмень, пшеница, рожь) и животные корма. Щелочными свойствами обладают картофель, морковь, горох, бобы, зеленые части растений.
Концентрация катионов водорода играет исключительно важную роль в биологических процессах. Данная концентрация в растворах определяет их кислотные свойства и является важной характеристикой биологической среды. Кислоты – важнейшие биоорганические соединения (фосфорная кислота в составе ДНК, РНК и АТФ, молочная, аскорбиновая, никотиновая, лимонная и др.), их физиологическая активность и определяется концентрацией ионов водорода.
1. Теоретическая часть. Значение кислот для организма человека и их применение
Ортофосфорную кислоту (Е338) используют как подкислитель в различных напитках. Ее также используют для производства синтетических моющих средств, в стоматологии для протравливания эмали (снятия смазанного слоя) и дентина перед пломбированием, для очищения от ржавчины металлических поверхностей. Образует на обработанной поверхности защитную пленку, предотвращая дальнейшую коррозию. Также применяется в составе фреонов в промышленных морозильных установках как связующее вещество. Лимонная кислота (Е330) содержится в организме человека. Сухая лимонная кислота и ее концентрированные растворы при попадании в глаза вызывают сильное раздражение, при контакте с кожей возможно слабое раздражение. При единовременном употреблении внутрь больших количеств лимонной кислоты возможны раздражение слизистой оболочки желудка, кашель, боль, кровавая рвота. При вдыхании пыли сухой лимонной кислоты – раздражение дыхательных путей. В конце 1970-х годов в Западной Европе было распространенно мнение, что лимонная кислота – сильный канцероген. Однако лимонная кислота опасна только в очень больших количествах, так как приводит к ожогам пищеварительного тракта.
Аскорбиновая кислота необходима для нормального функционирования соединительной и костной ткани. Витаминное средство оказывает метаболическое действие, не образуется в организме человека, а поступает только с пищей. Участвует в регулировании окислительно-восстановительных процессов, углеводного обмена, свертываемости крови, регенерации тканей;
повышает устойчивость организма к инфекциям, уменьшает сосудистую проницаемость, снижает потребность в витаминах B1, B2, А, Е, фолиевой кислоте, пантотеновой кислоте. Обладает антиагрегантными и выраженными антиоксидантными свойствами.
2. Практическая часть. Исследование кислотности газированных напитков и минеральных вод
На практике для определения рН газированных напитков использовалась универсальная индикаторная бумага (рН 0–12), ООО «Экохим».
Для измерения кислотности (рН) индикаторную бумагу опускали в образцы напитков. Индикатор в растворе изменял свою окраску в зависимости от среды раствора. Окрашенную таким образом индикаторную бумагу сравнивали с эталонной шкалой рН на упаковке индикатора.
В качестве регулятора кислотности в большинстве исследованных напитков использовалась лимонная кислота. «Холодные чаи» и газированные напитки имеют рН = 3, лимонад – рН = 3,5, чаи листовые имели значение рН = 4–5, чай с лимоном – рН = 5, лечебно-столовая минеральная вода – рН = 6–8.
На основе данных можно сделать вывод, что кислотность чаев и газированных напитков меньше, чем кислотность желудочного сока (рН = 1,5–2), и употребление их не может привести к расстройствам желудочно-кишечного тракта. Особую осторожность необходимо соблюдать людям, имеющим повышенную кислотность.
По результатам анализа минеральной воды получены значения рН = 6–8, что объясняется содержанием в них гидрокарбоната натрия. Такая среда благоприятна для зубов и желудочно-кишечного тракта.
Выводы
1. Было проведено определение рН напитков (наиболее употребляемых) с использованием универсальной индикаторной бумаги.
2. В результате исследования было доказано, что «холодные чаи» и газированные напитки имеют более кислую среду, чем чай с долькой лимона, а минеральная вода – более щелочную за счет содержания гидрокарбоната натрия.
3. Употребление газированных напитков и «холодных чаев» не скажется на состоянии зубов или желудочно-кишечного тракта, если не злоупотреблять их количеством, а использование минеральной воды возможно только вне фазы обострения.
Литература
1. Кирикова И. М. Организация экспериментально-исследовательской деятельности // Химия в школе. 2013. № 3. С. 45–51.
2. Нижевич А. А., Бельмер С. В. Газированные напитки с позиции гастроэнтеролога: мифы и реалии // Вопросы детской диетологии. М., 2015. Т. 13, № 4. С. 18–23.
3. Шапиро Я. С. Биологическая химия: 10–11 классы: учебное пособие для учащихся общеобразовательных учреждений. М., 2011. С. 22–25.
4. Якушкина Е. А., Попова Т. Г. Биология. Проектная деятельность учащихся. 5–9 классы. Волгоград, 2009.
5. Наши решения. URL: http://ipsos-comcon.ru/specialisations (дата обращения: 20.02.2018).
Антоцианы – природные индикаторы
Корсаков Алексей
ГБОУ города Москвы «Школа № 1550»
Руководитель:
Филатова Елена Игоревна, учитель химии
Опыт – единственно верный путь спрашивать природу и слышать ответ в ее лаборатории.
(Д. И. Менделеев)
Введение
Вы замечали, что чай с лимоном гораздо светлее, чем без лимона? Оказывается, причина в природном индикаторе антоциане, содержащемся в черном чае.
Природа наградила нас необычайным даром – цветовым зрением, а вместе с ним дала возможность восхищаться красотой окружающего растительного мира. Мы с надеждой смотрим на нежную зелень весенней листвы и с грустью любуемся желто-оранжевой гаммой осеннего леса. Кто не восхищался красками цветущего луга, лесной опушки, осенней листвы, даров сада и поля?
Но часто ли вы задавали себе вопросы: отчего зеленые листья осенью желтеют или краснеют? Почему лепестки ромашки белые, а первые весенние листочки тополя красноватые? Почему окружающие растения окрашены именно так, а не иначе? И как возникает огромное богатство цветов и оттенков? Почему цветок утром розовый, а к вечеру уже синий? Почему в одном соцветии встречаются венчики цветков с различной окраской – от белой до розовой?
Если растения окрашены, значит, в них есть красители – пигменты.
Химические природные соединения – биофлавоноиды придают определенный цветовой оттенок и свойства любому растению. Поэтому биофлавоноидов существует множество. Антоцианы определяют красную, синюю, фиолетовую окраску цветов, а флавоны, флавонолы, ауроны, халконы – желтую и оранжевую.
Польза многих растений несомненна. Издавна люди применяли растения в качестве лекарственных средств. Отсюда возникла народная медицина, основанная на целебных свойствах растений.
Данная работа посвящена уникальным свойствам растений, которые не перестают удивлять человечество на протяжении всей жизни.
Нами будут рассмотрены такие флавоноиды, как антоцианы.
Проанализировав информационные источники, мы выяснили, что антоцианы содержат такие растения, как, например, анютины глазки, малина, клубника, земляника, вишня, слива, свекла, краснокочанная капуста, черный виноград, клюква, черника, голубика и другие.
Актуальность темы заключается в том, что свойства растительных объектов могут быть использованы для применения в разных областях науки, таких как химия, биология и медицина, а также в быту и кулинарии.
Например, сок столовой свеклы в кислой среде изменяет свой рубиновый цвет на ярко-красный, а в щелочной – на желтый. Зная свойство свекольного сока, можно сделать цвет борща ярким. Для этого к борщу следует добавить немного лимонной кислоты.
Для определения состава лекарственных препаратов можно использовать природные индикаторы. Многие лекарства представляют собой кислоты, соли и основания. Изучив их свойства, можно обезопасить себя. Например, аспирин (ацетилсалициловая кислота) и многие витамины нельзя принимать на голодный желудок, так как кислоты, входящие в их состав, будут повреждать слизистую оболочку желудка.
Цель работы – исследовать растительные объекты на наличие в них природных индикаторов – антоцианов и, изучив их свойства, составить таблицу изменения окраски в зависимости от рН среды.
Задачи исследования:
1. Исследовать природные объекты на наличие индикаторов – антоцианов.
2. Доказать индикаторные свойства растительных пигментов.
3. Определить значение и биохимическую роль природных объектов, содержащих антоцианы.
Объект исследования: ягоды черной рябины, черной смородины, краснокочанная капуста, свекла, морковь, черный чай, черный виноград.
Предмет исследования: растительные пигменты-антоцианы.
Гипотеза исследования: если растения изменяют цвет в различных средах, то их можно использовать в качестве индикаторов.
Методы исследования: анализ, наблюдение, сравнение, эксперимент.
1. Теоретическая часть
1.1. Химические индикаторы, история открытия
Индикатор (лат. indicator ‘указатель’) – соединение, позволяющее следить за изменением состава среды или за протеканием химической реакции.
Чаще всего в лабораториях используют кислотно-основные индикаторы. К ним относятся фенолфталеин, лакмус, метиловый оранжевый и другие.
Кислотно-основные индикаторы – это органические соединения, способные изменять цвет в растворе при изменении кислотности. Причина изменения цвета – изменения в строении молекул индикатора в кислой и щелочной среде, что приводит к изменению спектра поглощения раствора.
Такие индикаторы являются одними из самых устойчивых и востребованных в химических лабораториях.
Самый известный и широко применяемый в химии растительный кислотно-основной индикатор – лакмус. Он был известен уже в Древнем Египте и в Древнем Риме, где его использовали в качестве фиолетовой краски – заменителя дорогостоящего пурпура. Готовили лакмус из специальных видов лишайников. Измельченные лишайники увлажняли, а затем добавляли в эту смесь золу и соду. Приготовленную смесь помещали в деревянные бочки, добавляли мочу и выдерживали длительное время. Постепенно раствор приобретал темно-синий цвет. Его упаривали и в таком виде применяли для окрашивания тканей.
Позже лакмус был случайно открыт Робертом Бойлем в 1663 году. Он представлял собой водный раствор лишайника, растущего на скалах в Шотландии.
1.2. Природные индикаторы. Характеристика и классификация
Если нет настоящих химических индикаторов, то для определения кислотности среды можно использовать природные индикаторы: полевые и садовые цветы, сок многих ягод, например вишни и смородины. Именно окрашенные пищевые соки впервые использовались учеными позднего Средневековья для оценки кислотности среды. Например, Роберт Бойль использовал экстракты фиалки в качестве кислотно-щелочного индикатора.
Пигменты многих растений способны изменять цвет в зависимости от кислотности клеточного сока. Расположены пигменты в хлоропластах и хромопластах.
В растительном мире известно около 2 тысяч пигментов. Наиболее стойкими из них являются только 150. Накапливаются пигменты главным образом в корнях, цветках, кожуре плодов и в листьях растений.
Общее название растительных пигментов – биофлавоноиды.
Все пигменты можно разделить на три группы – хлорофиллы, каротиноиды, антоцианы.
Особый интерес представляют пигменты третьей группы – антоцианы, которые обладают хорошими индикаторными свойствами.
Строение антоцианов установлено в 1913 году немецким биохимиком Р. Вильштеттером, первый химический синтез осуществлен в 1928 году английским химиком Р. Робинсоном.
Антоцианы придают тканям растений фиолетовую, синюю, красную, оранжевую и другие окраски. Эта окраска нередко зависит от рН клеточного сока и потому может меняться при созревании плодов, отцветании цветков – процессах, сопровождающихся закислением клеточного содержимого.
1.3. Биохимическая роль природных индикаторов
Антоцианы, относящиеся к группе флавоноидов, применяются, с одной стороны, как природные пигменты, а с другой – как биологически активные соединения.
Поступая в организм человека с фруктами и овощами, антоцианы проявляют действие, схожее с витамином Р, они поддерживают нормальное состояние кровяного давления и сосудов, предупреждая внутренние кровоизлияния. Антоцианы необходимы клеткам головного мозга, улучшают память.
Антоцианы – мощные антиоксиданты, которые сильнее в 50 раз витамина С. Многие исследования подтвердили пользу антоцианов для зрения. Наибольшая концентрация антоцианов содержится в чернике. Поэтому препараты, содержащие чернику, пользуются большой популярностью в медицине.
2. Исследовательская часть
2.1. Изучение индикаторных свойств антоцианов
Антоцианы – водорастворимые пигменты. Их водную вытяжку можно получить из растений с цветовой гаммой от розовой до фиолетовой. Для этого 0,5–1 г растительного вещества надо поместить в ступку и измельчить с небольшим количеством хорошо промытого песка, добавить около 5 мл воды и отфильтровать получившийся раствор. В зависимости от растения такая вытяжка может быть голубого, синего, фиолетового, розового, малинового цвета.
Далее нам понадобятся 1% соляная кислота или столовый уксус, 0,001% раствор гидроксида натрия или порошок питьевой соды, пробирки и индикаторная бумага или рН-метр.
В чистую пробирку налить 2–3 мл вытяжки пигментов, добавить 1–2 капли разбавленной соляной кислоты. Изменения окраски связаны с перестройками в молекуле антоциана.
Определить рН раствора с помощью индикаторной бумаги или прибора и добавить по каплям разбавленную щелочь или немного, на кончике ножа, порошка питьевой соды.
2.2. Влияние магния на цвет хлорофилла
Характерное для хлорофилла поглощение света определяется химической структурой его молекулы. Присутствие магния в ядре молекулы обусловливает поглощение в красной области. Нарушение структуры, например, удаление из молекулы магния, приводит к изменению цвета хлорофилла. Удалить из хлорофилла магний можно взаимодействием хлорофилла с кислотой.
Для работы понадобятся свежесрезанные листья комнатных растений, 95% этиловый спирт, фарфоровая ступка с пестиком, воронка и фильтровальная бумага, 10% раствор соляной кислоты, ацетат цинка, спиртовка, пипетка, 4 пробирки.
Осторожно! Не забывайте о правилах работы с концентрированными кислотами!
Сначала надо получить спиртовую вытяжку пигментов листа. Для этого к измельченным листьям (для опыта достаточно 1–2 листьев пеларгонии) следует добавить 5–10 мл этилового спирта, на кончике ножа порошок СаСО3 (мел) для нейтрализации кислот клеточного сока и растереть в фарфоровой ступке до однородной зеленой массы. Прилить еще этилового спирта и осторожно продолжить растирание, пока спирт не окрасится в интенсивно зеленый цвет. Полученную спиртовую вытяжку отфильтровать в чистую сухую пробирку или колбу.
Перенести по 2–3 мл спиртовой вытяжки пигментов в три чистые пробирки. Одна из пробирок контрольная, в две другие добавить по 2–3 капли раствора соляной кислоты. Цвет раствора меняется на бурый: в результате взаимодействия с кислотой магний в молекуле хлорофилла замещается двумя атомами водорода и образуется вещество бурого цвета – феофитин. Одну из пробирок с феофитином оставить для контроля, а в другую внести на кончике ножа ацетат цинка и нагреть на водяной бане до кипения. Атом цинка замещает атомы водорода (заместившие ранее магний) в молекуле хлорофилла, и бурый цвет раствора вновь меняется на зеленый.