Tajemnice pe-ha (pH). 4. Wskaźniki z lasu i ogrodu
Stosowany jest do produkcji papierków lakmusowych: naturalnych (w kolorze jasnofioletowym, nasyconych roztworem samego lakmusu), czerwonych do wykrywania zasad (lakmus wstępnie potraktowany kwasem) oraz niebieskich - służących do stwierdzenia obecności kwasów (lakmus zmieszany z zasadą). Papierek lakmusowy trwale odbarwia się pod wpływem chloru i służy również do wykrywania jego obecności (podobnie zachowują się inne barwniki naturalne).
W zależności od źródła pochodzenia, preparaty lakmusu wykazują nieco inne zabarwienie, przyjmowane w środowisku o tym samym pH. Taka właśnie zmienność naturalnych produktów, czasem trudna do przewidzenia, była jednym z impulsów rozwoju chemii. Początkowo alchemicy, a później chemicy, wyodrębniając substancje czynne z roślin, zwierząt i minerałów, rozpoczęli produkcję leków, barwników i innych użytecznych substancji, których właściwo- ści stały się ogólnie znane i powtarzalne.
Chemiczne mieszanie barw
Niektóre kolory powstają ze zmieszania innych barw. Czy jednak można, łącząc czerwień z czerwienią, otrzymać barwę niebieską (oraz czerwoną - mieszając kolor niebieski z niebieskim)? Każdy z pewnością odpowie, że nie. Ale nie chemik, dla którego będzie to łatwe zadanie. Potrzeba tylko roztworów kwasu oraz zasady, wskaźnika czerwieni Kongo i papierków lakmusowych - czerwonego i niebieskiego.
W jednej zlewce sporządzamy roztwór o odczynie kwasowym, a w drugim naczyniu - zasadowym. Czerwień Kongo (1) zmienia barwę zawartości na niebieską (kwas) i czerwoną (zasada). Barwy są zupełnie "odwrócone" w stosunku do papierków wskaźnikowych, które w kwasach przyjmują zabarwienie czerwone, a w zasadach niebieskie. Gdy teraz zanurzymy w niebieskim roztworze niebieski papierek lakmusowy, zabarwi się on na czerwono, zaś czerwony papierek w czerwonym roztworze przyjmie barwę niebieską (2). Jak widać, dla chemika nie ma rzeczy niemożliwych!
Mimo obfitości różnego rodzaju laboratoryjnych wskaźników, czasem wystarczy skorzystać z substancji obecnych w naszym otoczeniu: lesie, ogrodzie czy też kuchni. Liczne produkty naturalne zmieniają barwę pod wpływem kwasów lub zasad. Na początek zatem nasza "chemiczna kuchnia" serwuje...
…czerwone buraczki
Do próby potrzebny będzie sok z buraków ćwikłowych. Możemy go wycisnąć z obranych warzyw lub użyć zalewy z przetworów. Sok rozcieńczamy wodą w proporcji 1:1. Roztwór w środowisku o odczynie kwasowym ma intensywnie czerwone zabarwienie, a w roztworze obojętnym i zasadowym barwa blednie, przechodząc w żółty odcień (w silnie zasadowym sok staje się brunatny) (3). Kulinarne porady nakazują dodać do czerwonego barszczu nieco octu lub soku z cytryny, co powoduje, że zupa ma apetyczny wygląd. Również skropienie sałatki z buraczków ćwikłowych sokiem z cytryny nada jej krwistoczerwoną barwę. Smacznego!
Substancja odpowiedzialna za wynik eksperymentu to betanina. Jest ona stosowana jako barwnik spożywczy, oznaczony symbolem E 162. Betaniny używa się do barwienia galaretek, dżemów, jogurtów, napojów oraz kosmetyków. Barwnik jest wrażliwy na światło i podwyższoną temperaturę, co sprawia, że zawierające go produkty nie mogą być poddawane dłuższej obróbce termicznej.
Coś z lasu i łąki
Choćby - czarne jagody. Potrzebny będzie sok ze świeżych owoców albo przetworów. Do próby również rozcieńczamy go wodą w proporcji 1:1. W środowisku kwaśnym roztwór jest czerwonofioletowy, ale po dodaniu zasady zmienia barwę na zieloną (4). Jagody to nie jedyne rośliny, których sok może pełnić rolę wskaźnika. Wyraźny efekt zmiany barwy uzyskamy również, stosując jeżyny, czarne porzeczki, aronię, winogrona (o czerwonym i fioletowym kolorze), wiśnie, rzodkiewki, rabarbar i wiele innych. Ich barwniki w środowisku kwasowym są przeważnie czerwone, w zasadowym niebieskie lub fioletowe. Przypomnijmy sobie, jak barwi się woda podczas mycia rzodkiewek w zlewie. Gdy pozostawimy mokre korzenie, wycieknie spod nich fioletowa ciecz. To barwnik zawarty w czerwonej skórce zmienił kolor w środowisku o odczynie zasadowym. Rozpuszczalny wodorowęglan wapnia Ca(HCO3)2 hydrolizuje, co sprawia, że pH wody wodociągowej jest większe od 7.
Również wiele kwiatów ma podobne barwniki. Aby je wydobyć, należy ich płatki zalać alkoholem. Do naszych celów wystarczy denaturat: bezbarwny lub odbarwiony (zmieszany ze sproszkowanym węglem aktywnym i następnie przesączony).
Całość odstawiamy na 1-2 dni. Postępowanie takie - nazywane maceracją - od wieków stosuje się w farmacji. Gotowy wyciąg mieszamy z wodą i traktujemy kwasem oraz zasadą. Doświadczenia udadzą się z płatkami róż, pelargonii, piwonii, polnych maków, hortensji, tulipanów, a także innych kwiatów.
Za zmianę kolorów odpowiadają związki zwane antocyjanami. Substancje te są bardzo szeroko rozpowszechnione w świecie roślin i nadają kwiatom oraz owocom zabarwienie od czerwonego do fioletowego. Barwa antocyjanów zależy od wielu czynników, nie tylko pH gleby, na której wegetuje dana roślina. Ważna jest również obecność w środowisku jonów metali tworzących połączenia kompleksowe z barwnikami. Na przykład chabry bławatki, rosnące na kwaśnym podłożu, mają nadal niebieskie płatki - antocyjany tworzą kompleks z jonami glinu i żelaza. Róże zawierające ten sam barwnik - ale niepołączony w kompleks - są czerwone. Antocyjany są barwnikami spożywczymi oznaczonymi symbolem E 163. Najczęściej otrzymuje się je w postaci ekstraktu ze skórek winogron i czarnej porzeczki. Używane są do barwienia produktów spożywczych i farmaceutyków.
Herbata z cytryną…
… ma, jak wiemy, bursztynowe zabarwienie. Ale wystarczy dodać do niej odrobinę roztworu zasady (oczywiście nie nadaje się wtedy do picia!), aby kolor od razu ściemniał (5). Po wprowadzeniu większej ilości zasady, barwa staje się brunatna, podobna dla mocnego naparu. Ten efekt wykorzystywany jest czasem przez "oszczędnych" restauratorów, serwujących gościom "cienką" herbatę z dodatkiem odrobiny sody oczyszczonej. Za zmianę barwy w tym przypadku odpowiadają pochodne taniny, nadające herbacie charakterystyczny cierpki posmak.
Pozostając w kuchni, sięgnijmy po przyprawę curry. Żółty kolor jej wodnej zawiesiny zmieni się na czerwony w środowisku zasadowym, za co odpowiada barwnik zwany kurkumą. Podobnie zachowają się mieszaniny przypraw zawierające ten składnik.
"Królowa" naturalnych wskaźników
Czyli - czerwona kapusta. W celu otrzymania roztworu wskaźnika kroimy na drobne skrawki 2-3 liście, wkładamy je do małego rondelka, zalewamy połową szklanki wody, przykrywamy pokrywką i stawiamy naczynie na kuchence. Po zagotowaniu, przez ok. 10 minut utrzymujemy wrzenie cieczy na małym ogniu. Gotowy wywar zlewamy do słoika i czekamy, aż ostygnie. Roztwór przechowujemy w lodówce. Metoda może się wydać Czytelnikom mało "laboratoryjna", nic zatem nie stoi na przeszkodzie, aby użyć zlewki przykrytej szkiełkiem zegarkowym zamiast rondelka. Mniej pracowici eksperymentatorzy mogą pójść na skróty i posłużyć się gotowym sokiem, z kupionego słoika z sałatką z czerwonej kapusty.
Naturalne wskaźniki pH
Pod wpływem zmian odczynu środowiska zróżnicowane barwy przybierają nie tylko związki używane w laboratoriach jako wskaźniki. Równie liczną grupę stanowią substancje występujące w produktach naturalnych. W kilku próbach sprawdzimy zachowanie wskaźników pH z naszego otoczenia. Do wykonania doświadczeń potrzebne będzie kilka roztworów o różnym pH. Otrzymamy je rozcieńczając kwas solny HCl (pH 3-4% roztworu wynosi 0) oraz roztwór wodorotlenku sodu NaOH (4% roztwór ma pH równe 14). Woda destylowana, której również użyjemy, posiada pH wynoszące 7 (środowisko obojętne). W badaniach wykorzystamy sok z czerwonych buraczków, sok z czerwonej kapusty, sok z czarnych jagód oraz napar z herbaty.
Do probówek zawierających sporządzone roztwory oraz wodę destylowaną wkraplamy odrobinę soku z czerwonych buraczków (fotografia 7). W roztworach kwaśnych przybiera on intensywnie czerwone zabarwienie, w roztworze obojętnym i zasadowym barwa staje się brunatna, przechodząc w żółty odcień (fotografia 8). Ten ostatni kolor jest efektem rozkładu barwnika w silnie alkalicznym środowisku. Substancja odpowiedzialna za zmiany koloru soku buraczanego, to betanina.
Zakwaszenie barszczu lub sałatki z buraczków jest kulinarną "sztuczką" nadającą potrawie apetyczną barwę. Próbę z sokiem z czerwonej kapusty wykonujemy w analogiczny sposób (fotografia 9). W roztworze kwaśnym sok barwi się jasnoczerwono, w obojętnym jest jasnofioletowy, a w zasadowym - zielony. Również w tym przypadku silna zasada powoduje rozkład barwnika - ciecz w probówce zabarwia się na żółto (fotografia 6). Substancje, które zmieniają kolor to antocyjany. Skropienie sałatki z czerwonej kapusty sokiem z cytryny nadaje jej atrakcyjny wygląd.
Kolejny eksperyment wymaga soku wyciśniętego z czarnych jagód (fotografia 10). Czerwonofioletowa barwa zmienia się na czerwoną w środowisku kwaśnym, w zasadowym staje się zielona, a w silnie alkalicznym - żółta (rozkład barwnika) (fotografia 4). Także i w tym przypadku antocyjany odpowiadają za zmiany koloru soku.
Napar z herbaty również może służyć jako wskaźnik odczynu roztworu (fotografia 11). W obecności kwasów barwa staje się słomkowożółta, w środowisku obojętnym jest jasnobrązowa, a w zasadowym - ciemnobrunatna (fotografia 5). Za zmianę barwy naparu odpowiadają pochodne taniny, nadające herbacie charakterystyczny cierpki posmak. Dodatek soku z cytryny powoduje znane wszystkim rozjaśnienie barwy naparu. Warto samodzielnie przeprowadzić próby także z innymi naturalnymi wskaźnikami - wiele soków i wywarów roślinnych zmienia barwę pod wpływem zakwaszenia lub zalkalizowania środowiska.
Do doświadczenia bierzemy roztwory o różnym pH, sporządzone w ubiegłym miesiącu do zbadania zmian kolorów oranżu metylowego. Po dodaniu do probówek z roztworami soku z kapusty, możemy podziwiać paletę barw naszego indykatora. Kolory zmieniają się od jasnoczerwonego w środowisku silnie kwaśnym, poprzez ciemnoczerwony i niebieski (odczyn słabo kwaśny, obojętny i słabo zasadowy) do zielonego w środowisku alkalicznym. W stężonych zasadach kolor staje się żółty, ale barwnik w tych warunkach ulega zniszczeniu (6). Zmienność barw wyciągu z czerwonej kapusty jest doprawdy imponująca - prawdziwy wskaźnik uniwersalny! Za widowiskowy efekt odpowiadają antocyjany.
Kapuściane papierki wskaźnikowe
Wykorzystajmy teraz wyciąg z liści czerwonej kapusty do wykonania własnych papierków wskaźnikowych. Nie ustępują one jakością produktom firmowym. Sporządzamy alkoholowy wyciąg z pociętych liści, mocząc je w bezbarwnym lub odbarwionym denaturacie (jeden liść w 50 cm3 alkoholu). Zakrytą kolbę z preparatem pozostawiamy w ciepłym miejscu na 1-2 dni lub ogrzewamy do temperatury ok. 50°C przez 30-60 minut (w łaźni wodnej, nie bezpośrednio palnikiem). W gotowym ekstrakcie zanurzamy arkusz bibuły filtracyjnej (lub innej równie wsiąkliwej), suszymy go w ciemnym miejscu i tniemy na paski. Teraz możemy już użyć naszych "papierków kapuścianych" do sprawdzenia odczynu roztworu.
O wyjątkowej czułości sporządzonych papierków najlepiej przekona doświadczenie. Potrzebna będzie woda destylowana lub otrzymana ze stopienia szronu z zamrażarki. Przegotujmy ją, w celu uwolnienia od rozpuszczonego powietrza (dwutlenek węgla CO2 powoduje spadek pH). Rozpuśćmy w wodzie nieco kwasu borowego H3BO3, a następnie zbadajmy odczyn powstałego roztworu: handlowym papierkiem uniwersalnym i naszym, "kapuścianym". Różnica jest wyraźnie widoczna: o ile firmowy papierek nie pokazał żadnej zmiany barwy, o tyle ten nasycony wyciągiem z kapusty zmienił kolor w roztworze bardzo słabego kwasu borowego.
Dlaczego zatem firmy chemiczne nie produkują papierków wskaźnikowych z - łatwo przecież dostępnej - czerwonej kapusty? Powodem jest (podobnie jak w przypadku innych produktów naturalnych), zmienność składu, a co za tym następuje - własności wyciągu. W zależności od warunków środowiskowych, w których rośnie kapusta, otrzymujemy preparat barwiący się na nieco inne odcienie przy tym samym pH. Roztwór nie jest ponadto trwały ze względu na zanieczyszczenia wyizolowanymi z komórek enzymami. Chemicy pozostaną zatem przy stosowaniu wskaźników będących czystymi substancjami.
Odcinek dzisiejszy kończy cykl poświęcony zagadnieniom odczynu roztworu oraz pH. Wykonane doświadczenia z pewnością pomogły wyjaśnić wiele wątpliwości związanych z tymi pojęciami. Mam też nadzieję, że zagadnienia dotyczące pH nie będą już... pechowe dla Czytelników "Młodego Technika".
