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

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

Strawberry, nitric acid, baking soda and ammonia (plant pigments colour change) - pt.6

After a series of experiments with flowers, we used berries for the same purpose: to demonstrate the colour changes of plant pigments as the result of pH changes.

Chopped strawberries were mixed with distilled water to obtain a suspension ("a pasta" - partial homogenization). The liquid was divided into three parts. A concentrated ammonia solution was added to the first part.

The red-orange liquid became dark, burgundy-brown. A saturated sodium bicarbonate solution was added to the second part of the strawberry suspension. The liquid turned burgundy (lighter than previous one). A concentrated nitric acid was added to the third part of the liquid. The liquid colour did not change.

An excess of concentrated nitric acid was added to the first and second parts of the liquid (to neutralize ammonia or sodium bicarbonate). Both liquids returned to their original red-orange colour.

I hope that the colour changes in the next experiments would be more beautiful.

Большинство экспериментов с растительными пигментами я проводил с цветами - действуя на ними разными кислотами и основаниями. Разумеется, другие части растений также содержат пигменты, которые способны изменять цвет в зависимости от рН среды. Например, цветы клубники белые, зато спелые ягоды - красные. Есть даже название цвета "клубничный". И сейчас - как раз сезон.

Красные, спелые ягоды клубники мелко порезал, смешал с дистиллированной водой. Вода окрасилась в красно-оранжевый цвет. Интенсивность окраски была недостаточной, поэтому попытался раздавить кусочки клубники ложкой, чтобы достичь более полной гомогенизации. Получалось плохо. Оказалось, что удобнее всего превращать клубнику в пасту ладонями (проще было бы взять блендер, но у меня его не оказалось).

Пасту разделил на три стакана. В правый добавил концентрированный раствор аммиака, в левый - концентрированную азотную кислоту, в средний - насыщенный раствор бикарбоната натрия (гидрокарбонат натрия, питьевая сода). В стакане с аммиаком раствор стал темным, цвет - неопределенный, скорее всего - бордово-коричневый, в стакане с гидрокарбонатом натрия раствор стал также бордовым, более светлым (чем в случае аммиака). Зато при добавлении азотной кислоты цвет клубники почти не изменился.

Отобрал немного раствора из правого стакана (в него был добавлен аммиак), и прилил этот раствор к дистиллированной воде (чтобы можно было лучше разглядеть цвет). По-моему, цвет - бордово-коричневый.

Потом в стакан, куда я добавил аммиак, стал постепенно прибавлять концентрированную азотную кислоту. Результатом стал белый дым нитрата аммония (выглядит так же, как и дым хлорида аммония). Цвет раствора вернулся к исходному цвету клубники (красно-оранжевый). Цвет кусочков клубники (которые плавали в жидкости) тоже вернулся к исходному, но не моментально, а через несколько минут: диффузия ионов водорода требует времени.

Стал добавлять азотную кислоту в стакан с клубникой и гидрокарбонатом натрия. Началось активное выделение газа с бурным образованием пены (пожалел, что для соды взял меньший стакан - пена вытекла из стакана). После нейтрализации соды раствор в стакане также приобрел исходный вид.

Из клубничного цвета мы получили бордово-коричневый, потом снова - клубничный. Тоже интересно, но надеюсь, что в следующий раз будет что-то покрасивее.

Red onion, ammonia, nitric acid and acetic acid - pt.7

Red onions (also known as purple onions) are often used in cooking, but for our purpose the most interesting thing is their colour. The violet epiderma is loaded with anthocyanins which give them their colour. Anthocyanins can change their colours at different pH values of the solution, for example, after adding of ammonia or hydrochloric acid.

In the first experiment three pieces of freshy scales (leaf bases) of a red onion were placed in three beakers. A concentrated aqueous ammonia was added in the first beaker, tap water was added in the second beaker (control sample) and concentrated nitric acid was added into the third.

In the ammonia solution, violet surface of the freshy scale of the onion turned green and then yellow, but this process was slow and occurred only at the radge of the piece (also in the places where the surface was mechanically damaged). The ammonia solution became green then yellow. Green colour is explained by changing of pH (the plant dye behaves an acid-base indicator). Such colour change is reversible (if excess of an acid is added to lower pH, the colour will turn).

But I think that the yellow colour is the result of an oxidation of the plant dye by air oxygen in alkaline medium. Adding of an excess of nitric acid did not change the yellow colour of the solution (therefore, the dye lost its properties of an acid-base indicator).

In the nitric acid, violet surface of the onion became red, the solution itself turned brown. The colour change was also slow.

In tap water, violet surface of the onion did not change.

In all cases, the diffusion of chemicals into the plant tissue was rather slow. Therefore, the conditions of the experiment were changed. A thin violet epiderma was separated from freshy scales of the onion. These thin violet films were used in the following experiments.

The violet films turned green very quickly - even in an atmosphere of an ammonia vapours. Of course, the ammonia solution caused the same effect. Glacial acetic acid was added to the green films - as quickly as possible. The films and the solution became red/pink. In this case the plant dye behaved as a reverse acid-base indicator.

When the violet films were placed into concentrated nitric acid, the colour of the films and the solution turned brown (probably, a destruction of the dye took place).

*****

Обычно я употребляю в пищу "желтый" или "белый" репчатый лук - просто привык. Луковицы фиолетового цвета у нас также продают (и довольно часто), но я не думал, что кроме цвета есть разница во и вкусе (потом оказалось, что есть: фиолетовый лук - менее горький). Растение заинтересовало меня только тогда, когда коллега написал:

"Некоторые продукты я люблю есть вприкуску с репчатым луком. Например, пельмени. Лук можно предварительно замариновать в столовом уксусе (vinegar), хотя бы минут 10 - 30, так вкуснее.

Попалась луковица с сиреневыми прожилками. И уксус окрасился в розовый цвет, не догадался сфотографировать."

Т.е., фиолетовый лук - еще один ~~субъект~~ объект для экспериментов c с растительными пигментами (а именно - экспериментов по изменению их окраски при разных рН среды). Купил фиолетовый лук в ближайшем магазине и решил попробовать действие аммиака и азотной кислоты на его пигмент(ы).

Оказалось, что красно-фиолетовой является только внешняя кожура луковицы (сухая чешуя). Мякоть же была преимущественно белой за исключением тонкой фиолетовой пленочки - эпидермы поверх каждой сочной чешуи лука (специально посмотрел ботанику - так называются внутренние концентрические чешуйки луковицы).

Строению луковицы я не придал значения, но потом выяснилось, что для нашего эксперимента это важно. Структура луковицы сильно влияет на ход эксперимента, а именно - на его наглядность. (А для демонстрационных экспериментов "наглядность - наше все").

Для начала очистил луковицу от сухой чешуи и вырезал 3 кусочка сочной чешуи. С внешней стороны они были фиолетовыми, с внутренней - белыми. Поместил кусочки в 3 стакана. В первый налил концентрированный раствор аммиака, во второй - водопроводную воду, в третий - концентрированную азотную кислоту (~60-70%).

Таким образом, в первом стакане была щелочь, в третьем - сильная кислота, второй стакан служил для контроля (сравнения). Точнее, не только для сравнения: водопроводная вода имеет слабощелочную реакцию, и я надеялся, что она тоже изменит окраску луковицы (а, если нет, - будет просто сравнение).

Вот чего я опасался, - образования дыма. Соседство концентрированных аммиака и азотной кислоты могло послужить причиной того, что помещение заполнится белым дымом нитрата аммония. Думал даже использовать вместо азотной кислоты разбавленную серную. Как ни странно, простое накрывание стаканов крышками уменьшило образование дыма до приемлемого (переносимого) уровня.

Потом оказалось, не того я опасался. Время шло, а фиолетовые чешуйки лука не менялись. Почти. В стакане с аммиаком раствор медленно изменил цвет на зеленый. Сама чешуя стала зеленеть только с краев и в местах повреждений.

В стакане с кислотой чешуя постепенно стала красной (сначала - отдельные зоны, потом - вся), а раствор - желто-коричневым.

Чешуя, опущенная в водопроводную воду, так и не изменилась на протяжении всего опыта.

Причину я понял быстро: диффузия аммиака и азотной кислоты в окрашенные растительные ткани затруднена. На то она и эпидерма, чтобы защищать организм от проникновения посторонних веществ извне. А изнутри (с другой стороны) под эпидермой лежал толстый слой белой мякоти.

В стакане с аммиаком позеленевшие участки луковицы стали желтеть. С таким явлением я много раз сталкивался: растительные пигменты под действием аммиака сначала изменяют цвет, выступая в роли кислотно-основных индикаторов (например, красные пигменты становятся синими или зелеными), а потом - разрушаются - при этом цвет необратимо меняется на желтый или коричневый.

Основная часть сочной чешуи - все еще фиолетовая, по периметру (и в местах повреждений) цвет зеленый, а с самого края - уже желтый.

Вынул сочную чешую из стаканов с аммиаком и азотной кислотой - решил изменить эксперимент. Для этого снял с новой чешуи тонкий фиолетовый слой эпидермы и погрузил его в аммиак. Точнее, попытался - НЕ успел!

Тонкая фиолетовая пленка моментально стала зеленой ДО того, как я погрузил ее в аммиак: хватило действия паров аммиака, как только я поднес пленочку к горлышку стакана. Зато участок пленки (эпидермы) с неотделенный слоем белой мякоти так и остался фиолетовым: в растворе он зеленел медленно и преимущественно с краев.

Было четко видно, как зеленый пигмент переходит в раствор. Кстати, пока я снимал фиолетовый эпидермис с чешуйки луковицы ножом, пальцы стали фиолетовыми - стало очевидно, что теперь пигмент доступен для действия реагентов, и было совсем неудивительно, почему эпидерма так быстро изменилась в газообразном аммиаке.

Проблема в том, что момент перехода окраски фиолетовой пленки не попадал на камеру, поскольку я снимал раствор аммиака (низ стакана), а сам переход происходил над горлышком стакана, еще и в момент движения пленки. Отодвигать камеру - не совсем вариант, поскольку будет хуже видно.

Поздно я понял, что камера должна находиться близко, но ее поле зрения камеры должно быть НАД стаканом. Пришлось переснимать.

В аналогичных экспериментах с концентрированной азотной кислотой пленка становилась коричневой при контакте с кислотой, коричневым становился и раствор. Там, где позади эпидермы остался слой мякоти, переход происходил гораздо медленнее.

Вернемся к экспериментам с аммиаком. Проблему медленной диффузии мы решили, но осталась еще одна проблема: зеленый раствор в стакане стал желтым. Я ведь опускал пленки эпидермы лука в аммиак не только, чтобы заснять изменение окраски, но и для того, чтобы получить зеленый щелочной раствор пигмента лука, а потом добавлять в него кислоту, наблюдая за изменением окраски.

После перехода зеленой окраски в желтую должно образоваться вещество, которое уже не обладает свойствами индикатора. Проверил. Перелил раствор в больший высокий стакан и добавлял порциями концентрированную азотную кислоту - выделялся белый дым, слышалось шипение, раствор стал горячим. Когда запах аммиака исчез, а универсальная индукторная бумага при контакте с раствором стала красной (т.е., раствор - сильнокислый рН<1), добавление азотной кислоты прекратил. Раствор, как был, так и остался желтым.

Предполагаю, что в среде аммиака пигмент окислился кислородом воздуха. Антоцианы - природные полифенолы, в полифенолы легко окисляются кислородом в щелочной среде, примеры: резорцин, пирогаллол и гидрохинон.

Hydroquinone oxidation

Более того: антоцианы (и вообще флавоноиды) - известные природные антиоксиданты. Т.е., вещества, способные препятствовать окислению важных биологических молекул (ценой собственного окисления, разумеется). На овощеводческих сайтах фиолетовый лук (red onion) как раз и хвалят за то, что его окраска обусловлена антоцианами, которые не просто придают луку красивый вид, но полезны для здоровья и защищают наш организм от свободных радикалов. Насчет защитного действия - не уверен (в биологических системах не все так просто), но что антоцианы способны легко окисляться - факт. А, что продукты их окисления уже не проявляют свойств кислотно-основных индикаторов, - весьма вероятная догадка.

Сосредоточился на аммиаке. Как сделать так, чтобы пигмент фиолетового лука не окислялся кислородом в аммиачном растворе ДО того, как с ним удастся провести эксперимент. Пришлось еще раз изменить технику эксперимента. Отделил фиолетовую пленку от чешуек лука в достаточном количестве и прилепил ее к внутренним стенкам стакана. В стакан по каплям стал добавлять аммиак. Фиолетовая эпидерма быстро стала зеленой, желто-зеленым стал и раствор аммиака, который собрался на дне стакана.

Теперь - момент истины - быстро, пока пигмент в сильнощелочной среде не разрушился, добавить кислоту! Какую?

Азотная кислота скорее всего разрушает фиолетовый пигмент лука (как и аммиак), поэтому выбор пал на ледяную уксусную кислоту.

Быстро добавил в стакан ледяную уксусную кислоту - так, чтобы она стекла по стенкам стакана с позеленевшей эпидермой лука. Большая часть зеленой эпидермы стала розовой. На дне некоторое время продолжалась реакция аммиака с кислотой (шипение и белый дым), после чего и здесь раствор стал розовым. Точно, как с луковицей, замоченной в уксусе, с которой мы и начали статью.

Вероятно, часть пигмента (под действием аммиака и кислорода) все-таки успела перейти в желтую форму, которая не меняет цвет под действием кислот, поэтому цвет раствора был не чисто-розовым, но это - детали.