Artystyczne wprowadzenie do tuszów antocyjaninowych Teach article

Tłumaczenie: Barbara Włodarczyk. Przygotowywanie z owoców i warzyw barwników wrażliwych na pH jest kreatywną odmianą eksperymentu ze wskaźnikiem pH z kapusty.

Figure 1: General structure of anthocyanin, in which R and R' are H, OH, or OCH3 and R'' is a sugar unit
Ryc. 1: Ogólna budowa
antocyjanin, gdzie R i R' to H,
OH lub OCH3, a R” to reszta
cukrowa

Zdjęcie dzięki uprzejmości
Gustavo Giraldiego Shimamoto
i Adriany Vitorino Rossi

Na długo przed tym, jak syntetyczne barwniki i pigmenty stały się dostępne, substancje naturalne były używane do tworzenia prostych, ale wydajnych tuszów (tak jak opisany przez Farusi, 2012) – które wciąż możemy oglądać na obrazach prehistorycznych, wymarłych cywilizacji. Te naturalne kolory mogą pochodzić z minerałów lub ekstraktów roślinnych; w tym ćwiczeniu skupimy się na szczególnej grupie roślin, które zawierają antocyjaniny (ACY, ryc. 1).

Naturalne kolory są zwykle mniej stabilne od wielu barwników syntetycznych, zmieniając barwę albo rozpadając się pod wpływem temperatury, światła, zmiany pH czy utleniaczy. To może być źródłem ciekawych lekcji, a w naszej pracy z uczniami szkół podstawowych używaliśmy antocyjanin jako barwników przy wytwarzaniu tuszów reagujących na zmianę pH.

Źródło koloru

Antocyjaniny są związkami organicznymi, które nadają kolor pomarańczowy, czerwony, fioletowy, niebieski i prawie czarny kwiatom, owocom, liściom i korzeniom pewnych gatunków owoców i warzyw. Cząsteczki antocyjanin zawierają struktury pierścieniowe, które absorbują światło, chroniąc komórki rośliny przed słońcem. Długości fal, które nie są pochłaniane przez antocyjaniny, są w zamian odbijane, dzięki czemu kwiat czy owoc jest widziany jako barwny. Te kolory przyciągają także zwierzęta zapylające i roznoszące nasiona, więc są też istotne dla reprodukcji rośliny.

Roztwory antocyjanin zmieniają kolor pod wpływem pH rozpuszczalnika, zachowując się jak naturalne wskaźniki pH (ryc. 2). W ogólności antocyjaniny przyjmują kolor czerwony w roztworach kwaśnych i niebieski w zasadowych; jednakże obserwuje się także inne kolory, w zależności od pH i konkretnej antocyjaniny oraz jej źródła. Powodem jest to, że dodawanie i odbieranie jonów wodoru (H+) ze struktury cząsteczki barwnika zmienia jej właściwości elektryczne i przez to absorbowane są w niej inne długości fali świetlnej. Ta właściwość pozwala nam używać ekstraktów z roślin, by określać pH substancji codziennego użytku i wyznaczać wyniki alkacymetrii jak w słynnym doświadczeniu ze wskaźnikiem pH z kapusty (Terci & Rossi, 2002; Rossi & Shimamoto, 2010). Różnorodność kolorów antocyjanin może być też wykorzystywana w produkcji tuszy do pędzli, pieczątek czy sitodruku.

Figure 2: Simplified representation of the chemical equilibrium responsible for the change in the colour of the anthocyanin ink
Ryc. 2: Chemiczna równowaga odpowiedzialna za zmianę koloru tuszu antocyjaninowego w uproszczeniu
Zdjęcie dzięki uprzejmości Gustavo Giraldiego Shimamoto i Adriany Vitorino Rossi

Czym jest tusz?

Tusze są mieszaninami barwników lub pigmentów i substancji wiążącej, która wspomaga przyleganie tuszu do malowanej powierzchni. Ta nieskomplikowana formuła była używana przez tysiące lat, ale rozwój chemii i nowe rozwiązania technologiczne dały nam dużo bardziej skomplikowane tusze, z nieskończonymi możliwościami kolorystycznymi i różnorodnymi właściwościami, takimi jak utrzymywanie się na papierze kredowym czy skorupkach jaj.

Podstawowym elementem tuszu jest substancja, która nadaje kolor: pigment lub barwnik. Pigment to łatwe do podziału ciało stałe, który jest nierozpuszczalny w ośrodku dyspersyjnym tuszu i zapewnia – oprócz koloru – między innymi gęstość i nieprzezroczystość, podczas gdy barwniki to głównie składniki rozpuszczalne w cieczy tworzącej tusz. W naszym tuszu ekstrakt antocyjaninowy jest pigmentem.

Antocyjaninowy tusz do malowania, pieczątek lub sitodruku

Materiały

Changing the colour of the paintings with vinegar solution
Zmiana koloru obrazków pod
wpływem octu

Zdjęcie dzięki uprzejmości
Gustavo Giraldiego Shimamoto
i Adriany Vitorino Rossi
  • Owoce lub warzywa zawierające antocyjaniny, takie jak jeżyny, winogrona, truskawki, borówki, maliny czy czerwona kapusta
  • 94% roztwór etanolu (objętość : objętość)
  • Bibuła filtracyjna (można też użyć filtra do kawy)
  • Szalki Petriego
  • Woda
  • Wysokiej jakości papier do pisania o gramaturze powyżej 50 gm-2
  • Pieczątki, wałek do farby lub pędzle
  • Ocet
  • Środki czystości o właściwościach zasadowych

Sposób postępowania

  1. Zgnieć owoc lub warzywo i zmieszaj z etanolem w przybliżonym stosunku 1 : 3 (masa : objętość) na 30 minut.
  2. Przefiltruj przez bibułę i zlej uzyskany płyn do szalek Petriego.
  3. Wysusz ekstrakt antocyjaninowy poprzez zostawienie go na otwartych szalkach Petriego bez dostępu do światła dopóki rozpuszczalnik nie wyparuje (2 dni). W celu szybszego parowania szalki można wystawić na działanie podmuchu zimnego powietrza lub ustawić pod wyciągiem laboratoryjnym bądź kuchennym.
  4. Kiedy próbka wyschnie, zmieszaj suchy ekstrakt antocyjaninowy (o konsystencji pasty) z wodą w przybliżonym stosunku 1 : 10 (masa : objętość).

Możesz używać gotowego tuszu przy pomocy pędzli lub pieczątek, a także do sitodruku. Jako że ów tusz jest wskaźnikiem pH, jego kolor może być zmieniany poprzez dodawanie substancji kwasowych bądź zasadowych. Za pomocą pędzla można nałożyć kwaśny roztwór (ocet) lub zasadę (rozcieńczony środek czyszczący) na papier pomalowany tuszem lub można też spryskać obrazek kwaśnymi i zasadowymi roztworami, by zmienić jego kolor. Inną możliwością jest napisanie lub narysowanie czegoś bezbarwnymi roztworami kwasowymi lub zasadowymi i ujawnienie wiadomości poprzez pokrycie tuszem antocyjaninowym, uzyskując niewidzialny atrament. Po około minucie od nałożenia tuszu antocyjaninowego na papier, obrazek będzie częściowo suchy.

 

Uwaga dotycząca bezpieczeństwa

Sprawdź lokalne zalecenia przy użyciu roztworów kwasowych i zasadowych, ponieważ wymagane mogą być okulary ochronne.

 

Co się dzieje?

Changing colours with different pH solutions. (a) Initial colour print, (b) after acid treatment, and (c) after alkali treatment
Zmiana koloru pod wpływem
roztworów o różnym pH. (a)
początkowy kolor  (b) po
pokryciu kwasem (c) po
pokryciu zasadą

Zdjęcie dzięki uprzejmości
Gustavo Giraldiego Shimamoto
i Adriany Vitorino Rossi

Ekstrakty antocyjaninowe są naturalnymi wskaźnikami pH zarówno w roztworze, jak i na papierze. Zmianę koloru można wyjaśnić jako reakcję między cząsteczkami wody z antocyjaninami na papierze a kwasem z octu lub zasadą ze środków czyszczących.

Zmiana koloru tuszu jest powiązana z chemiczną równowagą (pokazaną w uproszczony sposób na ryc. 2). Antocyjaniny są organicznymi związkami, w których występują liczne podstawniki, do których dodawane są lub od których odbierane są jony H+ przy różnych wartościach pH, co daje roztwory w różnorodnych kolorach. Na ryc. 2 pokazano 3 główne kolory, ponieważ 3 substancje zostały nałożone na farby antocyjaninowe: kwasowy, neutralny i zasadowy. Poprzez użycie roztworów o różnych pH można porównywać różne barwniki.

Tusz antocyjaninowy może być używany przez młodsze dzieci (poniżej 11 r.ż.) do malowania i rysowania. Starsze dzieci (11+) lub dorośli opiekunowie mogą użyć octu (kwas) i rozcieńczonych środków czystości (zasada) do zmiany projektów i zaangażowania w interakcje w grupie. Łatwo można modyfikować przygotowanie i sposób użycia tuszu, który nie wymaga toksycznych reagentów i nie generuje niebezpiecznych odpadów.

Głównym celem tej zabawy jest pobudzenie ciekawości, ale jako że do przygotowania tuszów reagujących na pH można użyć dowolnych owoców lub warzyw zawierających antocyjaniny, możliwe jest podejście angażujące też naukę o środowisku i o lokalnych wartościach. Podczas wytwarzania tuszów można porozmawiać o naturze, środowisku, bioróżnorodności i ich racjonalnym wykorzystaniu do wyrobu użytecznych produktów.

Podziękowania

Autorzy dziękują São Paulo Research Foundation (FAPESP) za wsparcie finansowe.

Download

Download this article as a PDF

References

Web References

Resources

  • Piękna chemia, strona internetowa prowadzona w Chinach, zawiera filmy i zdjęcia roślin zmieniających kolor wraz z pH.
  • Antocyjaniny mogą być też wykorzystane do stworzenia baterii słonecznych uczulanych barwnikiem, jak opisano w tym ćwiczeniu:
  • Jeśli podobał ci się ten artykuł, może cię zainteresować następujący rozdział książki:
    • Salamão AA, et al (2010) Jogo pedagógico que explora a propriedade indicadora de pH de extratos de antocianinas de espécies brasileiras. In de Rezende CM, Braibante HTS (eds) A Química Perto de Você – Experimentos de baixo custo para a sala de aula do Ensino Fundamental e Médio pp35–43. Cidade Universitária, São Paulo, Brazil: Sociedade Brasileira de Química. ISBN: 9788564099005 [po portugalsku].  E-book jest udostępniony do ściągnięcia za darmo.

Author(s)

Gustavo Giraldi Shimamoto jest doktorantem chemii analitycznej na Universidade Estadual de Campinas (UNICAMP) w São Paolo w Brazylii i pracuje w Laboratorium Magnetycznego Rezonansu Jądrowego (Nuclear Magnetic Resonance Laboratory).

Adriana Vitorino Rossi zrobiła doktorat na  UNICAMP i obecnie naucza w Instytucie Chemii. Zajmuje się chemią analityczną i edukacją chemiczną i jest jedną z kierujących Grupą Badań Chemii Analitycznej i Edukacji (Group for Research in Analytical Chemistry and Education)w1 na UNICAMP.


Review

To nowatorski sposób nauczania starej chemii, zarówno na lekcji, jak i na kółku zainteresowań.

Wstęp do artykułu może być wykorzystany jako ćwiczenie czytania ze zrozumieniem, a artykuł może posłużyć do stymulacji dyskusji na temat kwasów, zasad, wskaźników; ekstrakcji chemicznej; botaniki oraz nauk ścisłych i sztuki.


Tim Harrison, Bristol ChemLabS, University of Bristol, Wielka Brytania




License

CC-BY-NC-SA