Колористическое определение водородного показателя раствора с использованием природных красящих веществ



При проведении научно-исследовательских работ в области химии, биологии и экологии возникает потребность в определении водородного показателя исследуемого объекта. Для определения данного показателя с точностью ±1 рН в лабораторной практике применяется универсальная индикаторная бумага, пропитанная смесью из нескольких кислотно-основных индикаторов. По данным литературы [1, с. 330; 2, с. 472] в состав универсального индикатора входят такие кислотно-основные индикаторы, как диметиловый жёлтый, метиловый красный, бромтимоловый синий, фенолфталеин, α-нафтолфталеин и тимолфталеин. Все перечисленные индикаторы, за исключением фенолфталеина, в практике школьного химического эксперимента не применяются, и таким образом изготовить в условиях школьной лаборатории по указанным рецептурам универсальный индикатор не представляется возможным.

С другой стороны известно, что некоторые природные красящие вещества, подобно универсальному индикатору, способны изменять свою окраску в зависимости от водородного показателя раствора. Примером таких веществ могут служить антоцианы, содержащиеся в листьях краснокочанной капусты, в плодах вишни и черешни и в ягодах чёрной смородины или черники.

В 1664 г. английский химик Роберт Бойль обнаружил, что синие лепестки василька под действием растворов щёлочи зеленеют, а под действием растворов кислот лепестки краснеют. Немецкий биохимики Рихард Вильштеттер и швейцарский биохимик Артур Штоль в 1913–1915 годах провели серию опытов по выделению индивидуальных веществ (антоцианов) из пигментов цветков различных растений и описали их химическое строение [3]. В настоящее время известно более 500 индивидуальных антоциановых соединений. Антоцианы относятся к сложным органическим веществам, углеродный скелет которых включают 15 атомов углерода [4, с. 186]:

где R ₁ , R _2, R ₃ , R ₄ , R ₅ , R ₆ , R ₇ — радикалы — заместители.

Применение антоцианов, выделенных из растений, в практике определения водородного показателя затруднено, т. к. отсутствует колористическая шкала, сопоставляющая цвет красителя с водородным показателем раствора. Поэтому в данной работе рассматриваются вопросы по определению оптимального способа извлечения красителя и составлению колористической шкалы для определения водородного показателя.

В работе был использован раствор антоцианов, выделенных из листьев краснокочанной капусты. Первоначально экстракцию антоцианов осуществляли водой при температуре 100С и массовом соотношении растительное сырье: вода равном 1:2. Как показал ряд опытов при непосредственной обработке кипящей водой растительного сырья получается экстракт фиолетово-коричневого цвета, при этом примесная коричневая окраска раствора мешает колористическому определению водородного показателя раствора. Поэтому для приготовления экстракта в данной работе использовали следующую методику. В химический стакан помещали предварительно измельченное растительное сырьё и воду, нагретую до температуры 96–98С. Полученную смесь из воды и растительного сырья периодически перемешивали и выдерживали до полного остывания. В результате полученный экстракт имел фиолетовую окраску.

Для приготовления универсальной индикаторной бумаги использовали фильтровальную бумагу марки «синяя лента». Пропитку фильтровальной бумаги полученным экстрактом осуществляли методом погружения с последующей сушкой при температуре 50С. Как показала практика для равномерной окраски фильтровальной бумаги пропитку экстрактом необходимо проводить два раза. При увеличении количества пропитки до 4–5 раз чувствительность колористического метода определения водородного показателя падает, т. к. при высокой концентрации антоцианов окраска индикаторной бумаги становиться насыщенной и визуальную оценку цвета в кислой и слабокислой среде становиться сделать труднее.

В качестве модельных растворов со значениями водородного показателя от рН=2 до рН=12 применяли буферный раствор, содержащий гидрофосфат натрия и лимонную кислоту. Корректировку водородного показателя осуществляли путем добавления к буферному раствору 0,2 М растворов гидрофосфата натрия или 0,1 М растворов лимонной кислоты. Для получения водородного показателя в диапазоне от рН=2 до рН=3 корректировку осуществляли 0,1 М раствором соляной кислоты, а в диапазоне от рН=8 до рН=12–0,2 М раствором гидроксида калия. Исходные растворы готовили методом точных навесок с использованием дистиллированной воды и реактивов с квалификацией чистоты химически чистый и чистый для анализа. Навески взвешивали с точностью до 0,001 г с помощью лабораторных весов AND GF-300.

Корректировку водородного показателя буферного раствора осуществляли на лабораторной установке, состоящей из магнитной мешалки, химического стакана и рН-метра марки WTW рН-96. Калибровку рН-метра осуществляли с помощью буферных растворов, входящих в комплект поставки прибора.

В химический стакан помещали 50 см ³ 0,2 М раствора гидрофосфата натрия и 50 см ³ 0,1 М раствора лимонной кислоты. Затем при непрерывном перемешивании корректировали водородный показатель раствора по рН метру с помощью 0,1 М раствора лимонной и соляной кислот или 0,2 М растворов гидрофосфата натрия и гидроксида калия. Точность корректировки водородного показателя раствора была ±0,05рН. Таким образом был получен ряд растворов с водородным показателем, равным 2,0; 3,0; 4,0; 5,0; 6,0; 7,0; 8,0; 9,0; 10,0; 11,0; 12,0. Затем аликвотную часть полученных растворов наносили на подготовленную индикаторную бумагу и в течение 30–60 секунд осуществляли макросъёмку образца индикаторной бумаги при естественном освещении. Таким образом была получена колористическая шкала, показывающая изменение окраски фильтровальной бумаги от величины водородного показателя. Визуальная оценка колористической шкалы приведена в таблице 1.

Таблица 1

Колористическая шкала индикаторной бумаги, полученная методом визуальной оценки цвета

Водородный показатель	Цвет индикаторной бумаги
рН=2	Красная
рН=3	Красно-фиолетовый
рН=4	Фиолетовый
От рН=5 до рН=6	Фиолетово-зелёный
рН=7	Сине-зелёный
От рН=8 до рН=9	Зелёный
рН=10	Жёлто-зелёный
От рН=11 до рН=12	Жёлтый

Для возможности воспроизведения колористической шкалы с использованием ИКТ полученные фотографии цветовой шкалы были подвергнуты цифровой обработке с применением системы аддитивных цветов RGB [5, с. 28]. В системе RGB все цвета получаются из трех базовых цветов: красного (Red), зелёного (Green) и синего (Blue) цветов. Интенсивность каждого цвета устанавливается от 0 % до 100 %. Если интенсивность каждого базового цвета достигает 100 %, то получается белый цвет. Чёрный цвет получается при отсутствии всех трёх базовых цветов.

Анализ полученных фотографических изображений колористической шкалы осуществляли в программе Paint, входящей в состав операционной системы Windows 7. В данной программе максимальная интенсивность базового цвета принята равной 255. Результаты анализа представлены в таблице 2.

Таблица 2

Характеристики колористической шкалы индикаторной бумаги, полученные с помощью программы Paint

Водородный показатель, рН	Характеристики цвета
	Оттенок	Контраст	Яркость	Уровень красного	Уровень зелёного	Уровень синего
2	237	134	120	199	56	67
3	231	135	104	172	48	76
4	215	90	151	196	125	169
5	215	52	101	130	84	113
6	183	22	136	147	134	155
7	130	43	114	100	132	142
8	94	57	146	132	179	148
9	110	80	150	128	191	175
10	55	86	149	167	193	123
11	40	140	150	215	215	105
12	40	145	150	217	217	102

Для удобства дальнейшего использования подготовленная индикаторная бумага была нарезана на полоски размером 10010 мм и уложена в пластмассовую тубу. На тубу была приклеена колористическая шкала для определения водородного показателя, распечатанная на струйном цветном принтере. Через 2 месяца хранения при комнатной температуре было проведена проверка колористической шкалы. В ходе проверки было выявлено, что универсальная индикаторная бумага не потеряла своих свойств.

Для использования данного универсального индикатора в демонстрационном эксперименте необходимо было решить задачу по выделению пигмента из экстракта. От прямого выделение пигмента из экстракта решено было отказаться, так как пигмент представляет собой смесь антоцианов. Для получения кристаллического продукта из такой смеси необходимо будет проводить дополнительные трудоёмкие операции по очистке. Поэтому было принято решение пропитать пигментом твердый носитель до полного его насыщения. В качестве носителя использовали фильтровальную бумагу, пропитку которой осуществляли по приведенной ранее технологии с промежуточной сушкой при температуре 50С. Количество циклов пропитки было увеличено до 10. При этом получили равномерно окрашенную в темно-фиолетовый цвет бумагу. Для демонстрационных опытов необходимо предварительно пропитанный фильтровальную бумагу положить в колбу с дистиллированной водой. При этом большая часть пигмента переходит в раствор, и он приобретает характерный фиолетовый цвет. Полученный раствор так же реагирует на изменение кислотности или щелочности среды. При этом изменение окраски раствора, наблюдаемое в проходящем свете, гораздо четче, чем при наблюдении перехода цвета индикаторной бумаги в отраженном свете.

В заключение можно отметить, что в данной работе была построена колористическая шкала для универсального индикатора, выделенного из листьев краснокочанной капусты, описаны методика приготовления экстракта и технология приготовления индикаторной бумаги, показано практическое применение индикаторной бумаги. Таким образом, поставленная в работе цель была достигнута.

Литература:

1. Краткий справочник по химии / под ред. О. Д. Куриленко. — Киев: Наукова думка, 1974. — 992 с.

2. Перельман В. И. Краткий справочник химика. — М.: Госхимиздат, 1963. — 624 с.

3. Шоева О. Ю. Антоцианы: секреты цвета // Химия и жизнь. — 2013. — № 1. — С. 13–20.

4. Химическая энциклопедия: В 5 т.: т. 1: А — Дарзана / Редкол.: Кнунянц И. Л. (гл. ред.) и др. — М.: Сов. энцикл., 1988. — 623 с.

5. Залогова Л. А. Практикум по компьютерной графике. — М.: Лаборатория Базовых Знаний, 2001. — 320 с.