Изменение pH-среды: как способ модификации цвета у растений
творческая работа учащихся по химии (8 класс)

Муниципальное бюджетное общеобразовательное учреждение

Средняя школа №9

Городского округа г. Выкса Нижегородской области

«Изменение pH-среды: как способ модификации цвета у растений»

Естественнонаучное отделение

Секция химическая

Работу выполнил:

Ученица 8 “Б” класса

Гостева Милана Андреевна

Научный руководитель:

Чесанова Татьяна Александровна

2022 год

Оглавление:

Введение ……………………………………………………………………….3

Глава 1 Теоретическая……………………………………………………….…4

1.1 Флавоноидные пигменты, их структура и свойства …………………….4

1.2 История исследования антоцаинов…………………..…………………...6

1.3 Антоцианы с точки зрения химии...................................................……....7

1.4 Антоцианы в качестве индикатора ……………………………………….9

1.5 Способы модификации цвета у растений…………………………….….11

Глава 2 Практическая ...........................................................………………….11

2.1 Подготовка к эксперименту ……………………………….………..……16

2.2 Ход работы, добавление растворов ………………………….…………..16

2.3 Заключение……………………………………………….……………..…17

Выводы по работе ……………………………………………….……………18

Список используемой литературы…………………………………………...18

Приложение…………………………………………….……….…………… 19

Введение

«Мир полон красок. Но только их смеси имеют особую ценность.»

Борис Шапиро

Ягоды, овощи и фрукты, окрашенные в сине-фиолетовые и красные цвета, очень полезны для нашего здоровья, но мало кто знает, что их окраска зависит от так называемых антоцианов. Антоцианы – одна из групп растительных пигментов, которые придают различным частям растений окраску от розовой и сиреневой до синей и темно-фиолетовой. Они относятся к полифенольным соединениям, содержатся в клеточном соке цветков, плодов и листьев. Цвет зависит от pH клеточного сока и изменяется от красного в кислой среде до синего и фиолетового в щелочной, что позволяет использовать их как легко доступный индикатор. Сейчас насчитывается более 500 растительных пигментов, содержащих антоцианы. Образование антоцианов усиливается при изменении условий – понижении температуры, интенсивном освещении ультрафиолетовыми лучами, остановке синтеза хлорофилла, недостатке фосфора.

          Антоцианы обусловливают осеннюю окраску листьев, изменение цвета овощей и фруктов при созревании. Антоцианы не только красивы, но и очень полезны для человека: как выяснилось в ходе их изучения, это биологически активные молекулы. Больше всего антоцианов содержится в черноплодной рябине (аронии), также богаты этим пигментом ежевика, черника, голубика, вишня, малина, черная смородина, клюква, черешня, виноград с темноокрашенными ягодами, слива с сине-фиолетовыми плодами, терн, гранат, ирга, земляника, шелковица, краснокочанная капуста, краснолистный салат, красные лук и фасоль, черный рис, соки из этих овощей и фруктов, а также травяные чаи (каркаде).

Актуальность темы: заключается в том, что свойства растительных объектов могут быть использованы для применения в разных областях науки, таких как химия, биология и медицина.

Гипотеза исследования: если растения изменяют цвет в различных средах, то их можно использовать в качестве индикаторов.

Цель работы – с помощью исследования доказать влияние pH-среды на окраску растений.

Задачи исследования:

• Изучить характеристики и классификации синтетических и природных индикаторов.
• Выявить значение и биохимическую роль природных объектов, содержащих антоцианы.
• Выявить влияние разной pH-среды на окраску пигмента.

Объекты исследования: антоциановые пигменты.

Предмет исследования: изменение окраски растительного объекта в нейтральной, кислой и щелочной среде.

Методы исследования:

1. Изучение научной литературы.

2. Химический опыт.

3. Наблюдение.

                                          Глава 1. Теоретическая часть

1. Флавоноидные пигменты, их структура и свойства

Флавоноиды — большая группа природных кислородсодержащих органических соединений, в основе которых лежит сложный углеродный скелет и обеспечивающие разнообразную гамму окрасок цветков: красную, алую, фиолетовую, синюю, желтую,  оранжевую и смешанные тона – розово-лиловую, лилово-фиолетовую, голубовато-синюю, желто-кремовую, цвета слоновой кости и т.д.:

Рис.1. Структурная формула флавоноида

Свое название эти вещества получили от латинского слова flavus — желтый, так как первые выделенные флавоноиды имели желтую окраску. Это же название им дал в 1895г. химик С. Косанецкий, стоявший у истоков изучения данных веществ.

Химическая структура и классификация: 

Наиболее изучены следующие виды антоцианов:

1. Красный пеларгонидин (C15H12O6), который находится в виде гликозидов в цветках герани розовой, васильков, георгин, астр, в ягодах земляники, в кожуре алой редьки посевной.
2. Малиновый цианидин (C15H12O7), - в сложных формах и соединениях содержится в цветках васильков, роз, астр, тюльпанов, розово-лилового львиного зева, в ягодах брусники, смородины, рябины, в плодах ежевики, малины, вишни, терна.
3. Розово-лиловый дельфинидин (C15H12O8) встречается в цветках живокости (дельфиниума), в ягодах черники, винограда, цветках петунии, мальве, соке граната, в кожуре баклажана.

В эту группу красящих веществ входят родственные соединения (флавонолы, флавоны, антоцианы, ауроны, халконы, катехины и т.д.). Некоторые из них широко известны: например, флавонолы чая (кверцетин, рутин), обусловливающие его цвет и физиологическую активность. Среди пигментов наиболее распространены антоцианы (вся гамма расцветок от оранжевого до темно-лилового), менее – некоторые флавонолы, ауроны и халконы (цвет от желтого до оттенков слоновой кости).

1.2 История исследования антоцаинов

В 1913-1915 годах немецкий биохимик Рихард Вильштеттер и его швейцарский коллега Артур Штоль опубликовали серию работ, посвященных антоцианам. Из цветков различных растений они выделили индивидуальные пигменты и описали их химическое строение.

Оказалось, что антоцианы в клетках находятся преимущественно в виде гликозидов. «За исследования красящих веществ растительного мира, особенно хлорофилла» в 1915 году Рихард Вильштеттер был удостоен Нобелевской премии по химии.

А в Древней Руси, с помощью растений, красили яйца перед пасхой в различные цвета. Вот, например, синего или красного цвета можно было добиться при помощи фиолетовых растений, содержащих антоцианы. Чтобы добиться синего оттенка необходимо было добавлять золу, обеспечивающую раствору щелочность. А красный цвет яиц получался при добавлении каких-либо окрашенных кислых ягод.

Как я уже сказала ранее - разная окраска антоцианов зависит от того, с каким ионом образован комплекс органического красящего вещества. Так, пурпурно-красная окраска получается, если в состав комплекса входит ион калия, синий цвет придают магний и кальций. Свойства антоцианов проявлять свой цвет зависят от кислотности среды: чем она ниже, тем более красный цвет получается.  Чтобы в условиях лаборатории различить виды антоцианов, используют хроматографию на бумаге или ИК-спектроскопию. Количество антоцианов в том или ином продукте зависит от особенностей климата и энергии фотосинтеза растения. К примеру, в винограде на скорость образования этих веществ влияет продолжительность и интенсивность освещения его листвы. В разных сортах винограда содержится различный набор антоцианов, что обусловлено месторождением и сортом растения. Высокая температура влияет на цвет красного виноградного вина, усиливая цвет. Кроме того, термическая обработка способствует длительному сохранению антоцианов в вине.

1.3 Антоцианы с точки зрения химии

Антоциан-окрашенные кристаллы. Углеводная часть молекулы (обычно остаток глюкозы). У многих антоцианов некоторые группы ОН заменены на другие функциональные группы. Легко растворяются в воде и других растворителях, трудно — в спирте, бензоле. Содержатся в клеточном соке (вакуолях), значительно реже — в клеточных оболочках. Могут существовать в различных формах. При действии минеральных и органических кислот образуют соли красного, при действии щелочей — синего цвета. На цвет антоцианов влияет не только кислотность клеточного сока, но и способность этих пигментов образовывать комплексные соединения с металлами. Например, для проявления синего цвета необходимо наличие в клетках комплексного соединения антоцианов с магнием, алюминием, оловом, а также белками и сахарами.

Поскольку в клетках содержится обычно несколько различных антоцианов, а химический состав растений изменяется с возрастом, то окраска даже кратковременно живущих венчиков может изменяться на протяжении дня. Так, у чины весенней они сначала красные, затем зеленовато-синие. Иногда меняется окраска только части венчика. Например, у конского каштана желтое пятнышко на лепестке сначала становится оранжевым, потом красным, причем нектар выделяется только в желтой стадии.

Ярко-красные розы, голубые васильки, фиолетовые анютины глазки содержат растворенные в клеточном соке антоцианы. Яблоки, вишни, виноград, черника, голубика своим цветом обязаны антоцианам. Клеточный сок листьев и стеблей гречихи, краснокочанной капусты, листьев и корнеплодов столовой свеклы, молодая красная кора эвкалипта, красные осенние листья также содержат антоцианы. Больше всего антоцианов накапливают растения в местностях с суровыми климатическими условиями (Арктика, высокогорные луга), а также ранневесенняя флора. Антоцианы поглощают свет в ультрафиолетовой и зеленой областях спектра. Поглощенная энергия частично превращается в тепло, повышая на 1—4° С температуру листьев, пестиков, тычинок. Это создает более благоприятные условия как для фотосинтеза, так и для оплодотворения и прорастания пыльцы в условиях пониженных температур. 

У высокогорных растений антоцианы, поглощая избыток солнечной радиации, защищают хлорофилл и наследственный аппарат клетки от повреждений. Несомненно, яркая окраска цветков и плодов играет большую роль в привлечении насекомых-опылителей и в распространении плодов. Интересно, что «антоциановые» растения обладают повышенной стойкостью к загрязнению воздуха кислыми газами промышленных предприятий.

Поступая в организм человека с фруктами и овощами, антоцианы проявляют действие, сходное с действием витамина Р: они поддерживают нормальное состояние кровяного давления и сосудов, предупреждая внутренние кровоизлияния. Образуя комплексы с радиоактивными элементами, антоцианы способствуют быстрому выведению их из организма. Кроме того, эти пигменты способны улучшать зрение.

1.4 Антоцианы в качестве индикатора

Пигменты многих растений способны изменять цвет в зависимости от кислотности клеточного сока. Поэтому растительные пигменты являются индикаторами, которые можно применять для исследования кислотности других растворов. Общее название природных пигментов флавониды. В эту группу входят каротиноиды, ксантофиллы, антоцианы, соответственно определяющие желтую, оранжевую, красную, синюю, фиолетовую окраску растений.

Антоцианы - природный индикатор.

Антоцианы – это природный краситель из группы флавонидов.

Известно большое количество объектов, богатыми антоцианами. Это малина, клубника, земляника, вишня, слива, краснокочанная капуста, черный виноград, свекла, черника, голубика, клюква и многие другие.

Антоцианы придают фиолетовый, синий, коричневый, красный или оранжевый цвета плодам. Такое многообразие объясняется тем, что цвет изменяется в зависимости от баланса кислот и щелочей.

Антоцианы обладают хорошими индикаторными свойствами: в нейтральной среде приобретают пурпурную окраску, в кислой среде – красный цвет, в щелочной среде – зелено-желтый цвет.

Антоцианы очень часто определяют цвет лепестков, плодов и осенних листьев. Они обычно придают фиолетовую, синюю, коричневую, красную окраску. Эта окраска часто зависит от рН клеточного содержимого, и потому может меняться при созревании плодов, отцветании цветков в процессах, сопровождающихся закислением клеточного сока.

Многие считают, что цвет осенних листьев (включая красный цвет) просто результат разрушения хлорофилла, который маскировал уже имевшиеся желтые, оранжевые и красные пигменты (каротиноид, ксантофилл и антоциан, соответственно). И если для каротиноидов и ксантофиллов это действительно так, то антоцианы не присутствуют в листьях до тех пор, пока в листьях не начнет снижаться уровень хлорофиллов. Именно тогда растения начинают синтезировать антоцианы.

К сожалению, почти у всех природных индикаторов есть серьезный недостаток: их отвары довольно быстро портятся – скисают или плесневеют. Другой недостаток – слишком широкий интервал изменения цвета. При этом трудно или невозможно отличить, например, нейтральную среду от слабокислой или слабощелочную от сильнощелочной.

Индикаторы позволяют быстро и достаточно точно контролировать состав жидких сред, следить за изменением их состава или за протеканием химической реакции.

Антоцианы – это биофлавониды, придающие плодам фиолетовую, синюю, коричневую, красную окраску.

Так как антоцианы обладают хорошими индикаторными свойствами, то их можно применять как индикаторы для идентификации кислотной, щелочной или нейтральной среды, как в химии, так и в быту.

1.5 Способы модификации цвета у растений

Широко распространенными в растительном мире красящими веществами являются и антоцианы. В отличие от хлорофилла они не связаны внутри клетки с пластидными образованиями, а чаще всего растворены в клеточном соке, иногда встречаются в виде мелких кристаллов. Антоцианы легко извлечь из любых синих или красных частей растения. Если, к примеру, прокипятить нарезанный корнеплод столовой свеклы или листья краснокочанной капусты в небольшом количестве воды, то скоро она окрасится от антоциана в лиловый или грязно-красный цвет. Но достаточно к этому раствору прибавить несколько капель уксусной, лимонной, щавелевой или любой другой кислоты, как он сразу же примет интенсивную красную окраску.

Почему же этот краситель является таким многоликим? Дело в том, что антоциан в зависимости от того, в какой среде он находится (в кислой, нейтральной или щелочной), способен быстро изменять свой оттенок. Соединения антоциана с кислотами имеют красный или розовый цвет, в нейтральной среде – фиолетовый, а в щелочной – синий.

Поэтому в соцветиях медуницы лекарственной можно одновременно найти полураспустившиеся цветки с розоватым венчиком, расцветшие – пурпуровой окраски и уже отцветающие – синего цвета. Это обусловлено тем, что в бутонах клеточный сок имеет кислую реакцию, которая по мере распускания цветков переходит в нейтральную, а потом и в щелочную. Подобные изменения окраски лепестков наблюдаются и у цветков жасмина комнатного, незабудки болотной, синюхи голубой, льна обыкновенного, цикория обыкновенного и сочевичника весеннего. Возможно, такие «возрастные» явления в цветке частично связаны и с процессом его оплодотворения. Имеются сведения, что насекомые-опылители у медуницы посещают только расцветшие розовые и пурпурные цветки. Но только ли окраска венчика при этом служит для них ориентиром?

Естественные красители содержатся не только в цветках, но и в других частях растений, играя многостороннюю роль. Взять хотя бы не бросающуюся в глаза окраску клубней картофеля. У клубней картофеля различная окраска кожуры, глазков, проростков и мякоти также зависит от содержания в них фенольных соединений, иначе называемых биофлавоноидами. Они имеют разнообразную гамму красок: белую, желтую, розовую, красную, синюю, темно-фиолетовую и даже черную. Картофель с черной окраской кожуры клубней растет на его родине на острове Чилоэ. Различная окраска картофельной кожуры и мякоти зависит от содержащихся в них следующих биофлавоноидов: белая – от бесцветных лейкоантоцианов или катехинов, желтая – от флавонов и флавоноидов, красная и фиолетовая – от антоцианов.

Откуда же осенью появляются антоциан и ксантофилл? Оказывается, что в зеленых листьях деревьев с самого начала их жизни одновременно содержатся и хлорофилл, и антоциан (или ксантофилл). Однако антоциан и ксантофилл имеют менее интенсивную плотность окраски, поэтому они становятся заметными только после того, как под воздействием определенных условий окружающей среды произойдет разрушение зерен хлорофилла. В ноябре – декабре, когда образование хлорофилла сдерживается недостатком солнечного света и его неполным спектром, у комнатных роз молодые побеги и распускающиеся листья имеют ярко-красный цвет. При ярком солнечном освещении они сразу стали бы зелеными.

Весь процесс, обеспечивающий создание в растениях различных цветов, на первый взгляд может представиться весьма простым. Однако существующие в природе многочисленные расцветки и тона являются результатом сложного взаимодействия основных пигментов в различных сочетаниях со средой. Зависят они и от порядка размещения естественных красителей в растительных тканях.

Глава 2. Практическая часть

2.1 Подготовка к эксперименту

Все исследования были проведены в лабораторных условиях.

Цель: изучить химические свойства антоцианов.

Материалы и оборудование: 11шт.пробирок, ступка, пестик, керамическая ложка, мерный стакан, воронка, индикаторная бумага, гранатовый сок.

Растворы: HCL, CH₃COOH, H3PO4, вода, K2CO3, H₃BO₃, Ba(OH)2, NН3, мыло, NaOH.

2.2 Ход работы

1. Разрежем гранат на пополам и извлечем зерна граната.
2. Переложим зерна в ступку и пестиком давим зерна, выделился сок, и керамической ложкой переложим сок граната в мерный стакан.
3. Разольем концентрированный сок в 4 пробирки. Оставшийся концентрированный сок разбавим с водой и разольем в 7 пробирок.
4. Затем поочередно нужно добавлять растворы в следующей последовательности:

1 пробирка – концентрированный сок+ HCL – цвет стал ярко-красным;

2 пробирка – разбавленный сок+ уксусная кислота – цвет стал чуть ярче;

3 пробирка – разбавленный сок+ H3PO4 – цвет стал чуть ярче;

4 пробирка – концентрированный сок+ вода – цвет стал ярко-розовым;

5 пробирка – разбавленный сок+ K2CO3 – цвет стал бурый;

6 пробирка – разбавленный сок+ борная кислота – цвет стал бледно-розовым;

7 пробирка – разбавленный сок+ Ba(OH)2 – цвет стал серо-розовый;

8 пробирка – разбавленный сок+ HN3 – цвет стал ярко-красным;

9 пробирка – разбавленный сок+ мыло – цвет стал пастельно-розовый;

10 пробирка – концентрированный сок+ NaOH – цвет стал темно-фиолетовый;

11 – пробирка концентрированный сок без добавления растворов.

Наблюдая за реакциями, сделаем выводы, что при добавлении щёлочей сок приобретает зелёный и темно-фиолетовый оттенок, а при добавлении кислоты цвет изменяется на красные и ярко-красные цвета.

 В результате, можно утверждать, что в каждом растворе из соков присутствуют антоцианы, а это говорит об их натуральности.

2.3 Выводы по работе

Таким образом, в ходе исследований приходим к следующим выводам:

1. Антоцианы присутствуют в гранатовом соке, о чём свидетельствует изменение окраски при воздействии на неё растворов кислоты и щелочи;

2. Определённой кислотности среды соответствует свой цвет раствора антоцианов;

3. Существуют методы анализа сырья, в ходе которого возможно установить наличие антоцианов в растворе.

Заключение

Таким образом, можно убедиться, что антоцианы играют огромную роль в жизни не только растений и животных, но и в жизни человека. «Земля смеется цветами»,- говорил Ральф Уолдо Эмерсон. Поэтому любите мир вокруг нас. И тогда он приоткроет вам свою завесу тайн.

Список литературы

Батурицкая Н.В., Фенчук Т.Д - Удивительные опыты с растениями.

Карабанов И. А. - Флавоноиды в мире растений

Артамонов В.И. - «Занимательная физиология растений»

Ольгин О. - «Опыты без взрывов»

П. Эткинс - «Молекулы»

http://foodandhealth.ru/komponenty-pitaniya/antociany/ - Антоцианы https://ru.wikipedia.org/wiki/Антоцианы - Антоцианы

http://www.neboleem.net/antociany.php - Антоцианы

http://edaplus.info/food-components/anthocyanins.html - Компоненты питания. Антоцианы http://zoneplanet.ru/antociany-polza/ - 8 Причин съесть антоцианы! В каких продуктах они содержатся?

http://elementy.ru/nauchno-populyarnaya_biblioteka/431905 - Антоцианы: секреты цвета http://www.novostioede.ru/article/chto_takoe_antotsiany_i_gde_ikh_nayti/ - Что такое антоцианы и где их найти?

http://bestfleur.ru/blogs/statii-o-zvetah/kak-izmenit-zvet-zvetov – Как изменить цвет цветов

http://elementy.ru/kartinka_dnya/410/Antotsiany - Антоцианы

http://biofile.ru/bio/19420.html - Флавоноидные пигменты, их структура и свойства

http://www.xumuk.ru/encyklopedia/337.html - Антоцианы

Приложение