рН окружающего мира.

Муниципальное казённое образовательное учреждение «Гимназия №25»
Окружная междисциплинарная олимпиада «Ломоносовские чтения»
Номинация «Исследователь», естественно-научное направление
рН окружающего мира
Исполнители:
Волков Игорь, Порунов Иван, учащиеся 10А
класса МКОУ «Гимназия №25№», г.Ревда
Руководитель:
Шестеров Роман Борисович, учитель химии и
биологии.
Ревда, 2015
1
Содержание
Введение ................................................................................................................ 3
Понятие водородного показателя, шкала рН ..................................................... 4
Способы измерения рН ......................................................................................... 6
Результаты исследований ..................................................................................... 7
Выводы ................................................................................................................... 9
Список использованных источников .................................................................. 10
Приложения .......................................................................................................... 11
2
Введение
Одним из важнейших веществ на нашей планете является вода.
Огромные массы воды образуют океаны, озера, реки. Вода содержится в
недрах Земли в подземных источниках. Живые организмы более чем на 70%
состоят из воды. Вода – прекрасный растворитель, поэтому природные воды
и жидкости живых организмов являются растворами различных веществ. Все
водные растворы характеризуются величиной кислотности (щелочности) –
водородным показателем рН. От этой величины зависят свойства растворов,
направления протекания химических реакций, активность ферментов,
состояние живого организма. Поэтому нам показалось интересным
определить уровень рН различных объектов окружающего мира.
Перед началом работы мы поставили следующие цели: 1) определить
уровень рН различных продуктов питания, средств бытовой химии,
косметических средств; 2) на основании полученных результатов
сформулировать практические рекомендации по применению исследованных
растворов.
Перед нами также стояла задача освоения техники определения рН
различными способами.
Объектами наших исследований стали различные напитки, моющие
средства для тела, средства бытовой химии и некоторые химические
реактивы.
3
Понятие водородного показателя, шкала рH
Вода характеризуется такой величиной как ионное произведение воды
Kw = [H+][OH-]. Эта величина постоянна и при 22оС равна 10-14. Для водных
растворов это значит, что при увеличении концентрации ионов водорода во
столько же раз уменьшается концентрация гидроксид-ионов и наоборот.
Водородный показатель – это количественная характеристика уровня
кислотности среды. С точки зрения математики водородный показатель – это
отрицательный десятичный логарифм молярной концентрации водородных
ионов в растворе:
Это понятие было введено в 1909 году датским химиком Сёренсеном.
Показатель называется pH, по первым буквам латинских слов
potentiahydrogeni — сила водорода, или pondushydrogeni — вес водорода.
Для наглядного представления о кислотности среды пользуются шкалой
рН:
Усиление щелочности
1
2
3
4
5
6
8
7
9
10 11 12 13 14
Усиление кислотности
Растворы с рН=7 нейтральные, 5-6 – слабокислые, 1-2 – сильнокислые.
Если водородный показатель больше 7, то такие растворы имеют щелочную
реакцию: 8-9 – слабощелочные, 11-12 – сильнощелочные.
Величина рН растворов сильно влияет на протекание различных
процессов.
Например, раствор перманганата калия реагирует с раствором сульфита
натрия по-разному в зависимости от кислотности среды: в кислой среде
реакция идет с образованием бесцветного раствора сульфата марганца, в
нейтральной – с образованием бурого осадка двуокиси марганца, а в
щелочной перманганат восстанавливается до зеленого манганата.
От рН раствора зависит взаимопревращение хроматов в дихроматы и
наоборот. Так, в щелочной среде образуются желтые хроматы, которые при
подкислении раствора переходят в оранжевые дихроматы.
В разных отделах пищеварительного тракта человека разное значение
рН. Например, реакция слюны слабощелочная, в желудке кислая среда, а в
4
кишечнике – щелочная. От этого зависит активность пищеварительных
ферментов: пепсин, расщепляющий белки, активен в кислой среде, поэтому в
желудке начинают перевариваться белки, а вот липаза активна в щелочной
среде, и в кишечнике запускается процесс переваривания жиров.
На примерно постоянном значении около 7,35
наш организм
поддерживает рН важнейшего компонента внутренней среды – крови.
Постояноство среды обеспечивается несколькими буферными системами –
карбонатной, фосфатной, белковой. Эти буферные системы нейтрализуют
поступающие в кровь кислотные или щелочные продукты.
В процессе жизнедеятельности организма образуются как кислые, так и
щелочные продукты распада, причем первых образуется в 20 раз больше,
нежели вторых. Поэтому защитные системы организма, обеспечивающие его
кислотно-щелочное равновесие, настроены прежде всего на нейтрализацию и
выведение кислых продуктов распада.
В человеческом организме в различных органах водородный показатель
различен.
Принято считать, что нормальный показатель, то есть, как ещё говорят в
рекламе "нейтральный" pH кожи, составляет примерно 5,5. Но есть мнение,
что это совсем не так.
Наружный слой кожи – эпидермис имеет удивительное устройство. В
его основании, в базальном слое, образуются новые клеточки кожи. Их жизнь
напоминает миграцию лосося или развитие бабочек. Эти клетки постепенно
поднимаются вверх от основного базального слоя через шиповатый и
зернистый к роговому слою эпидермиса. При этом они растут, взрослеют и
сильно изменяются. На поверхности кожи клетки-кератиноциты
превращаются в роговые чешуйки-корнеоциты и отмирают. Об их
трагической судьбе знают все, особенно те, кто часто пользуется скрабами.
Так вот, кислотность этих не очень живых чешуек как раз и равна 5,5.
Но ведь интерес косметических средств сосредоточен совсем не на них! Тем
более что слои этих клеток составляют только 1 процент от всей толщины
кожи. Под ними находятся живые клеточные системы, которые нормально
функционируют только в нейтральной среде, когда pH близка к 7,0.
Аргументом к этой теории могут послужить такие данные
экспериментов. Из тысячи вариантов питательных сред для культур клеток
животных нет ни одной с величиной pH ниже 6,7. Если значения pH более
низкие, то клетки плохо делятся, снижается скорость синтеза белка и
нуклеиновых кислот. Иными словами, в условиях повышенной кислотности
клетки чувствуют явный дискомфорт. Вот такая точка зрения.
5
Способы измерения рН
Уровень кислотности среды можно определять различными способами.
Самый древний – органолептический. Например, мы можем с помощью
органов вкуса определить, что лимонный сок гораздо более кислый, чем
томатный, а чистая родниковая вода имеет нейтральную реакцию.
Можно использовать индикаторы. Например, бесцветный фенолфталеин
становится малиновым в растворах, рН которых более 8,2. Более точно рН
можно определить с помощью универсальных индикаторных бумажек.
Следует смочить бумажку исследуемым раствором и сравнить
получившуюся окраску с цветной шкалой. Так можно определить рН с
точностью до одной-двух единиц (фото 4).
Еще более точным является определение рН с помощью специальных
электродов, подсоединяемых к измерительному устройству, например, к рНметру или ноутбуку со специализированным ПО. Этот метод называется
потенциометрией и позволяет измерять рН с точностью до 0,05 единиц.
Уровень рН определялся нами с помощью оборудования и
программного обеспечения компании «Научные развлечения», в частности с
помощью комбинированных гелевых электродов, подсоединенных к нетбуку
с установленным программным обеспечением «Цифровая лаборатория»
(фото 2).
6
Результаты исследований
Нами исследовано более 40 растворов различных бытовых средств,
напитков и химических веществ (фото 2). Результаты измерений округлялись
до десятых. Моющие средства растворялись в воде, чай заваривался и по
остывании раствора производились измерения, для нерастворимых веществ
(например, мука, цемент) готовилась суспензия или водная вытяжка (для
почвы), химические реактивы также растворялись в воде.
№
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
Исследуемый объект
Напитки, продукты питания
Соль
Сахар
Мука
Приправа «Тмин»
Гранатовый сок
Мята
Чёрный чай «Green Field»
Газированный напиток «Pepsi»
Чёрный чай «Tess»
Зелёный чай «Green Field»
Моющие средства для тела
Мыло «Малышам»
Шампунь ополаскиватель «Avon»
Гель «Rexona for men»
Шампунь «Pamolive»
Шампунь «Маленькая фея»
Мягкий гель для умывания «Пропеллер»
Мыло «Dove»
Шампунь «Dove»
Крем-мыло «Чистая линия»
Гель «Palmolive»
Гель для душа «Camay»
Косметические средства
Крем после бритья «Oriflame»
Зубная паста «Aquafresh»
Лосьон «Advance Techniques»
Крем для рук «Garnier»
Гель для бритья «Gillette»
Очищающий крем для лица «Avon»
Скраб для лица «Clearskin»
Средства бытовой химии
Чистящий порошок «Everclean»
7
pH
6.6
8.1
6.9
5.6
3.2
5.2
5.6
2.2
5.0
4.5
8.9
5.3
6.1
6.2
5.8
6.3
6.8
6.7
6.6
5.2
6.5
6.8
6.3
4.5
6.8
9.2
5.3
4.2
10.8
30
31
32
33
34
35
36
37
38
39
40
41
42
43
44
45
46
47
48
49
Дезинфицирующее средство Domestos
Средство для мытья посуды «Миф»
Хозяйственное мыло
Средство для мытья посуды «Fairy»,
Средство для чистки духовок «Help»,
Белизна «Лада»
Чистящий порошок «Пемо-люкс»,
Химические вещества
Хлорид калия KCl
Соляная кислота HCl
Гидросульфат калия KHSO4
Нитрат алюминия Al(NO3)3
Карбонат натрия Na2CO3
Сульфат меди CuSO4
Хлорид аммония NH4Cl
Прочие объекты
Соль морская
Почва
Клей ПВА
Гуашь алая
Суспензия гипса строительного (алебастра)
Суспензия цемента
8
11.4
8.9
10.3
8.9
11.8
11.6
9.9
6.5
0.8
1.1
1.5
10.2
3.8
4.2
6.5
7.1
5.2
5.1
8.2
11.8
Выводы
Определив уровень рН нескольких напитков, мы сделали некоторые
заключения. Исследовав кислотность черного и зеленого чаев, кофе,
цикория, мы обнаружили, что цикорий с ромашкой и кофе имеют более
высокую кислотность, чем чай. А свежевыжатый лимонный сок имеет
рН=2,0, поэтому людям с заболеваниями желудочно-кишечного тракта,
вероятно, следует избегать его употребления. Высокий уровень кислотности
оказался и у напитка Pepsi.
Исследовав рН нескольких моющих средств для тела мы пришли к
выводу, что современные жидкие средства (шампуни, гели для душа и т.д.)
имеют рН близкий к рН кожи (нейтральная-слабокислая, 6,5-7,0). А вот
почти все исследованные мыла имеют щелочную реакцию. Например,
разбавленный раствор детского мыла «Малышам» имеет рН=8,9, а
концентрированный – 10,1. Особенно ярко щелочность проявляется у
хозяйственного мыла, поэтому следует избегать длительного контакта
раствора хозяйственного мыла с кожей, либо стирать в резиновых перчатках.
Полностью подтвердилась информация производителя на упаковке для
мыла Dove – раствор действительно нейтрален, и для геля Palmolive – рН
оказался равен 5,2, что в точности соответствует значению, указанному на
этикетке.
Применяя средства для удаления жира и нагара с духовок и кухонных
плит, следует помнить, что эти средства имеют сильнощелочную реакцию
(рН около 12). Это значит, что попадание средства на кожу или слизистые
может вызвать сильный ожог. Поэтому к предупреждению производителя,
что работать с препаратом следует в перчатках, надо относиться серьёзно.
Так же надо иметь ввиду, что в такой среде довольно быстро разрушаются
алюминиевые предметы, например, сковородки. Об этом производитель
предупреждает не всегда.
Измерив рН гипсовой и цементной суспензии мы сделали вывод, что
работать с цементными растворами, в отличие от гипсовых, надо только в
защитных средствах, избегая их попадания на кожу, так как цементный
раствор имеет сильнощелочную реакцию (рН=11,8).
В ходе работы мы научились определять рН различных растворов с
помощью инструментальных методов, определили кислотность среды
напитков, средств бытовой химии, косметических средств, сформулировали
некоторые практические рекомендации. Таким образом, цели и задачи
работы были достигнуты.
9
Использованные источники
1. Глинка Н. Л. Общая химия. — 24-е изд., испр. — Л.: Химия, 1985. —
702 с.
2. Химический энциклопедический словарь. – М.: Советская
энциклопедия, - 1983. – 792 с.
3. Скурихин И.М., Нечаев А.П. Все о пище с точки зрения химика: Справ.
издание. - М.: Высш. шк. 1991. - 288 с.: ил.
4. Збарский Б.И., Иванов И.И., Мардашев С.Р. Биологическая химия. – Л.:
Медицина, 1976. – 583 с.
5. Великие химики. Биографии. http://www.alhimik.ru/great/serensen.html
10
Приложения
Фото 1. К работе готовы
Фото 2. Объекты исследования
11
Фото 3. Ход работы
Фото 4. Измерение рН индикаторными бумажками
12