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

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

Salvia Splendens (''Red Salvia'') flowers, ammonia and hydrochloric acid - pt.8

In Ukraine, a bright red flowering plant is grown in flower beds. This flower is very common in our country as an ornamental plant. We call this plant "Chervona sal'viya" ("Red Salvia"), the biological name is Salvia Splendens. This species is native to Brazil but is grown in many other countries.

Salvia Splendens plants are usually grown in large groups, many bright red flowers look very beautiful - like a fire. Many years ago, I saw Salvia Splendens plants with dark blue flowers (maybe they were dark purple - I can't remember). Such plants of Salvia Splendens with dark blue flowers (instead of red ones) were very rarely found in our flower beds.

The red flowers of Salvia Splendens can be used for chemical experiments with plant dyes. The pigment(s) in these flowers is probably an acid-base indicator. Perhaps, the bright red colour will turn dark blue or dark purple in an atmosphere of ammonia? (I guess so, because there are Salvia Splendens plants with flowers of such colours).

A small amount of concentrated ammonia solution was poured in a glass. The red flowers were placed in the glass (suspended above the level of the solution). The red flowers of Salvia Splendens gradually turned dark purple.

Then these dark purple flowers (after the treatment with ammonia) were placed in an atmosphere of hydrochloric acid vapours. A thick smoke of ammonium chloride immediately formed. The dark purple flowers turned red. But this process was slow, the flowers were doused by hydrochloric acid to speed up the colour transformation. The plant tissues of the flowers were partially destructed by the strong acid.

***

С детства на клумбах встречал небольшое растение, которое у нас называют "Сальвия". Цветет оно огненно-красными цветами. Обычно сальвии сажают не по одиночке, а большими группами близко друг к другу, что создает неповторимое зрелище, когда вся клумба "горит" ярко-красным пламенем. Делают и композиции: на части клумбы сажают сальвии, а в других местах - растения, которые цветут обильно-синим или желтым или розовым цветом.

Кроме больших клумб красные сальвии высаживают также на небольших клумбочках, - по сути, в "больших цветочных горшках" - выглядит это также красиво.

Прекрасный кандидат для экспериментов с растительными пигментами: цветы ярко-красные, растет везде (в смысле - на клумбах) и в большом количестве! Уже "спал и видел", как помещу это растение в стакан с концентрированным раствором аммиака и красные цветы станут синими. Почему именно синими? Этого я знать не мог, но помнил, что среди сальвий с ярко-красными цветами редко попадаются и единичные растения, точно такие же по виду, только с ярко-синими цветами. Другой сорт или случайная мутация? Не знаю. Но это позволяет предположить, что красные цветы в щелочной среде станут синими.

Уже после экспериментов стал искать ботаническое название растения. Биология - не мое призвание, но биологический вид (или культурный сорт) необходимо знать точно, чтобы результаты экспериментов были сопоставимы.

На запрос "Red Salvia" гугл выдал картинки именно этого растения, но не только. Зато серьезных статей не было (о растении с таким названием) - продолжил поиск. Сначала решил, что это - Сальвия Ярко-красная (Salvia Coccinea, The Blood Sage, Scarlet Sage, Texas Sage, or Tropical Sage). Однако, вскоре выяснилось, что хоть данное растение и похоже на нашу сальвию, но внешний вид существенно отличается.

Оказалось, что правильный ответ - Salvia Splendens - Шалфей Сверкающий (Шалфей Блестящий) - растение рода Шалфей семейства Яснотковые. Родина - тропическая Бразилия, растение многолетнее, произрастает значительно выше уровня моря в условиях жаркого климата и высокой влажности. У нас - выращивается как однолетнее (не переносит зиму).

Большое преимущество сальвии в том, что она не считается чем-то ценным. Другими словами, если вы, например, попытаетесь сорвать на клумбе розу, - окружающие воспримут это как свинство (юридическим языком - хулиганство), но за несколько сальвий никто ничего плохого не подумает.

Эксперимент.

Вырвал три ярко-красных соцветия сальвии (конические образования с цветами). На дно стакана на 350 мл налил концентрированный раствор аммиака, опустил туда соцветие так, чтобы с раствором соприкасались только нижние цветы (лучше, чтобы все цветы были НАД уровнем раствора, но это непринципиально).

Вскоре красные цветы стали покрываться темными пятнами, которые все увеличивались в размерах. Первоначально я решил, что цвет - черный, но нет: цвет - темно-фиолетовый или темно-бардовый.

Попутно заметил, что в цветах бегала какая-то мошка: увы, спасать ее было уже поздно...

Через несколько минут значительная часть поверхности цветов стала темно-фиолетовой, но процесс шел недостаточно быстро - оставалось много красных зон. Чтобы ускорить изменение цвета дополнительно оросил цветы концентрированным раствором аммиака из пипетки.

Вскоре большая часть поверхности цветов стала темно-фиолетовой, а те цветы, что были погружены в раствор, успели стать коричневыми. Т.е. разрушение растительных пигментов в щелочной среде, которое наблюдалось в предыдущих экспериментах, в нашем случае также имеет место. Вероятно, происходит окисление полифенолов кислородом воздуха в щелочном растворе (до хинонов). Напомню, коричневый (желтый) цвет характерен как раз для хинонов.

Раз так, то стоит сделать реакцию среды снова кислой. В другой стакан налил концентрированную соляную кислоту и аккуратно перенес цветы из стакана с аммиаком в стакан с концентрированной соляной кислотой. В стакане моментально образовался густой белый дым (хлорид аммония) - благо он почти не покинул пределы стакана.

Растительные ткани сначала не поменяли цвет, потом нижние цветы, которые опустились непосредственно в раствор кислоты, стали красными. Начал поднимать-опускать соцветие, пытаясь ускорить проникновение кислоты в растение (чтобы кислород в щелочной среде не разрушил пигмент), но я добился только того, что запах аммиака распространился по помещению. А вместе с ним - белый дым. Вообще сцена очень напоминала жидкий азот - когда мы опускаем предметы в эту жидкость. Только в отличие от водяного тумана (который образуется при операциях с кипящим азотом), в нашем случае летел едкий дым хлорида аммония.

Не хочешь по-хорошему? Хорошо - используем метод, альтернативный "хорошему".

Накрыл стакан чашкой Петри, встряхнул содержимое. Частично помогло - нижняя часть соцветия стала красной, верхняя - нет.

Поменял технику. Набрал пипеткой кислоту со дна стакана и оросил ней соцветие. Цветы почто полностью стали красными, раствор окрасился в красно-оранжевый цвет. К сожалению, растительные ткани подверглись частичному разрушению кислотой - цветы выглядели, словно сморщенная в пламени полиэтиленовая пленка (тоже, увы, - не новость - такое часто наблюдалось в предыдущих экспериментах).

Непосредственно с цветами - все, но остались еще два соцветия красной сальвии, поэтому решил продолжить эксперименты с растворами (вытяжками цветов).

После экспериментов стал искать информацию про "синюю сальвию", оказалось, что "такого добра" полно. Сальвия (Шалфей) - большой род растений, в него входит много биологических видов, среди которых немало и растений с синими цветами. Шалфей луговой (Salvia pratensis), например. Но нас интересует растение с синими цветами, которое принадлежит именно к биологическому виду Salvia Splendens (Шалфей сверкающий), а данный вид известен ярко-красными цветами. Оказалось, что цветы некоторых разновидностей (сортов) Salvia Splendens имеют фиолетовый/пурпурный цвет - они выглядят примерно, как цветы красной разновидности Salvia Splendens после действия аммиака.

Эти ли цветы я видел в детстве? Или та сальвия все-таки была не пурпурной, а синей? Не уверен - с тех пор прошло почти 40 лет. Культурные сорта, которые предлагают на продажу, - точно пурпурные, но единичные синие (или пурпурные?) растения, которые я много лет назад видел среди множества красных, могли быть и результатом случайных мутаций.

Кстати, долгое время именно так и выводили новые сорта культурных растений и породы животных - из всего потомства выбирали особи, которые имели нужные характеристики (в результате случайных мутаций). Именно их и выращивали, потом среди следующего потомства опять отбирали особи с наиболее удачными качествами и т.д. Сам метод называется "искусственный отбор" (в противоположность естественному отбору, который имеет место в дикой природе).

Salvia Splendens (''Red Salvia'') flowers, acids and ammonia - pt.9

In the previous experiment flowers of Salvia Splendens were contacted concentrated hydrochloric acid, the solution became reddish-orange. Therefore, the plant dye was partially dissolved in the acid. This solution was used in this experiment instead of the flowers.

The acid solution of the pigment was added to an excess of concentrated ammonia. The solution turned violet then (after some time) - light brown.

For the next experiment the flowers of Salvia Splendens was placed to a flask with glacial acetic acid for 24 hours. The solution became bright orange-red. This solution was poured to a beaker, then a concentrated ammonia solution was slowly added. The colour of the solution first became crimson then light brown and finally greenish-yellow. Further addition of ammonia did not change the colour. Violet colour (as in the previous experiment) was not observed.

Are these colour changes reversible?

Concentrated nitric acid was added to the greenish-yellow solution (the alkaline solution after adding of an excess of ammonia). The colour turned first crimson then reddish-brown, then brown-yellow. The pH of the solution was <=1.

Then a concentrated ammonia solution (an excess) was added to the acid brown-yellow solution. The colour of the solution did not change significantly.

Thus, after the addition of an excess of nitric acid, the Salvia Splendens pigment became irreversibly yellow/brown and no longer significantly changed colour in an excess of ammonia. Nitric acid could destroy (change) the pigment, acting not only as an acid, but also as an oxidizing agent.

*****

Во время прошлого эксперимента цветы ранения Salvia Splendens (Шалфей сверкающий, Шалфей блестящий) контактировали с концентрированной соляной кислотой, в результате жидкость окрасилась в красновато-оранжевый цвет, а цветы побледнели. Т.е., пигмент частично перешел в раствор (пигмент или несколько пигментов). Решил воспользоваться появившейся возможностью - продолжить эксперименты с красителем Salvia Splendens не в самих цветах, а уже в растворе. Цель новых опытов была аналогичной: выяснить, как меняется окраска пигмента под действием кислот и щелочей и являются ли эти изменения обратимыми?

Соляная кислота могла просто экстрагировать пигмент из цветов в неизменном виде или разрушить его (причем одно не исключает другое - в разных пропорциях).

Для начала слил кислоту с соцветья, которое было использовано в прошлом эксперименте, и поместил в эту кислоту свежее соцветие Salvia Splendens, выдержал минут 20, перелил в стакан. В другой стакан налил концентрированный раствор аммиака. Набрал пипеткой кислый раствор пигмента и стал медленно прибавлять его к аммиаку. Сначала раствор окрасился в фиолетовый цвет. Разумеется, над раствором образовался белый дым хлорида аммония, а сам раствор нагрелся. По мере добавления раствора красителя цвет раствора аммиака становился все более насыщенно-фиолетовым. Потом раствор пигмента закончился, к этому времени аммиак остался в избытке.

Сначала раствор был фиолетовым, раньше такой цвет называли "чернильный", сейчас это название не актуально, поскольку фиолетовые чернила практически вышли из употребления (неприятная штука - мажется: от них все руки, а иногда и лицо были фиолетовыми).

При стоянии фиолетовый раствор стал светло-коричневым. Такой переход цвета хорошо вписывается в гипотезу, что антоцианы растений окисляются кислородом и необратимо меняют окраску на желтую/коричневую, если среда становится сильнощелочной.

В проведенном эксперименте было плохо одно: реакция происходила в избытке аммиака. Т.е. можно было наблюдать только исходную окраску пигмента - сильнокислая среда и конечную - сильноосновная среда, но промежуточные цвета были почти незаметны. Решил переделать эксперимент, немого изменив процедуру.

Взял еще одно соцветие Salvia Splendens, оборвал цветы и поместил их в небольшое количество ледяной уксусной кислоты в закрытой колбе. Оставил на 24 часа. Органическую кислоту выбрал в надежде, что она будет лучше экстрагировать пигмент из цветов (плюс - меньше вероятность разрушения).

Получился яркий оранжево-красный раствор, который я перелил в стакан. (Цвет значительно отличался от солянокислого экстракта пигмента, хотя и был подобным). Небольшими порциями стал добавлять аммиак, перемешивал - теперь среда в стакане с пигментом должна постепенно меняться от кислой к щелочной.

Первые капли аммиака вызвали шипение и образование белого дыма. Цвет раствора быстро стал малиновым, потом цвет стал светло-коричневым и, наконец, - зеленовато-желтым; от дальнейшего прибавления аммиака цвет раствора больше не менялся. Фиолетовая окраска (как в прошлом эксперименте) не наблюдалась.

Является ли наблюдаемый переход окраски обратимым? Это легко проверить, постепенно добавляя в полученный раствор кислоту. Лучше было взять уксусную кислоту, но ее оказалось мало, поэтому использовал концентрированную азотную.

По каплям добавил азотную кислоту в стакан с зелено-желтым раствором. При контакте с раствором кислота давала красно-коричневый раствор, который опускался на дно. Над поверхностью жидкости образовался белый туман нитрата аммония. Сначала после перемешивания в стакане остался зелено-коричневый раствор, следующие порции кислоты сделали раствор малиновым, при дальнейшем добавлении кислоты раствор стал красно-коричневым. Померял рН раствора универсальной индикаторной бумагой - оказалось около 5.

Следующие порции кислоты изменили цвет на коричнево-желтый, индикаторная бумага при контакте с раствором стала красной (рН <=1).

Как видите, мы изменили рН раствора красителя от щелочного к сильнокислому (т.е., - понизили), но окраска раствора не вернулась к исходной. С другой стороны, азотная кислота более сильная, чем уксусная (которая была в исходном растворе), поэтому некорректно говорить о необратимости.

Отлил большую часть кислого раствора из стакана, к оставшейся части стал добавлять концентрированный аммиак - до появления стабильного запаха. Оттенок раствора стал более темным, но цвет существенно не изменился. Индикаторная бумага сначала показала рН=7-8, потом рH>9.

Таким образом, после добавления избытка азотной кислоты пигмент Salvia Splendens необратимо стал желтым/коричневым и уже существенно не менял цвет в избытке аммиака. Азотная кислота могла разрушить (изменить) пигмент, выступая не только в роли кислоты, но и в роли окислителя.

Хотя красный краситель цветов Salvia Splendens достаточно яркий, но он не отличается достаточной устойчивостью для его использования в качестве индикатора - даже для домашних экспериментов.

К слову, неустойчивость - беда многих природных пигментов. Хотя окрашенные цветы, плоды и кора растений (равно, как и окрашенные насекомые) встречаются повсеместно, но долгие века цветную одежду носили в основном богатые люди. Многие природные пигменты либо легко разрушаются, либо плохо держатся на ткани. Были и исключения, но таких красителей "на всех не хватало". Классический пример - пурпур (6,6'-диброминдиго), который получали из некоторых видов хищных моллюсков. До появления синтетического аналога пурпурный цвет долго был привилегией королей и кардиналов.