Weird Science

Nieco inne wskaźniki

Poniższy arty­kuł został opu­bli­ko­wany pier­wot­nie w cza­so­pi­śmie dla nau­czy­cieli Che­mia w Szkole (2/2022):

Ilustracja

Ples M., Nieco inne wskaźn­iki, Che­mia w Szkole, 2 (2022), Agen­cja AS Józef Szew­czyk, str. 44-47

Każda dzie­dzina nauki – nawet najt­rud­niej­sza do zro­zu­mie­nia dla sza­rego czło­wieka lub bar­dzo her­me­tyczna – posiada w zakre­sie wyko­rzy­sty­wa­nych przez nią pojęć czy metod takie, które z jakichś powo­dów zdo­łały w mniej­szym lub więk­szym stop­niu prze­nik­nąć do pow­szech­nej świa­do­mo­ści, czyli do umy­słów ludzi nie­ko­niecz­nie związa­nych z tym tema­tem. Ma to często związek z będącymi udzia­łem pra­wie nas wszyst­kich prze­ży­ciami szkol­nymi. W przy­padku mate­ma­tyki będą to na przy­kład trud­no­ści w posłu­gi­wa­niu się try­go­no­me­trią lub rów­na­niami kwa­dra­to­wymi, jeśli cho­dzi o mate­ma­tykę to często można usły­szeć choćby o zasa­dach dyna­miki New­tona. Co mogli­by­śmy wska­zać, poza wyko­ny­wa­niem cie­ka­wych doświad­czeń (a czę­ściej ich bra­kiem), w zakre­sie che­mii? Myślę, że jed­nym z takich tema­tów będzie odczyn śro­do­wi­ska czy raczej jedna z jego skal (pH), obecna nawet z rekla­mach tele­wi­zyj­nych, a często bar­dzo słabo rozu­miana.

Skala pH jest ilo­ściową skalą kwa­so­wo­ści i zasa­do­wo­ści wod­nych roz­two­rów związ­ków che­micz­nych. Jest oparta na aktyw­no­ści jonów wodo­ro­wych H+ w roz­two­rach wod­nych. Czy­sto for­mal­nie pH defi­niuje się jako ujemny loga­rytm dzie­siętny aktyw­no­ści katio­nów wodo­ro­wych aH+, co możemy zapi­sać jako

pH = –log10[aH+]

Pojęcie pH wpro­wa­dził do che­mii duński bio­che­mik Søren Søren­sen w 1909 roku. Ory­gi­nal­nie pH zostało zde­fi­nio­wane jako ujemny loga­rytm stęże­nia jonów wodo­ro­wych [1].

W czy­stej wodzie H2O cząsteczki ule­gają auto­dy­so­cja­cji, co pro­wa­dzi do pow­sta­wa­nia jonów H3O+ i OH-:

2H2O ⇌ H3O+ + OH-

Reak­cja ta jest, jak widać, odw­ra­calna; jej rów­no­waga jest sil­nie prze­su­nięta w lewo, czyli w stronę two­rze­nia cząsteczki wody. Stęże­nie jonów H3O+ w czy­stej wodzie w temp. 25°C wynosi 10−7 mol/dm3, a jej pH jest równe 7 (–log1010−7). Ponie­waż w czy­stej wodzie stęże­nie jonów wodo­ro­wych i wodo­ro­tle­no­wych jest takie samo, ma ona odczyn obo­jętny (pH=7). W roz­two­rach o pH niższym niż 7 stęże­nie jonów wodo­ro­wych jest więk­sze niż wodo­ro­tle­no­wych i roz­twory takie mają odczyn kwa­sowy, nato­miast w roz­two­rach o pH wyższym od 7 więk­sze jest stęże­nie jonów wodo­ro­tle­no­wych, więc roz­twory takie mają odczyn zasa­dowy.

Dziś już dosyć pow­szech­nie wyko­rzy­sty­waną, a jed­no­cze­śnie dokładną metodą pomia­rów pH jest metoda poten­cjo­me­tryczna, którą nazywa się pH-metrią. Wyko­rzy­stuje się w niej fakt, że zgod­nie z teo­rią sfor­mu­ło­waną przez Nern­sta, siła elek­tro­mo­to­ryczna ogniwa o elek­tro­dach iden­tycz­nych, ale umiesz­czo­nych w roz­two­rach o różn­ych stęże­niach jonów hydro­nio­wych, jest pro­por­cjo­nalna do loga­rytmu sto­sunku tych stężeń. Dzięki temu zanu­rza­jąc jedną elek­trodę w roz­two­rze o zna­nym pH, a drugą w próbce, można na pod­sta­wie pomiaru siły elek­tro­mo­to­rycz­nej tak utwo­rzo­nego ogniwa dokład­nie usta­lić pH próbki.

W prak­tyce szkol­nej lub w prost­szych i nie wyma­ga­jących szcze­gól­nej dokład­no­ści pra­cach w labo­ra­to­rium zamiast pH-metrii wyko­rzy­stuje się wskaźn­iki kwa­sowo-zasa­dowe. W ten spo­sób okre­śla się sub­stan­cje (lub ich mie­sza­niny) zmie­nia­jące swoją barwę pod wpły­wem odczynu śro­do­wi­ska. Do sub­stan­cji takich zali­czamy choćby feno­lo­fta­le­inę C20H14O4 (bez­barwna w śro­do­wi­sku obo­jęt­nym lub umiar­ko­wa­nie kwa­so­wym, mali­nowa w zasa­do­wym), błękit tymo­lowy C27H30O5S (czer­wony w śro­do­wi­sku kwa­śnym, żółty w obo­jęt­nym, nie­bie­ski w zasa­do­wym) i inne.

Poza wspom­nia­nymi syn­te­tycz­nymi wskaźn­i­kami kwa­sowo-zasa­do­wymi możemy też wymie­nić wiele natu­ral­nych, jak choćby wyciąg z liści czer­wo­nej odmiany kapu­sty warzyw­nej gło­wia­stej Bras­sica ole­ra­cea, soku z owo­ców borówki czar­nej Vac­ci­nium myr­til­lus lub naparu her­ba­cia­nego.

Dziś chciałbym przed­sta­wić kilka innych, dużo sła­biej zna­nych i rza­dziej wyko­rzy­sty­wa­nych natu­ral­nych wskaźn­i­ków odczynu śro­do­wi­ska.

Doświad­cze­nie

Pierw­szą sub­stan­cją jaką się zaj­miemy będzie lak­mus. W tym miej­scu zapewne Sza­nowny Czy­tel­nik się zdziwi, dla­czego wymie­niam ten wskaźnik jako rzadko wyko­rzy­sty­wany. Prze­cież lak­mus i papie­rek lak­mu­sowy są wręcz pierw­szym, co przy­cho­dzi do głowy lai­kowi, gdy mówi się o sub­stan­cjach zmie­nia­jących barwę z zależn­o­ści od odczynu śro­do­wi­ska.

Jest to jed­nak zaszłość histo­ryczna, ponie­waż w dzi­siej­szych cza­sach wyko­rzy­sta­nie w roli wskaźn­ika natu­ral­nego lak­musu czy jego pochod­nych ma rolę raczej mar­gi­nalną. Często można jed­nak zau­wa­żyć pewne uogól­nia­nie – zda­rza się, że dowolny wskaźnik lub papie­rek wskaźn­i­kowy nasączony syn­te­tycz­nymi związ­kami che­micz­nymi nie­wiele mającymi wspól­nego ze wspom­nianą sub­stan­cją są nazy­wane lak­mu­so­wymi. Jest ro wyraźny błąd, a więk­szość z nas – nawet che­mi­ków – nie miała nigdy oka­zji widzieć lub wyko­rzy­sty­wać natu­ral­nego lak­musu. Inną sprawą jest to, że współcze­sne syn­te­tyczne wskaźn­iki często odz­na­czają się więk­szą czu­ło­ścią i trwa­ło­ścią niż lak­mus.

Natu­ralny lak­mus jest pro­duk­tem natu­ral­nym występu­jącym w wielu gatun­kach poro­stów Liche­nes. Typo­wym przy­kła­dem jest tu Roc­cella fuci­for­mis, występuja u wybrzeży Morza Śródziem­nego i Atlan­tyku [2].

Lak­mus nie jest poje­dyn­czym związ­kiem che­micz­nym, lecz raczej mie­sza­niną roz­pusz­czal­nych w wodzie barw­ni­ków. W for­mie sta­łej ma postac gra­na­to­wo­fio­le­to­wych gru­dek (Fot. 1).

Fot.1 – Natu­ralny lak­mus

Lak­mus sto­sun­kowo opor­nie roz­pusz­cza się w wodzie, ale wystar­czy nie­wielka grudka do przy­go­to­wa­nia kil­ku­dzie­sięciu mili­li­trów wskaźn­ika. W roz­two­rach o odczy­nie kwa­so­wym przyj­muje barwę czer­woną, zaś w roz­two­rach o odczy­nie obo­jęt­nym i zasa­do­wym – nie­bie­ską (Fot.2).

Fot.2 – Wodny roz­twór lak­musu; A – śro­do­wi­sko kwa­sowe, B – śro­do­wi­sko zasa­dowe
Ilustracja
Zmiany barwy roz­tworu lak­musu
ani­ma­cja: doda­tek autora

Zakres zmiany barwy wod­nego roz­tworu lak­musu wynosi w przy­bli­że­niu 5-8pH. Skład­niki odpo­wie­dzialne za zmiany barwy lak­musu zawie­rają chro­mo­for 7-hydrok­sy­fe­nok­sa­zo­nowy (Rys.1).

Ilustracja
Rys.1 – Wzór struk­tu­ralny 7-hydrok­sy­fe­nok­sa­zonu

Chro­mo­fo­rem nazy­wamy z kolei rejon cząsteczki, w którym ener­gia potrzebna do prze­nie­sie­nia elek­tronu między orbi­ta­lami jest w zakre­sie świa­tła widzial­nego. Świa­tło o okre­ślo­nych dłu­go­ściach fali, a więc też i bar­wie, pada­jące na chro­mo­for jest absor­bo­wane, co prze­nosi elek­trony z ich stanu pod­sta­wo­wego do stanu wzbu­dzo­nego. Świa­tło odbite jest więc zubo­żone o pewne barwy, co powo­duje pow­sta­nie wra­że­nia koloru. Nie dziwi więc też fakt, że zmiany struk­tu­ralne w obrębie chro­mo­foru (i nie tylko) mogą wpły­wać na zmianę barwy całej cząsteczki.

Mając na uwa­dze, że orga­ni­zmy, z których wytwa­rza się lak­mus nie wszędzie są dostępne, chciałbym opo­wie­dzieć także o innej sub­stan­cji wskaźn­i­ko­wej, jaką można pozy­skać z poro­stów występu­jących na obsza­rze całego naszego kraju.

Parie­tyna C16H12O5 to związek, budowa cząsteczki którego jest oparta na szkie­le­cie antra­chi­nonu C14H8O2. Struk­turę parie­tyny opi­suje Rys.2.

Ilustracja
Rys.2 – Wzór struk­tu­ralny parie­tyny

W warun­kach nor­mal­nych parie­tyna jest poma­rańczo­wo­żółtym cia­łem sta­łym. Jest obecna w tkan­kach niek­tórych roślin, np. w rabar­ba­rze kędzie­rza­wym Rheum rha­bar­ba­rum i szcza­wiu kędzie­rza­wym Rumex cri­spus. Więk­sze jej ilo­ści wytwa­rzają jed­nak pewne poro­sty.

Parie­tyna występuje szcze­gól­nie często u poro­stów z rodziny zło­to­ro­sto­wa­tych Telo­schi­sta­ceae. Jest domi­nu­jącym barw­ni­kiem ple­chy jaskraw­ców Calo­placa. Jako jeden z ważn­iej­szych związ­ków nada­jących barwę występuje u zło­to­ro­stów Xan­tho­ria, na których się sku­pimy.

Dosyć łatwym do zna­le­zie­nia przed­sta­wi­cie­lem inte­re­su­jących nas poro­stów jest zło­to­rost ścienny Xan­tho­ria parie­tina lub zło­to­rost pyszny Xan­tho­ria ele­gans. W Pol­sce są one pospo­lite na tere­nie całego kraju - ten drugi występuje jed­nak czę­ściej w górach i na wyży­nach. Są też kosmo­po­li­tyczne - żyją na wszyst­kich kon­ty­nen­tach poza Antark­tydą. Bytują na korze drzew oraz krze­wów, na ska­łach wapien­nych, a nawet beto­nie [3]. Na beto­no­wym pło­cie ota­cza­jącym mój ogród można zna­leźć wiele oka­zów zło­to­ro­stu nale­żącego do jed­nego ze wspom­nia­nych gatun­ków (Fot.3).

Fot.3 – Poro­sty na beto­no­wym ogro­dze­niu; żółta strzałka – zło­to­rost Xan­tho­ria sp., czarna strzałka – inny porost

Ciało tego poro­stu ma postać list­ko­wa­tej lub nie­re­gu­lar­nej ple­chy. W jej struk­tu­rze – obok kom­po­nentu grzy­bo­wego - występują liczne glony z gatun­ków Tre­bo­u­xia arbo­ri­colaTre­bo­u­xia irre­gu­la­ris. Ple­cha osiąga sze­ro­kość naj­czę­ściej 2-10cm i jest przy tym jest głęboko wci­nana. Ści­śle przy­lega do pod­łoża, cho­ciaż można zau­wa­żyć, że brzegi deli­kat­nie się wzno­szą.

Do doświad­czeń wystar­czy naprawdę nie­wielka ilość ple­chy – nie należy nigdy nisz­czyć całego orga­ni­zmu, ponie­waż wzrost poro­stów jest powolny. Parie­tynę można wyek­s­tra­ho­wać z poro­stów na różne spo­soby, jed­nak naj­prost­szym jest silne ucie­ra­nie - pomaga nie­wielki doda­tek pia­sku kwar­co­wego - nie­wiel­kiej ilo­ści ple­chy zło­to­ro­stu (dosłow­nie kilka cm2, Fot.4) z kil­ku­na­stoma mili­li­trami alko­holu ety­lo­wego C2H5OH lub izo­pro­py­lo­wego C3H7OH.

Fot.4 – Ple­cha zło­to­ro­stu w moździe­rzu por­ce­la­no­wym

Po utar­ciu alko­hol zabar­wia się na kolor żółty, z deli­kat­nym zie­lo­nym odcie­niem pocho­dzącym naj­praw­do­po­dob­niej od nie­wiel­kich ilo­ści chlo­ro­filu (Fot.5).

Fot.5 – Po utar­ciu

Uzy­skany mace­rat należy prze­nieść na sączek i zebrać kla­rowny prze­sącz zawie­ra­jący parie­tynę (Fot.6). W śro­do­wi­sku zasa­do­wym lub obo­jęt­nym barwa roz­tworu jest żółta, zaś po zakwa­sze­niu zmie­nia się na czer­woną.

Fot.6 – Wyciąg ze zlo­to­ro­stu; A – śro­do­wi­sko zasa­dowe i obo­jętne, B – śro­do­wi­sko kwa­sowe

Co cie­kawe, parie­tyna dodat­kowo jest także flu­o­re­scen­cyj­nym wskaźn­i­kiem kwa­sowo-zasa­do­wym [4]. Można się o tym łatwo prze­ko­nać oświe­tla­jąc próbkę roz­tworu lampą UV lub lase­rem półp­rze­wod­ni­ko­wym o nie­bie­skiej (raczej fio­le­to­wej) bar­wie świa­tła (Fot.7).

Fot.7 – Flu­o­re­scen­cja po oświe­tle­niu roz­tworu lase­rem; A – śro­do­wi­sko zasa­dowe i obo­jętne, B – śro­do­wi­sko kwa­sowe

W śro­do­wi­sku zasa­do­wym i obo­jęt­nym parie­tyna wyka­zuje bar­dzo silną żółtą flu­o­re­scen­cję po wzbu­dze­niu świa­tłem fio­le­to­wym lub ultra­fio­le­to­wym – obja­wia się to jako świe­cąca smuga na dro­dze świa­tła z lasera (Fot.7A). Po zakwa­sze­niu flu­o­re­scen­cja słab­nie i zmie­nia kolor na różowy. W rze­czy­wi­sto­ści żółta flu­o­re­scen­cja parie­tyny wła­ści­wie wtedy zanika i staje się zau­wa­żalna słab­sza flu­o­re­scen­cja nie­wiel­kich ilo­ści chlo­ro­filu (Fot.7B).

Zostawmy teraz poro­sty i skie­rujmy swoje zain­te­re­so­wa­nie na króle­stwo roślin Plan­tae. Kli­to­ria Cli­to­ria to rodzaj roślin z rodziny bobo­wa­tych Faba­cae. Obej­muje co najm­niej kil­ka­dzie­siąt gatun­ków, występu­jących dziko w stre­fie tro­pi­kal­nej i sub­tro­pi­kal­nej [5], z kil­koma przed­sta­wi­cie­lami sięga­jącymi swym zasięgiem do strefy kli­matu umiar­ko­wa­nego.

Inte­re­su­jącą sprawą jest nazwa rodza­jowa oma­wia­nych roślin. Cha­rak­te­ry­styczny wygląd kwia­tów, podob­nych - nawet bez zbyt­niego anga­żo­wa­nia wyo­braźni - do kobie­cych zew­nętrz­nych narządów płc­io­wych, był powo­dem nada­nia rodza­jowi nazwy nau­ko­wej pocho­dzącej od łacińs­kiej nazwy łech­taczki cli­to­ris. Warto zau­wa­żyć, że także wiele nazw ludo­wych tych kwia­tów w różn­ych języ­kach ma podobne odnie­sie­nia. Pierw­sza nazwa bota­niczna została zapro­po­no­wana przez pocho­dzącego z Gdańska przy­rod­nika Johanna Phi­lippa Breyna w 1678 jako flos cli­to­ri­dis ter­na­ten­si­bus. Miano Cli­to­ria zostało usta­lone przez Karola Lin­ne­u­sza w 1753. Co cie­kawe, z powo­dów oby­cza­jo­wych kil­ka­krot­nie postu­lo­wano zmianę tej nazwy, np. na Vexil­la­ria EatonNau­chea Desco­ur­tilz (obie pro­po­zy­cje zostały doko­nane w pierw­szej poło­wie XIX wieku), jed­nak nie spot­kało się to z akcep­ta­cją [6].

Z naszego punktu widze­nia naj­bar­dziej przy­dat­nym i łatwo dostęp­nym surow­cem będą suszone kwiaty kli­to­rii ter­na­teńs­kiej Cli­to­ria ter­na­tea, których płatki mają piękną nie­bie­ską barwę (Fot.8).

Fot.8 – Suszone kwiaty kli­to­rii ter­na­teńs­kiej

Ten gatu­nek kli­to­rii zna­lazł zasto­so­wa­nie w prze­my­śle spo­żyw­czym, jako natu­ralny i bez­pieczny barw­nik do żyw­no­ści. Doda­jąc suszone płatki kwia­tów kli­to­rii do naparu możemy uzy­skać smaczną her­batę o intry­gu­jącym kolo­rze.

Chcąc zba­dać przy­datne wła­ści­wo­ści wskaźn­i­kowe barw­ni­ków kli­to­rii musimy przy­go­to­wać wodny wyciąg z jej kwia­tów. Jest to mało skom­pli­ko­wana czyn­ność – wystar­czy wrzu­cić kilka suszo­nych kwia­tów do lekko ogrza­nej wody, która już po chwili inten­syw­nie się zabarwi (Fot.9).

Fot.9 – Przy­go­to­wa­nie wod­nego wyciągu z kli­to­rii

Po odsącze­niu kwia­tów możemy wypróbo­wać wła­ści­wo­ści naparu. Otóż oka­zuje się, że zmiany barwy są w tym przy­padku szcze­gól­nie wido­wi­skowe: w śro­do­wi­sku obo­jęt­nym ciecz jest inten­syw­nie nie­bie­ska (Fot.10A), po zakwa­sze­niu staje się różo­wo­czer­wona (Fot.10B), a po zmia­nie odczynu na zasa­dowy zie­lona (Fot.10). Zmiany barwy są odw­ra­calne – o ile nie zasto­su­jemy zbyt stężo­nych kwa­sów lub zasad, które mogą dopro­wa­dzić do degra­da­cji samego barw­nika.

Fot.10 – Wła­ści­wo­ści wskaźn­i­kowe naparu z kli­to­rii; A – śro­do­wi­sko obo­jętne, B – śro­do­wi­sko kwa­sowe, C – śro­do­wi­sko zasa­dowe
Ilustracja
Zmiany barwy naparu z kli­to­rii
ani­ma­cja: doda­tek autora

Myślę, że przed­sta­wione doświad­cze­nia i obser­wa­cje mogą posłu­żyć jako argu­ment, że zaw­sze warto roz­glądać się za nowymi roz­wiąza­niami. Mogą one uro­z­ma­i­cić pro­ces dydak­tyczny, a w efek­cie uła­twić zain­te­re­so­wa­nie naszych słu­cha­czy, co jest dla nich począt­kiem zro­zu­mie­nia tematu.

Epi­log

Pisząc ten arty­kuł chcia­łem zwrócić uwagę Czy­tel­nika, że nawet przy bar­dzo skrom­nych środ­kach – kosz­tem nie­wiele więk­szym niż poświęce­nie chwili czasu na rozej­rze­nie się wokół i zasta­no­wie­nie – można zdo­być mate­riały dające możl­i­wość prze­pro­wa­dze­nia wielu inte­re­su­jących doświad­czeń. Przy­znam, że dla mnie oso­bi­ście wła­śnie tego rodzaju doświad­cze­nia i ich efekt dydak­tyczny są źródłem naj­więk­szej satys­fak­cji

Zachęcam Czy­tel­nika, by prze­pro­wa­dził wła­sne doświad­cze­nia i w razie potrzeby odpo­wied­nio je zmo­dy­fi­ko­wał według swo­ich pomy­słów.

Lite­ra­tura:

Wszyst­kie foto­gra­fie i rysunki zostały wyko­nane przez autora

W powyższym tek­ście doko­nano nie­wiel­kich zmian edy­tor­skich w sto­sunku do wer­sji opu­bli­ko­wa­nej w  cza­so­pi­śmie, w celu uzu­pełn­ie­nia i lep­szego przy­sto­so­wa­nia do pre­zen­ta­cji na stro­nie inter­ne­to­wej.

Marek Ples

Aa