Flowers change colour: effect of alkalis and acids on plant dyes

Обнаружив ошибку на странице, выделите ее и нажмите Ctrl + Enter

Pulmonaria mollis flowers: treatment with ammonia and hydrochloric acid - pt.1

Many parts of various plants (flowers, fruits, stems, leaves, roots etc.) are painted in different colours. They contain pigments, many of which are acid-base indicators. Those pigments are able to change colour depending on the pH of the medium. Among plant pigments, the colour of which is sensitive to acids and bases, one should first of all name - anthocyanins (anthocyans), these substances belong to a wider group of flavonoids.

Such plants (or its parts) can be used for demonstration chemical experiments. E.g., many flowers are changed their colour during treatment by ammonia, hydrochloric acid, vinegar, washing soda etc.

But the same processes take place into living plants also. The same pigment(s) in the same plant can have different colour due to change of pH (in living tissue). Examples of such plants are Pulmonaria mollis and Hydrangea.

Pulmonaria mollis can have flowers of the different colours in the same plant (red, blue and purple colour). In gaseous ammonia its flower become blue and in atmosphere of hydrogen chloride the flowers of Pulmonaria mollis become red.

Окрашенные в разные цвета части растений - цветы, плоды, стебли, листья и т.д. содержат пигменты, многие из которых являются кислотно-основными индикаторами. Т.е. они способны менять цвет в зависимости от рН среды. Среди растительных пигментов, цвет которых чувствителен к кислотам и основаниям, следует, прежде всего, назвать антоцианы (антоцианины), данные вещества относятся к более широкой группе флавоноидов.

Эксперименты по изменению цвета можно проводить, как с целыми растениями или их частями, так и с настойками, соками, вареньями, винами и т.п. Поскольку запретить растения пока не догадались, данные эксперименты являются общедоступными. В качестве кислот и оснований для изменения рН можно использовать соляную кислоту, аммиак, соду (карбонат или гидрокарбонат натрия), уксус, лимонную кислоту, щелочные моющие средства и многие другие.

Часто под действием кислоты один и тот же цветок (или другой объект) приобретают один цвет, под действием основания - другой. Если повезет, переходов цвета при плавном изменении рН (от кислого к щелочному) может быть не два, а несколько, пример, - краснокочанная капуста.

Red cabbage juice at different pH (home experiment)

Такие опыты уже были несколько раз описаны в журнале [1]. Кроме доступности всего необходимого можно упомянуть также простоту проведения и эстетическое наслаждение от изменения привычного цвета растений. Обычно цветы или листья помещают в пары аммиака или соляной кислоты, подвешивая их в сосуде над соответствующими жидкостями. Прямой контакт с данными растворами нежелателен, т.к. аммиак, а особенно - сильные кислоты со временем разрушают и пигменты, и сами ткани растений. Обработанные аммиаком, а особенно - соляной кислотой цветы недолговечны. С ними как нельзя более актуальна фраза: "Спешите видеть!"

В случае соков, отваров, настоек и т.п. кислотные или щелочные реагенты добавляют в них непосредственно. Иногда такие эксперименты получаются сами собой - неожиданно и незапланированно.

Например, в качестве реагентов могут вступать простая водопроводная вода или щелочные моющие средства. Если мыть банку с остатками варенья из черной смородины, то из красного варенья при контакте с водопроводной водой получается серо-фиолетовый раствор. Тот же эффект наблюдается, если размешать ложку варенья в чашке воды из-под крана (а кипяченной воды - еще лучше). Варенье - кислое, а водопроводная вода имеет слабощелочную реакцию. Кипяченная вода - более щелочная, чем исходная водопроводная. Аналогичный эффект наблюдается с вишневым вареньем, красным вином, некоторыми соками и т.д. Еще более щелочную реакцию имеют моющие средства, содержащие соду или трифосфат натрия (средний фосфат натрия) - именно такими средствами моют посуду, которая может содержать остатки еды с антоцианинами. В результате наблюдается изменение цвета.

Как-то прочитал, что изменение окраски растительных пигментов при изменении рН может происходить не только "в пробирке", а непосредственно в природе - в живых растениях. В процессе роста и развития растений рН тканей может меняться, и при этом растение продолжают себя прекрасно чувствовать - в отличие от цветов, обработанных аммиаком, которые могут стать коричневыми через несколько минут.

В некоторых случаях изменение окраски живого растения в процессе его развития происходит за счет изменения состава/соотношения пигментов: например, зеленые листья осенью желтеют, зеленые плоды перца дозревают и становятся красными, зеленые яблока краснеют, сливы - становятся синими... Но в нашем случае пигменты остаются теми же, меняется рН окружающих их растительных тканей, что приводит к изменению окраски пигментов.

В частности, приводится пример Медуницы мягкой (Pulmonaria mollis), - травянистого растения, цветы которого на одном и том же растении имеют разный цвет: красный, сиреневый и синий.

Определенно, я это растение встречал (или родственное ему), помнил даже, что цветы на нем: то красные, то сиреневые, то синие. Было это давно, но на днях нашел растение на новом месте (прямо по дороге на работу!).

Сначала - просто сфотографировал на телефон, взять фотоаппарат не было возможности (в противном случае пришлось бы отложить эксперименты с металлическим алюминием).

Но плакать по поводу качества фото не было времени. Неожиданно возник вопрос:

- А можно ли доверять биологам???

Они точно меряли рН красных, сиреневых и синих цветов Медуницы мягкой или просто возвели гипотезу в ранг установленного факта без какой-либо проверки?

Ответ в подобных случаях универсальный. Это один из фундаментальных научных принципов:

- Не доверяй и перепроверяй!

Собирать цветы, приготовить из них настои на дистилляте (красные цветы отдельно, сиреневые - отдельно, синие - отдельно) и проверить их рН? Это - наиболее строгий подход. Проблема в том, что цветов было совсем мало. Поэтому пришлось упростить эксперимент. Поместить цветы Медуницы мягкой: одну порцию - в пары аммиака, другую - в пары соляной кислоты. Аммиак должен изменить окраску цветов на синюю, а соляная кислота - на красную.

Для фиксации - слабая камера телефона. Видео снимать не пытался, благо, в нашем случае можно обойтись и фотографиями.

Сорвал две веточки Медуницы мягкой (Pulmonaria mollis) с разноцветными цветами, одна - для обработки аммиаком, другая - соляной кислотой.

Для начала налил на дно стакана немного концентрированного раствора аммиака. Взял веточку с красными цветами подвесил ее на нитке. Проблема была, как накрыть стакан, но решил, что это необязательно: слишком высокая концентрация аммиака не только ускорит переход окраски цветов, но и ускорит дальнейшее ее разрушение.

Как и ожидал, цветы вскоре стали синими, причем не моментально (как индикаторная бумажка, опущенная в раствор), а постепенно - участок за участком. Диффузия аммиака происходит быстро, но не мгновенно (плюс, необходимо некоторое количество аммиака, чтобы нейтрализовать содержащиеся в растительных тканях вещества, реагирующие со щелочами).

А потом случилось - "как всегда". Точнее "как часто бывает". Окраска цветов стала светло-синей, а потом - стала сменяться на белую - аммиак разрушал пигмент. Тоже не моментально, а пятнами. Вскоре цветы стали белыми, такими они и остались даже через значительное время после обработки аммиаком (т.е., испарение аммиака из цветов не восстановило цвет пигмента).

Для обработки концентрированной соляной кислотой (парами) взял веточку с синими и сиреневыми цветами. Налил кислоту в стакан, подвесил в стакане цветы. В отличие от аммиака, соляная кислота давала туман, капельки которого оседали на стенках стакана, мешая наблюдению. Все равно было видно: синие и сиреневые цветы стали красными. Тоже не моментально, а участок за участком. Вынул цветы из стакана еще до полного перехода окраски, т.к. опасался, что в тумане соляной кислоты они проживут недолго.

Итак, под действием аммиака цветы Медуницы мягкой (Pulmonaria mollis) стали синими, потом - белыми (пигмент обесцветился), а под действием паров соляной кислоты цветы стали красными. Это подтверждает предположение, что пигменты цветов изменяют свой цвет прямо в растущем растении из-за разного рН среды (в тканях лепестков).

Позже прочитал, что окраска различных цветов может изменяться не только в процессе развития растения (который влечет изменение рН в тканях), но и по ряду других причин. Иногда окраска цветов зависит от кислотности грунта: рН почвы может влиять на окраску цветов произрастающих на ней растений. Как известно, рН грунтов не является константой и меняется в значительных пределах: почвы могут быть кислыми и щелочными.

Сначала я решил, что рН грунта непосредственно влияет на рН тканей растения, что в ряде случаев вызывает изменения характерного цвета пигментов цветов. Оказывается, что зависимость более сложная. Например, декоративное растение Гортензия (Hydrangea) может цвести розовым, синим или сиреневым цветом [2]. Для получения синих цветов нужен грунт с более низким рН (т.е. более кислый) и с достаточным содержанием алюминия. Для розовых/сиреневых цветов - более щелочной грунт (рН должен быть выше) с низким содержанием алюминия. Причем именно высокий рН грунта уменьшает доступность алюминия для растений (элемент переходит в нерастворимую форму), даже если алюминий содержится в грунте в доставочных количествах.

Даже в одном и том же месте рН почвы может меняться по естественным причинам, например, в зависимости от количества осадков. Садоводы могут регулировать кислотность грунта за счет режима полива, внесения удобрений и специальных добавок, а также ряда других факторов.

Одним растениям это безразлично: они растут на разных грунтах (либо не растут), но не меняют окраску цветов. А для некоторых растений окраска цветов чувствительна к составу грунта. В частности, для Гортензии (Hydrangea) в статье [2] рекомендуют сначала провести тесты грунта, чтобы установить рН и содержание алюминия. Кислый грунт и достаточное содержание алюминия означают, что растение будет цвести синим, а в более щелочной грунте при дефиците алюминия Гортензия даст розовые цветы.

А что, если нужно наоборот?

Например, если вы хотите получить синие цветы, а грунт слишком щелочной и имеет дефицит алюминия. Для понижения рН растение поливают разведенным уксусом, другой вариант - использовать кислые удобрения. В случае дефицита алюминия в почве растение поливают небольшим количеством сульфата алюминия. Главное не перестараться. Сульфат алюминия необходимо добавлять небольшими количествами на протяжении сезона - передозировка может повредить корни. В результате Гортензия будет цвести не розовым, а синим.

Если грунт кислый и богат алюминием, а вам необходимы розовые цветы, рН грунта повышают с помощью извести или трифосфата кальция.

Внесение удобрений, извести, разведенного уксуса или добавок алюминия осуществляют на всю площадь корневой системы. Переход от одной окраски цветов к другой происходит далеко не моментально.

__________________________________________________
¹ См., подборку статей Опыты с растениями и насекомыми. Природные вещества / Experiments with Plants and Insects. Natural Products [link]

² Heather Rhoades. Hydrangea Color - How Do I Change The Color Of A Hydrangea.
https://www.gardeningknowhow.com/ornamental/shrubs/hydrangea/change-hydrangea-color.htm

Symphytum asperum and Echium vulgare: pink flowers turn blue - pt. 1a

Symphytum asperum is a flowering plant that has flowers of two different colours: pink and blue. At first the flowers are pink later they turn lilac (pink-purple) then blue. Probably the coluor changes due to a change in the pH of the plant tissues.

Later, I accidentally saw that the flowers of another plant, Echium vulgare, also behave in the same way. The flowers of Echium vulgare are pink at first, then turn lilac, and then blue.

Чуть позже по дороге на работу заметил еще одно растение, цветы которого изначально розовые (в то время, когда бутоны распускаются) в процессе развития становятся сиреневыми (розово-фиолетовыми) и, наконец, голубыми. По-видимому, причина изменения цвета такая же, как и в случае Pulmonaria mollis: пигменты лепестков изменяют цвет в результате изменения pH растительных тканей (в процессе распускания цветков).

Сфотографировал, попробовал идентифицировать с помощью ресурса https://identify.plantnet.org/ (автоматическое распознание). Оказалось - Symphytum asperum / Живокіст шорсткий / Окопник жесткий - многолетнее лекарственное, кормовое и сорное растение. В качестве кормового растения листья Symphytum asperum по питательности не уступает клеверу. Родина растения - Азия, в Европе и Северной Америке Symphytum asperum считается инвазивным видом и может быть сорняком.

Позже я случайно обнаружил, что аналогично ведут себя и другое растение - Echium vulgare (Синяк звичайний / Синяк обыкновенный). В начале распускания бутонов цветы Echium vulgare розовые, в процессе распускания они становятся сиреневыми, в конце - голубыми. Эффект изменения цвета в процессе распускания цветов Echium vulgare выражен более наглядно, чем в случае предыдущего растения (Symphytum asperum).

Как и в предыдущем случае, я не знал, как называется данное растение, поэтому воспользовался программой для автоматического распознания видов по фотографиям, которая, хоть не без проблем, но позволила идентифицировать, что это Echium vulgare / Синяк звичайний / Синяк обыкновенный.

Название "Синяк обыкновенный" не может не нравиться, поэтому немного прочитал про данное растение. Оказывается, что все части Echium vulgare / Синяка обыкновенного ядовиты: они содержат яд, аналогичный кураре, - циноглоссин, а также сильный нервный яд - консолидин. Несмотря на это, растение используется в народной медицине (боже, помилуй пациентов...) и является ценной медоносной культурой.

Какие можно сделать выводы? Наблюдательность - замечательная вещь, но одной наблюдательности недостаточно - нужны знания. С девства замечал, что разные цветы на одном и том же растении могут иметь разный цвет, но тогда я не знал об изменении окраски растительных пигментов в зависимости от рН, - поэтому красные и синие цветы на одном и том же стебле не очень привлекали мое внимание.

Более того, всем известно, что даже разные части/участки одного и того же цветка могут иметь разную окраску. Равно, как и цветы разной окраски могут появляться на одном и том же растении (не только красные и синие цветы: например, мак с розовым цветком на основном побеге и белым - на ответвленном). Это может быть обусловлено наличием в них разных пигментов (или разным соотношением пигментов). Красиво, только с химической точки зрения - не очень интересно. Зато изменение окраски с розовой на синюю в процессе распускания цветов - совсем другое дело: тут мы имеем изменение окраски пигментов, обусловленное изменением рН в процессе развития растительных тканей.

Чем хороши электронные статьи? Их можно не только исправлять (если всплывет какая-то ошибка), но и дополнять - если появится новый интересный материал. Авторы бумажных статей и книг были лишены такой привилегии - только вождя успел похвалить, как он уже стал "врагом народа", а изменить написанное - было очень и очень трудно:

Lamium purpureum flowers: treatment with ammonia and hydrochloric acid - pt.2

Flowers of Lamium purpureum (Red dead-nettle) were put in the atmosphere of ammonia as well as in the atmosphere of hydrogen chloride. The purple flowers became blue then grey-green in ammonia and red in vapours of hydrochloric acid. The colour change in different parts of the petals was not the same.

После экспериментов с цветами Медуницы мягкой (Pulmonaria mollis) решил продолжить опыты по действию кислот и щелочей на пигменты растений, причем снять видео - в надежде, что изменение окраски пигментов цветов удастся запечатлеть в динамике. Естественно, повторяться нежелательно, поэтому для следующего раза выбрал другой объект. Вдоль дороги растет травянистое растение с пурпурными цветами.

Все цветы были одного цвета - не двух или нескольких (в отличие от Медуницы мягкой), но это не проблема. Почти наверняка пигмент(ы) данного растения изменят цвет и при действии паров аммиака, и при действии паров соляной кислоты (я догадывался, какой будет конечная окраска, только свои предположения пока оставил при себе).

Хорошо, но какой это биологический вид? Сначала думал, что растение называется по-украински Собача кропива (досл. - "собачья крапива"), по-русски - Пустырник (лат. - Leonurus L.), лекарственное растение, настойка которого используется в качестве успокоительного средства. В растении я не уверен, но с его настойкой был знаком с ранних лет. Школа - ужас, который отбирает у нас детство, а вместе с ним - много нервных клеток, поэтому приходилось использовать настойку пустырника по прямому назначению.

Leonurus L.

Посмотрел в сети фотографию Пустырника - растение знакомое, оказалось, что я много раз его встречал - целые заросли Пустырника, но это не оно. Вспомнил, что наше растение называют не Собача кропива, а Глуха кропива ("глухая крапива"), стал искать фото - да, оно. Только существуют разные разновидности, наша называется Lamium purpureum - Глуха кропива пурпурова, или (ru) - Яснотка пурпурная.

Lamium purpureum

Проблема номер два. Пока растение обильно цвело, я был занят экспериментами с алюминатом калия. Разумеется, их можно было отложить, но не хотелось оказаться в положении человека, который гонится за двумя зайцами. Поэтому продолжил эксперименты с соединениями алюминия, понимая, что Lamium purpureum не будет цвести вечно.

Когда дошли руки до экспериментов с растениями, Lamium purpureum уже отцветала, количество цветов на растениях уменьшилось, а те, что были, - опадали. Еле успел.

На дно стакана на 350 мл налил немного концентрированного раствора аммиака. Подвесил внутри побег Lamium purpureum с пурпурными цветами (так, чтобы он был над раствором, не касаясь жидкости). Только позже понял, что нужно было обрезать листья - они частично закрывали цветы.

Пурпурные цветы постепенно, зона за зоной, становились синими. Один из участков (каждого цветка) окрасился в желтый. Извлек растение из стакана, снял немного видео, вернул растение в стакан с парами аммиака.

Синим цветом с желтыми участками изменения цвета пигментов не закончились. Синие цветы начали становиться серо-зелеными. Этот процесс также происходил неравномерно: одни зоны еще оставались пурпурными (первоначальный цвет лепестков), другие - стали синими, третьи - уже приобрели серо-зеленый цвет. Переходы между зонами разных цветов были не резкими, а плавными. Таким образом, цветы приобрели сине-серо-зеленый цвет с желтыми (и исходными пурпурными) участками.

Во втором эксперименте налил на дно стакана концентрированную соляную кислоту, поместил в стакан новое растение Lamium purpureum с пурпурными цветами. Сразу же стала заметна визуальная разница между концентрированными растворами аммиака и соляной кислоты. Раствор аммиака - внешне неотличим от воды (если не нюхать), а соляная кислота сразу же дала едкий белый туман в стакане. Капельки тумана не только оставались в воздухе - они оседали на стенки стакана, мешая наблюдению (стенки быстро "запотели" изнутри).

(Стакан я взял другой, не тот, в котором был аммиак: белый туман/дым внутри стакана дали именно мельчайшие капельки соляной кислоты, а не частички хлорида аммония, зато дым хлорида аммония образовался в самом помещении, где все еще оставались пары аммиака).

Вскоре цветы стали краснеть. Процесс этот также был очень неравномерным. Изменением цвета дело не ограничилось: от газообразного хлороводорода и капелек соляной кислоты лепестки цветов стали разрушаться - непосредственно растительные ткани. Не удивительно: целлюлоза подвергается деструкции в сильнокислых средах - идет гидролиз до меньших фрагментов, а потом - до глюкозы. Лигнин и белки - также гидролизуются сильными кислотами. Поэтому не стал дожидаться полного изменения окраски с пурпурной на красную, иначе был риск, что лепестки цветов разрушатся. Поместил рядом три стебля растения: обработанный аммиаком, обработанный соляной кислотой и необработанный (исходный).

Оказалось, что пигмент(ы) цветов Lamium purpureum имеют удивительную стойкость к действию аммиака в то время как пигменты многих других цветов быстро разрушаются аммиаком, нередко - еще до полного перехода окраски.