Опыты с феей зелёнкиной. Хлорофилл
Химические свойства пигментов листа
Важнейшими компонентами фотосинтетического аппарата растений являются пигменты. Пигменты делятся на два класса: тетрапиррольные соединения (хлорофиллы и фикобилины ) и полиизопреноидные (каротиноиды ).
Фикобилины - это пигменты водорослей . У высших растений обнаружены хлорофилл «а», хлорофилл «b» и каротиноиды. Основным функциональным пигментом является хлорофилл «a», который обнаружен у всех фотосинтезирующих организмов (кроме бактерий). Он служит непосредственным донором энергии для фотосинтетических реакций. Остальные пигменты, лишь передают поглощенную энергию хлорофиллу «а».
DIV_ADBLOCK267">
Рис. 17 Структурные формулы каротиноидов и последовательность их превращений
При этом в циклических каротинах шестичленные кольца представлены двумя типами: β-иононовыми и α-иононовыми.
В фотосинтезирующих организмах эта группа желтых пигментов представлена ликопином, α-каротином, β-каротином и γ-каротином. У высших растений основным каротином является β-каротин.
Ксантофиллы - кислородсодержащие производные каротинов, включающие в себя лютеин (С40Н56О2), зеаксантин (С40Н56О4), виолаксантин (С40Н56О4), неоксантин (С40Н56О4) (рис. 17). Среди названных ксантофиллов преобладает лютеин, который по химической структype очень близок к α-каротину, но в отличие от него является двухатомным спиртом, т. е. в каждом ионовом кольце, один атом водорода замещен на гидроксильную группу.
Функции каротиноидов: 1) являются дополнительными пигментами; 2) защищают молекулы хлорофилла от фотоокисления; 3) играют роль в кислородном обмене при фотосинтезе.
Принцип метода: пигменты из растительной ткани извлекают полярными растворителями (этиловый спирт, ацетон), которые разрушают связь хлорофиллов и ксантофиллов с липопротеидами пластид и обеспечивают их полное экстрагирование. Неполярные растворители (петролейный эфир, гексан, бензин и др.) не нарушают связи этих пигментов с белками.
Цель работы: познакомиться с химическими свойствами пигментов листа.
Ход работы: 1. Получение спиртового раствора пигментов . Для получения вытяжки пигментов используют как сырой, так и сухой растительный материал. Высушенные листья предварительно обрабатывают горячей водой, чтобы облегчить последующее извлечение пигментов.
Свежие листья растений (1 г) мелко измельчить ножницами, поместить в ступку и растереть с небольшим количеством СаСО3. Постепенно в ступку приливать 2…3 мл этилового спирта и тщательно растереть навеску до получения однородной массы. Затем прилить еще 5…8 мл спирта, содержимое перемешать. Носик ступки снизу смазать вазелином и по стеклянной палочке содержимое ступки перенести на бумажный фильтр. Полученный фильтрат поместить в пробирку. Спиртовая вытяжка содержит сумму зеленых и желтых пигментов.
2.Разделение пигментов по Краусу основано на различной растворимости пигментов в спирте и бензине. Эти растворители при сливании не смешиваются, а образуют две фазы верхнюю бензиновую и нижнюю спиртовую, благодаря чему и разделяются компоненты смеси пигментов.
В пробирку налить 2…3 мл спиртового экстракта пигментов и добавить 3…4 мл бензина. Содержимое пробирки сильно встряхнуть, предварительно закрыв ее пробкой или большим пальцем, и оставить отстояться. Для лучшего разделения добавить 1…2 капли воды.
По мере расслоения эмульсии верхний бензиновый слой будет окрашиваться в зеленый цвет, из-за лучшей растворимости в нем хлорофиллов. Кроме того, в бензин переходит каротин, но его окраска маскируется хлорофиллом. Ксантофилл остается в нижнем спиртовом слое, придавая ему золотисто-желтую окраску.
Если пигменты разделятся недостаточно четко, добавить 1…2 капли воды и снова встряхнуть. При избытке воды возможно помутнение нижнего слоя, тогда следует прилить немного этилового спирта и взболтать содержимое пробирки.
Зарисовать распределение пигментов в спирте и бензине, сделать выводы о различной их растворимости.
3. Омыление хлорофилла щелочью. При обработке хлорофилла щелочью происходит омыление эфирных групп, т. е. отщепление остатков метилового спирта и фитола (рис. 18). Образуется натриевая соль хлорофиллиновой кислоты, сохраняющая зеленую окраску и оптические свойства хлорофилла, но отличающаяся большей гидрофильностью, по сравнению с нативным пигментом.
Рис. 18 Омыление хлорофилла щелочью
В пробирку с 2…З мл спиртового раствора пигментов прилить 1 мл 20% раствора NaOH и взболтать. После смешивания экстракта со щелочью пробирку поместить в кипящую водяную баню, довести до кипения и охладить.
К охлажденному раствору прилить равный объем бензина и несколько капель воды для лучшего разделения смеси. Затем содержимое пробирки резко встряхнуть и дать ему отстояться.
В бензиновый слой перейдут каротин и ксантофилл, а в спиртовый - натриевая соль хлорофиллиновой кислоты.
Зарисовать окраску слоев, указав распределение пигментов3. Получение феофитина и обратное замещение водорода атомом металла. Атом магния слабо удерживается в порфириновом ядре хлорофилла и при осторожном воздействии сильных кислот легко замещается двумя протонами, что приводит к образованию феофитина бурого цвета.
Если на феофитин подействовать солями меди, цинка или ртути, то вместо двух протонов в ядро входит соответствующий металл и вновь восстанавливается зеленая окраска. Однако она несколько отличается от окраски хлорофилла. Следовательно, цвет хлорофиллов зависит от металлоорганической связи в их молекуле.
В пробирку налить 2…3 мл спиртовой вытяжки пигментов и прибавить 1…2 капли 10% раствора соляной кислоты. В ходе реакции зеленый цвет меняется на бурый, при этом хлорофилл превращается в феофитин. Содержимое пробирки разлить в две пробирки.
Одну пробирку с феофитином оставить для контроля, а во вторую поместить несколько кристаллов уксуснокислой меди и нагреть раствор на водяной бане до кипения. После нагревания бурый цвет раствора меняется на зеленый в результате образования хлорофиллоподобного производного меди.
Зарисовать окраску феофитина и медьпроизводного хлорофилла.
https://pandia.ru/text/80/159/images/image005_49.gif" width="541" height="135 id=">
хлорофиллоподобное производное меди
Оборудование и материалы: 1) свежие листья растений; 2) этиловый спирт; 3) бензин; 4) 20% раствор NaOH; 5) 10% соляная кислота в капельнице; 6) 10% соляная кислота; 7) водяная баня; 8) штатив с пробирками; 9) пипетки на 1 мл или мерные пробирки; 10) воронки; 11) фильтровальная бумага; 12) ступка с пестиком; 13) стеклянные палочки; 14) ножницы.
Метод основан на различной растворимости пигментов в спирте и гептане (бензине). Эти растворители при сливании не смешиваются и образуют две фазы: верхнюю – гептановую (бензиновую), нижнюю – спиртовую, поэтому и происходит разделение компонентов смеси.
Ход определения.
В пробирку наливают 2 – 3 мл спиртовой вытяжки и добавляют 3 – 4 мл гептана (бензина). Содержимое пробирки встряхивают и дают отстояться. При этом происходит разделение слоев:
верхний – зеленый гептановый (бензиновый) слой содержит хлорофиллы
“a” и “b” и каротин;
нижний – желтый спиртовой содержит ксантофиллы.
Б. Омыление хлорофилла щелочью.
Молекула хлорофилла представляет собой эфир двухосновной хлорофиллиновой кислоты с двумя спиртами – фитолом и метанолом. При реакции со щелочью хлорофилл омыляется, давая соответствующие соли и спирты:
С 32 H 30 ON 4 Mg + 2NaOH C 32 H 30 ON 4 Mg +
COOC 20 H 39 COONa
CH 3 OH+C 20 H 39 OH
Образующаяся при этом соль хлорофиллиновой кислоты сохраняет зеленую окраску и оптические свойства хлорофилла.
Ход определения.
В пробирку со спиртовой вытяжкой пигментов приливают 2 – 3 капли 20% раствора КОН или NаОН. Пробирку встряхивают и дают отстояться, затем добавляют равный объем гептана (бензина). При этом происходит разделение слоев:
верхний – желтый гептановый (бензиновый) из-за присутствия каротина;
нижний – зеленый спиртовой, т.к. в нем растворяются продукты омыления хлорофиллов – их щелочные соли. Здесь же находится и ксантофилл.
В. Получение феофитина и обратное замещение водорода на атом металла.
Атом Mgв молекуле хлорофилла легко замещается двумя атомами водорода при воздействии сильных кислот. Это приводит к образованию феофитина бурого цвета:
COOCH 3 COOCH 3
C 32 H 30 ON 4 Mg + 2HCl C 32 H 32 ON 4 +MgCl 2
COOC 20 H 39 COOC 20 H 39
Если на феофитин подействовать солями Cu,Zn,Pb, то вместо двух атомов водорода в ядро хлорофилла входит соответствующий металл, и вновь восстанавливается зеленая окраска:
COOCH 3 COOCH 3
C 32 H 32 ON 4 + Cu(CH 3 COO) 2 C 32 H 30 ON 4 Cu +
COOC 20 H 39 COOC 20 H 39
Ход определения.
В две пробирки берут 2 – 3 мл спиртовой вытяжки пигментов и прибавляют 2 – 3 капли 10% HCl. При взбалтывании зеленая окраска хлорофилла переходит в бурую, характерную для феофитина. Далее одну пробирку с феофитином оставляют для контроля, а во вторую вносят несколько кристаллов уксуснокислой меди, раствор нагревают на водяной бане. После нагревания бурый цвет раствора меняется на зеленый вследствие образования хлорофиллоподобного производного меди.
Реактивы и оборудование.
Гептан (бензин),
Cu(CH 3 COO) 2 сухой,
Колбы конические 50 мл,
Пробирки на 10 мл,
Пипетки на 5 и 1 мл,
Водяная баня (кипящая).
CaCO 3 сухой,
Работа 2. Разделение смеси пигментов с помощью бумажной хроматографии.
Хроматографический метод разделения пигментов, впервые предложенный русским ученым М.С. Цветом, заключается в том, что раствор, содержащий смесь пигментов, пропускают через слой адсорбента. Различные пигменты, обладая неодинаковой растворимостью в данном растворителе и разной адсорбируемостью, передвигаются по мере движения растворителя с различной скоростью и располагаются на адсорбенте в разных местах. Чем выше растворимость пигмента в растворителе, тем быстрее он будет передвигаться, и тем дальше от старта будет располагаться зона этого пигмента.
Ход работы.
Измельченные свежие листья помещают в ступку, добавляют немного CaCO 3 для нейтрализации органических кислот клеточного сока, а также кварцевого песка или толченого стекла и растирают, постепенно приливая ацетон (на 2 – 3 г листьев примерно 25 мл ацетона). Полученный раствор фильтруют в сухую чистую колбу.
Наливают вытяжку в бюкс и погружают в нее кончик полоски из хроматографической бумаги (320 см). Через несколько секунд, когда вытяжка поднимется по бумаге на 1 – 1.5 см, высушивают бумагу на воздухе и снова погружают в раствор пигментов на несколько секунд. Эту операцию повторяют 5–7 раз до тех пор, пока у верхней границы распространения пигментов на бумаге не образуется темно-зеленая полоска. После этого погружают кончик бумажной полоски в ацетон, чтобы все пигменты поднялись на 1 – 1.5 см.
Высушив полоску до полного исчезновения запаха ацетона, ее помещают в вертикальном положении в хроматографическую камеру (цилиндр, на дно которого налита смесь растворителей бензин: бензол в отношении 1:2) и плотно закрывают крышкой.
Через 10 – 15 мин растворитель поднимается по бумаге на 10 – 12 см, при этом пигменты располагаются в виде полос в следующем порядке:
каротины
(поднимаются с фронтом (растворителя)
ксантофиллы
хл.
а
хл.
b
Рис.1. Распределение пигментов на бумаге.
Вклеивают полученную хроматограмму в отчет, подписывают пигменты и делают вывод о причинах разделения пигментов на бумаге.
Реактивы и оборудование.
Хроматографическая бумага,
Хроматографическая камера,
Ацетоновая вытяжка пигментов,
Бензин (гептан),
Работа 3. Сравнение качественного состава пигментов высших растений разных систематических групп.
Объектами сравнения служат листья высших растений различных систематических групп. Смесь пигментов разделяют при помощи различных видов хроматографии – например, на бумаге или на пластинках силуфола.
Ход работы.
Разделение пигментов производят на пластинках силуфола (UV-254, Чехословакия) размером 315 см.Силуфол – это пластинки для тонкослойной хроматографии на алюминиевой фольге. В качестве сорбента используют силикагель, связывающим веществом является крахмал.
На пластинки силуфола с помощью микропипетки наносят спиртовую вытяжку пигментов полоской 1.5 см на расстоянии 2 см от нижнего края пластинки. Полоску подсушивают струей воздуха (вентилятор), а затем помещают в хроматографическую камеру, предварительно насыщенную смесью растворителей следующего состава:
гептан: ацетон: эфир: гексан
На одну пластинку наносят вытяжку пигментов высших растений разных систематических групп. Разгонку пигментов производят в камере с плотно закрытой крышкой и затемненной темной бумагой. Фронт растворителя поднимается вверх до 2 см от верхнего края пластинки. Хроматограмму вынимают и высушивают в токе воздуха.
Полученную хроматограмму вклеивают в отчет с помощью прозрачного скотча, расшифровывают (рис.2) и подписывают.
/\/\/\/\/\/\/\/\ Каротины
/\/\/\/\/\/\/\/\ Феофитин
/\/\/\/\/\/\/\/\ Артероксантин
/\/\/\/\/\/\/\/\ Хл. а
/\/\/\/\/\/\/\/\ Хл. b
/\/\/\/\/\/\/\/\ Лютеин + зеаксантин
/\/\/\/\/\/\/\/\ Виолаксантин
/\/\/\/\/\/\/\/\ Неоксантин
Рис.2. Распределение пигментов на силуфоле.
Реактивы и оборудование.
Спиртовая вытяжка пигментов
Растворитель (гептан: ацетон: эфир: гексан – 10: 10: 3: 10)
Пластинки силуфола
Микропипетки
Вентиллятор
Хроматографическая камера.
Работа 4. Определение содержания основных пигментов фотосинтетического аппарата в листьях высших растений.
Объектом определения служат листья высших растений разных видов или листья разного возраста. Содержание хлорофиллов “a” и “b” определяют спектрофотометрически, рассчитывают соотношениехл. а / хл. b в исследуемом материале.
Работа проводят в два этапа:
Экстракция пигментов;
определение их концентрации с помощью спектрофотометра или ФЭКа
(фотоэлектроколориметра).
Пигменты могут быть экстрагированы из свежего или фиксированного материала с помощью смеси полярных (спирт, ацетон) и неполярных (эфир, гексан, бензин) растворителей. Полярные растворители расщепляют связь между пигментом и белком и переводят все пигменты в раствор. Поскольку пигменты быстро выцветают на свету, экстрагировать их лучше в затемненном помещении.
Количественное определение пигментов основано на использовании их оптических свойств. В зависимости от природы растворителя для расчетов используют следующие формулы:
а) в 80%-ном ацетоне:
C a = 12.7D 663 – 2.58D 644 (мг/л)
C b = 22.9D 644 – 4.66D 663 (мг/л)
б) в серном эфире:
C a = 9.93D 660 – 0.78D 642 (мг/л)
C b = 17.6D 642 – 2.81D 660 (мг/л), где
С a , C b – концентрация хлорофилла а, хлорофиллаb, соответственно,
D 663 ,D 644 , … - оптическая плотность раствора при указанной длине волны
Возможно определение концентрации пигментов по заранее построенным калибровочным кривым.
Ход определения.
Навеску растительного материала (500 мг) растирают в присутствии CaCO 3 с 4 – 5 мл 80%-ного ацетона. Полученную вытяжку фильтруют в сухую колбочку. Операцию повторяют несколько раз, пока стекающая жидкость не будет прозрачной. Вытяжку помещают в мерную колбу на 25 мл и доводят объем растворителем. Полученная вытяжка содержит сумму зеленых и желтых пигментов.
Концентрацию хлорофилла определяют с помощью ФЭКа. Используя красный светофильтр (650 нм) и кюветы шириной 10 мм, определяют оптическую плотность раствора относительно чистого растворителя (ацетона). Для предотвращения испарения ацетона кюветы лучше закрыть крышечками. Результаты получаются надежными при показаниях ФЭКа от 0.1 до 0.4. Если оптическая плотность выше 0.5, то вытяжку следует разбавить. Если же показания ФЭКа меньше 0.08, работу следует повторить с самого начала, взяв большую навеску.
Измерения повторяют несколько раз, а из полученных отсчетов берут среднее арифметическое, затем определяют концентрацию хлорофилла в вытяжке по калибровочному графику (рис.3).
Рис.3. Оптическая плотность ацетоновой вытяжки хлорофилла.
Реактивы и оборудование.
ФЭК, спектрофотометр
Кюветы шириной 10 мм
Бумажные фильтры
СаСО 3 сухой
80% ацетон
Колбы 50 мл
Мерные колбы на 25 мл
Раздел 3. Фотосинтез
Фотосинтез является сложным окислительно-восстановительным процессом, в результате которого происходит трансформация электромагнитной энергии света в химическую энергию синтезируемых органических соединений. В основе фотосинтеза лежит сложный комплекс фотофизических, фотохимических (световая фаза) и биохимических ферментативных реакций (темновая фаза).
В световой фазе фотосинтеза электромагнитная энергия света поглощается пигментами хлоропластов (работы 20…22) и в ходе фотосинтетического фосфорилирования трансформируется в химическую энергию макроэргических связей АТФ, одновременно происходит фотолиз воды, выделение кислорода и восстановление коферментов дегидрогеназ – НАД(Ф)·Н. В темновой фазе фотосинтеза при участии продуктов световой фазы из углекислого газа и воды синтезируются углеводы. Продукты фотосинтеза передвигаются из хлоропластов в различные ткани растений и используются для синтеза других структурных или запасных веществ.
Таким образом, при фотосинтезе создается основная масса сухого вещества растений, что определяет его ведущую роль в формировании урожая. Органические вещества, образующиеся при фотосинтезе, используются всеми гетеротрофными организмами как источник энергии и пластических веществ в процессе их жизнедеятельности.
Основными показателями, характеризующими фотосинтетическую активность растений, являются интенсивность фотосинтеза (работа 23) и продуктивность фотосинтеза (работа 24), которые зависят от генетических особенностей растений, а также от условий внешней среды –интенсивности освещения, температуры, водообеспеченности, газового состава атмосферы, элементов минерального питания и других.
Знание основных закономерностей фотосинтеза позволяет управлять продукционным процессом культурных растений – повышать урожайность и качество продукции.
Работа 20. Изучение химических свойств пигментов зеленого листа
В растениях содержатся несколько групп пигментов (красящих веществ), различающихся по химической природе, свойствам и функциям: хлорофиллы, каратиноиды, фикобилины, антоцианы, флавоны и флавонолы.
Хлорофиллы – зеленые пигменты хлоропластов. У высших растений содержатся два вида хлорофиллов: хлорофилл a , имеющий синеватый оттенок (С 55 Н 72 О 5 N 4 Mg) и хлорофилл b , имеющий желтоватый оттенок (С 55 Н 70 О 6 N 4 Mg). Хлорофиллы выполняют функцию поглощения света, участвуют в первичных фотохимических реакциях (хлорофиллы реакционных центров).
Каротиноиды представлены пигменты желтого и оранжевого цвета – каротинами (C 40 H 56) и ксантофиллами (C 40 H 54 (OH) 2). К каротинам относятся α-, β-, γ-каротины и ликопин. Ксантофиллы – кислородсодержащие производные каротинов – зеаксантин, криптоксантин, виалоксантин, лютеин. Каротиноиды содержатся в хлоропластах и участвуют в поглощении света и передаче поглощенной энергии на хлорофиллы реакционныхцентров фотисистем.
Фикобилины – пигменты фотосинтезирующих водорослей (фикоцианин, фикоэритрин), имеют сходное с хлорофиллами строение, поглощают длинноволновые лучи, проникающие на большие глубины.
Антоцианы – водорастворимые пигменты фенольной природы, содержащиеся в клеточном соке. Они обладают самой разнообразной окраской, определяют окраску цветков, плодов, различные оттенки зеленого цвета листьев и других органов растений.
Цель работы . Выделить пигменты хлоропластов, произвести их разделение, изучить строение и физико-химические свойства.
Ход работы . 1. Выделение пигментов . Хлорофиллы и каратиноиды гидрофобные вещества, они не растворяются в воде, но хорошо растворяются в органических растворителях (спирте, бензине, ацетоне).
Отвешивают 4…5 г свежих или 0,5…1 г сухих листьев, помещают в фарфоровую ступку, прибавляют около 1 г СаСО 3 и немного кварцевого песка. Листья тщательно растирают, затем в ступку добавляют около 10 мл 96 % этилового спирта и продолжают растирать до получения темно-зеленой вытяжки. В чистую пробирку вставляют воронку, в которую вкладывают складчатый бумажный фильтр. Вытяжку по стеклянной палочке переливают в воронку на фильтр. Полученный фильтрат используют для разделения пигментов и изучения их физико-химических свойств.
2. Разделение пигментов по Краусу. Метод Крауса основан на различной растворимости пигментов в спирте и бензине.
В сухую пробирку наливают около 3…4 мл полученной спиртовой вытяжки. Затем в пробирку приливают полуторный объем бензина. Если вытяжка получена из сухих листьев к ней добавляют 3…5 капель воды. Пробирку закрывают резиновой пробкой и несколько раз сильно встряхивают, а затем оставляют на 1…2 мин для отстаивания. После того как жидкость отстоится, в пробирке образуется два слоя: верхний бензиновый – зеленого цвета и нижний спиртовой – желтого цвета. Если расслоение не происходит, в пробирку нужно снова добавить воду. Если вода прибавлена в избытке, спиртовой слой мутнеет. В этом случае необходимо прибавить немного спирта.
После разбавления спирта водой, растворимость в нем каротинов (непредельные углеводороды, обладающие высокой гидрофобностью) и хлорофиллов (бифильные вещества с преобладанием гидрофобных свойств) ухудшается, и они переходят в верхний бензиновый слой. Ксантофилл, будучи двухосновным спиртом, слабо растворим в бензине и поэтому остается в нижнем спиртовом слое.
После опыта делают зарисовки пробирок цветными карандашами, указывая расположение в них бензина и спирта и пигментов – хлорофиллов, каротинов и ксантофиллов.
3. Строение хлорофилла. Хлорофилл является сложным эфиром дикарбоновой кислоты хлорофиллина и двух спиртов – метанола и фитола:
Хлорофиллиновая кислота образует порфириновое ядро молекулы хлорофилла и состоит из 4-х пирольных азотсодержащих колец, соединенных между собой метиновыми связями (=СН–). В центре ядра находится магний, соединенный координационными связями с атомами азота пирольных колец. В порфириновом ядре имеется 10 двойных связей с делокализованными π-электронами, способными под действием света переходить на более высокий энергетический уровень (возбуждение хлорофилла). Остаток спирта фитола присоединяется к пятому изопентаноновому кольцу и определяет его гидрофобные свойства.
Зарисуйте структурную формулу молекулы хлорофилла, обозначьте порфириновое ядро, пирольные кольца, спирты метанол и фитол.
4. Омыление хлорофилла щелочью . При действии на хлорофилл щелочи эфирные связи омыляются и образуются соль хлорофиллиновой кислоты и свободные спирты – метанол и фитол. Реакция идет по уравнению:
хлорофилл метанол фитол Na соль хлорофиллиновой кислоты
В пробирку наливают 3…4 мл спиртовой вытяжки, затем к вытяжке прибавляют 1…2 измельченных кусочка NaОН или КОН, пробирку закрывают резиновой пробкой и взбалтывают в течение 3…5 мин. При этом происходит омыление хлорофилла и образование продуктов реакции.
После окончания реакции в пробирку приливают одинаковый объём бензина и несколько капель воды. Пробирку закрывают, несколько раз встряхивают и дают отстояться. Так как продукты омыления хлорофилла, каротин и ксантофилл имеют разную растворимость в спирте и бензине, они будут располагаться в разных слоях пробирки. В верхний бензиновый слой перейдет каротин, а в нижнем спиртовом слое остаются ксантофилл (спирт) и продукты реакции – метанол, фитол (спирты) и натриевая соль хлорофиллиновой кислоты (соль, растворимая в разбавленном водой спирте). Спиртовой слой имеет зеленую окраску, так как порфириновое ядро в молекуле соли хлорофиллиновой кислоты остается не разрушенным.
Зарисуйте цветными карандашами слои в пробирке и сделайте пояснения.
5. Действие кислот на хлорофилл . При действии кислот на хлорофилл магний в порфириновом ядре молекулы заменяется на водород, при этом образуется феофитин, вещество бурого цвета. Реакция идет по уравнению:
хлорофилл феофитин
В две пробирки наливают по 2…3 мл спиртовой вытяжки пигментов и добавляют по 3…4 капли 10 %-ного раствора соляной кислоты. Раствор становится бурым вследствие образования феофитина. Затем в одну из пробирок с побуревшей от кислоты вытяжкой прибавляют несколько кристаллов уксуснокислого цинка или уксуснокислой меди и осторожно нагревают до кипения, при вскипании бурый цвет раствора сменится на ярко-зеленый, так как атом цинка или меди становится на место водорода в молекуле феофитина, восстанавливая при этом зеленую окраску.
Обратите внимание, что зеленый цвет хлорофилла связан с наличием в центральном ядре молекулы двухвалентного металла магния, который соединен с четырьмя пиррольными кольцами. На это указывает восстановление зеленой окраски при действии на феофитин других уксуснокислых солей двухвалентных металлов (меди, цинка, железа).
Зарисуйте пробирки цветными карандашами. Сделайте выводы по результатам опытов
Вопросы:
Что такое фотосинтез и в чем его значение?
Какие процессы проходят в световой и темновой фазах фотосинтеза?
Какие вы знаете пигменты? Какова их химическая природа и функции?
Как можно выделить и разделить пигменты?
Какое строение имеет хлорофилл? Что происходит при взаимодействии хлорофилла со щелочью и кислотой? Почему хлорофилл имеет зеленую окраску?
Материалы и оборудование : свежие или сухие листья, 96 % этиловый спирт, бензин, кристаллический NaOH или KOH, 10 %-ный раствор HCl, кристаллический уксуснокислый цинк или уксуснокислая медь, CaCO 3 , кварцевый песок, ступки с пестиком, воронки, штативы с пробирками, мерные цилиндры, спички, бумажные фильтры, цветные карандаши, стеклянные палочки для переноса вытяжки.
Цель урока: расширить и углубить знания учащихся о способах разделения смесей, изучить химические свойства хлорофилла.
Задачи урока:
Образовательные : помочь детям систематизировать знания о методах разделения смесей, познакомить с химическими свойствами хлорофилла; научить применять знания в жизни.
Развивающие: (формирование и развитие образовательных компетенций):
а) учебно-познавательных: развитие навыков самостоятельной познавательной деятельности; умения ставить познавательную задачу (целеполагание), умения добывать знания, выделять главное, обобщать, делать выводы, проводить самопроверку и самооценку;
б) коммуникативных: навыков работы в паре, взаимодействия с другими людьми, умения ответить на поставленный вопрос;
в) информационных: проводить материальное и знаковое моделирование, выделять существенные признаки результата разделения смесей, извлекать необходимую информацию из проводимого эксперимента; оформлять и представлять результаты своей работы.
Воспитательные: Воспитание жизненно необходимых качеств: воспитывать сознательное отношение к учебному труду, самостоятельности, работоспособности каждого для общего результата работы в группе, внимательности в выполнении нового вида деятельности, коллективизма; развивать интерес к знаниям.
Здоровьесберегающие: правила безопасного обращения с веществами.
Структура урока
I. Мотивация
Учитель: Очень – очень давно, еще в 10 в. до н.э., на дне Средиземного моря, вблизи Тира – легендарного города в древней стране Финикии, воздвигнутого на скале у побережья нынешней Сирии, – люди ловили улиток – иглянок, так называемых “багрянок ” вида Murex brandaris. и Murex trunculus, живущих в водах Средиземного моря, у берегов Сирии, Греции и Африки.
Сотням рабов приходилось из дня в день нырять за этими улитками в море. Другие рабы выдавливали их, растирали с солью и подвергали дальнейшей переработке, состоявшей из многих операций. Добытое вещество вначале было белым или бледно – желтым, но под действием воздуха и солнечного света постепенно становилось лимонно – желтым, затем зеленым и, наконец, приобретала великолепную фиолетово – красную окраску. Полученный пурпур чудесная краска, напоминавшая пламя, – в течение нескольких веков был самым ценным из всех красителей. Он был тогда символом власти – право носить окрашенные пурпуром одеяния было привилегией правителей и ближайших к ним знатных особ. Правители строго следили за тем, чтобы “императорский” (а позднее “кардинальский”) пурпур не появлялся на одеждах простолюдинов.
Окрашивание только одного квадратного метра ткани красителем, добытым таким способом, стоило баснословных средств. Ведь для получения одного грамма пурпура нужно было обработать десять тысяч улиток.
За 1500 лет до н. э. финикияне применяли пурпур для окраски тканей, ковров и вели в значительных размерах торговлю пурпуром. Столица Финикийского царства, г. Тир, был в то время основным центром производства пурпуровой краски. Методы ее получения финикияне заимствовали у египтян…
Ребята, скажите, пожалуйста, о чем повествует эта история?
(Выделять нужные вещества из смесей и использовать их в своих целях люди умели очень давно)
В рассказанной истории ткани организма улиток – иглянок (Murex brandalis) содержали особый пигмент – пурпур. Что означает это слово?
Пигменты (лат. Pigmentum –краска) – это окрашенные вещества тканей организма. Их химическая природа различна. Они есть во всех клетках и выполняют перенос кислорода и углекислого газа.; участвуют в окислительно-восстановительных процессах – фотосинтезе и акте зрения.
Они могут служить светофильтрами, теплоизоляторами, маскировочным материалом, приспосабливая к среде организм тонко и гармонично.
Некоторые пигменты являются провитаминами: желто-оранжевые пигменты растений – каротиноиды и флавоноиды – предшественники витаминов А и Р.
Цвет пигментов зависит от особой группы атомов, поглащающих свет от определенной длины волны в видимой части спектра.
Эта часть молекулы пигмента называется хромофорной. В ней подвижные электроны легко переходят на энергетически более высокую орбиталь. Поэтому пигменты необходимы всюду, где один вид энергии превращается в другой. Животные и растения имеют немало сходно устроенных пигментов.
Хромопротеины – имеют в своем составе комплекс белка, порфириновые кольца и металл.
Пигмент крови – гемоглобин – содержит в этом кольце атом железа, хлорофилл – магния.
Пигменты животных – меланины – коричневый, черный, желтый – окрашивают кожу, волосы, сетчатку глаза, покровы насекомых.
В мире нет практически чистых веществ, все вещества в своем составе имеют примеси. И все-таки, любые смеси можно разделить. Какие способы разделения веществ вы знаете?
– отстаивание
– фильтрование
– перекристаллизация
– декантация
– хроматография
Слово “хроматография” означает: “хромо” – цвет, “графо” – пишу. В XIX веке чрезвычайное интеллектуальное удовлетворение ученым доставило обнаружение смысла зеленой окраски растений. Оказывается, растения поглощают свет и поглощенную энергию используют для синтеза питательных веществ! Нужно было выделить и очистить пигменты зеленого листа – хлорофиллы. А они так близки по свойствам, что разделить их не удавалось.
Михаил Семёнович Цвет является творцом этого метода анализа, открывшего широчайшие возможности для тонкого химического исследования. В XIX веке чрезвычайное интеллектуальное удовлетворение ученым доставило обнаружение смысла зеленой окраски растений. Оказывается, растения поглощают свет и поглощенную энергию используют для синтеза питательных веществ! Нужно было выделить и очистить пигменты зеленого листа – хлорофиллы. А они так близки по свойствам, что разделить их не удавалось.
Михаил Семенович Цвет бился над задачей разделения пигментов зеленого листа. Он взял стеклянную трубку, наполнил ее порошком мела и на верхний слой налил немного спиртового экстракта листьев. Экстракт был буро-зеленого цвета, и такого же цвета стал верхний слой меловой колонки. А затем Михаил Семенович начал по каплям лить сверху в трубку с мелом чистый спирт. Капля за каплей очередная его порция растворяла пигменты с крупинок мела, передвигаясь вниз по трубке. В результате в столбике мела получались однородные окрашенные полосы чистых веществ. Это было прекрасно. Ярко-зеленая полоса, полоса чуть желтее зеленого – это два вида хлорофиллов и яркая желто-оранжевая полоса каротиноидов. Цвет назвал эту картину хроматограммой.
(Трудно удержаться от улыбки: Цвет – хромос, хроматограмма – цветограмма.)
Метод был так странно прост, что большая часть современников или не восприняла это удивительное открытие, или, что еще печальнее, резко восстала против его автора.
Молчание длилось почти 30 лет...
В 1944 году английские химики предложили метод бумажной хроматографии. Сегодня использование принципа хроматографического разделения веществ – основа большинства достижений в науке и технике.
II. Целеполагание
Сегодня, ребята, вам предстоит освоить два способа разделения пигментов. Давайте представим, что вы сегодня проводите небольшой научный эксперимент по выделению пигментов из растений. Но прежде чем вы начнете работу, четко определите для себя:
Цель и задачи урока (ребята формулируют самостоятельно, учитель помогает и корректирует):
Расширить и углубить наши представления о пигментах как особых веществах живой клетки, способах разделения смесей, о способах выделения из смеси нужного вещества.
– Кроме того, каждая группа формулирует для себя:
- рабочую гипотезу
- ожидаемый результат
(Ученикам приходилось и ранее делать подобное; если же на уроке учитель впервые дает задание сформулировать гипотезу и предположить результат – этот момент тщательно прорабатывается учителем; учитель поясняет, что такое гипотеза и как ее правильно сформулировать)
Каждой группе после выполнения работы будет представлено слово для отчета о выполненной работе и ее результатах.
– Для начала познакомьтесь с инструкцией по выполнению работы, которая находится у вас на рабочем столе. Помните о технике безопасности при работе с химическими реактивами.
III. Работа с инструкционной картой и выполнение практической части урока
Алгоритм работы в группе:
(раздается каждой группе на рабочий стол)
- Внимательно изучи инструктивную карту.
- Обратись к учителю за пояснениями, если что-либо непонятно.
- Сформулируй гипотезу и предположи результат работы.
- Выполни работу.
- На хроматограмме определи типы пигментов и отметь их расположение.
- Составь по работе отчет и пoдготовь выступление.
По всем неясным вопросам, возникающим во время работы не стесняйся обращаться за помощью к учителю!Удачи!
ИНСТРУКЦИЯ ПО ВЫПОЛНЕНИЮ ПРАКТИЧЕСКОЙ РАБОТЫ
(Раздается каждой группе на рабочий стол)
1. РАЗДЕЛЕНИЕ ПИГМЕНТОВ ПО КРАУСУ
“Нет ничего практичнее хорошей теории”
Роберт Кирхгоф, нем. физик
Метод основан на различной растворимости пигментов в спирте и бензине. Сродство пигментов к полярным (спирт, ацетон) и неполярным (бензин) растворителям определяется степенью их полярности.
Ксантофиллы, содержащие две или более полярные группы, хорошо растворимы в спирте, в то время как каротин отличается более высоким сродством к бензину. Фитольный остаток в молекуле хлорофилла представляет собой ее гидрофобную часть и обуславливает возможность взаимодействия молекулы пигмента с бензином. Удаление фитола при омылении хлорофилла увеличивает сродство пигмента к полярным растворителям.
Ход работы
Убедиться в том, что в спиртовой вытяжке наряду с хлорофиллом присутствуют жёлтые пигменты, можно, используя их различную растворимость в спирте и бензине. Из пигментов группы каротиноидов в хлоропластах находится преимущественно жёлто-оранжевый каротин и золотисто-жёлтый ксантофилл. Все пигменты можно выделить из листа спиртом, но растворимость хлорофилла и каротина в бензине выше, чем в спирте. Ксантофилл в бензине не растворяется.
Методика проведения опыта:
В пробирку налейте 2 – 3 мл вытяжки, столько же бензина и 1 – 2 капли воды. Закрыв пальцем пробирку, взболтайте в течение 2 – 3 мин. Через некоторое время жидкость разделится на 2 слоя: бензин, как более легкий, окажется наверху, спирт – внизу. Оба слоя приобрели различную окраску: бензиновый – зеленую, спиртовой – жёлтую. Жёлтый цвет спиртовому раствору придает пигмент ксантофилл. В бензиновом слое находятся 2 пигмента: хлорофилл и каротин, который не заметен из-за интенсивно-зеленого цвета хлорофилла.
Действие щелочи на хлорофилл.
По химическому составу хлорофилл представляет сложный эфир дикарбоновой кислоты хлорофиллина. Хлорофиллин представляет собой азотосодержащее металлоорганическое соединение, относящееся к магний-порфиринам. В центре молекуле хлорофилла расположен атом магния, который соединён с четырьмя азотами пиррольных группировок. В пиррольных группировках хлорофилла имеется система чередующихся двойных и простых связей. Это и есть хромофорная группа хлорофилла, обуславливающая его окраску.
При взаимодействии сложных эфиров со щелочами (реакция омыления) происходит разрыв сложноэфирных связей с образованием соли данной кислоты и спиртов. В результате реакции омыления образуется соль хлорофиллина и 2 спирта: метиловый и фитол.
Методика выполнения эксперимента:
Налейте в пробирку 2 – 3 мл спиртовой вытяжки пигментов, добавьте 4 – 5 капель 20%-ного раствора щелочи и взболтал смесь. Произошла реакция взаимодействия хлорофилла со щелочью. Цвет раствора не изменился, так как соли хлорофиллина имеют зеленую окраску. Затем добавьте бензин, чтобы общий объем жидкости в пробирке увеличился в 2 раза, взболтайте и дайте отстояться.
Нижний спиртовой слой окрасился в зеленый цвет благодаря присутствию в нём натриевой соли хлорофиллина, которая, в отличие от хлорофилла, в бензине не растворима. Здесь же, в спиртовом слое, находился пигмент ксантофилл, но его окраска маскируется интенсивно зелёным цветом натриевой соли хлорофиллина. Верхний слой бензина окрашен в жёлтый цвет пигментом каротином.
Опыты по разделению пигментов спиртовой вытяжки листа показывают, что она содержит два жёлтых пигмента: каротин и ксантофилл. Количественное соотношение их в растениях примерно равное.
Химические свойства хлорофилла
Наличие магния можно легко обнаружить. Для этого надо подействовать на спиртовую вытяжку хлорофилла слабым раствором соляной или какой-либо другой кислоты. При этом произойдёт изменение окраски – вытяжка приобретает жёлто-бурый оттенок. Хлорофилл без магния получил название феофитина.
В молекуле феофитина сравнительно легко ввести обратно какой-нибудь металл и восстановить металлоорганическую связь. Для этого к раствору феофитина прибавляют ацетат меди или ацетат цинка и нагревают. Цинк или медь входят в молекулу хлорофилла, и вытяжка становится опять зелёного цвета.
Методика проведения эксперимента:
- В пробирку со спиртовой вытяжкой хлорофилла добавьте разбавленный раствор соляной кислоты (1:20) до изменения цвета спиртовой вытяжки (бурый оттенок). Образовался феофитин. (Спиртовая вытяжка – 5 мл, соляная кислота – 25 капель). Пробирку необходимо постоянно встряхивать.
- К раствору феофитина, полученному в первом опыте добавьте кристаллический ацетат цинка 0,1 г (избыток) и нагрейте на водяной бане в течение 5 минут. Раствор приобрел опять зелёное окрашивание. Образовался хлорофилл.
2. РАЗДЕЛЕНИЕ КРАСИТЕЛЕЙ ИЗ РАСТЕНИЙ МЕТОДОМ БУМАЖНОЙ ХРОМАТОГРАФИИ.
Вначале приготовьте раствор красителя. Для бумажной хроматографии его понадобиться менее 10-15 капель. Достаточно растереть два маленьких листочка и для извлечения из них красящих веществ добавить 2 мл пропанона (ацетона).
Выберем восходящую хроматографию. Вырежьте из бумаги полоску шириной 1 см. На одном конце сделайте полоску поуже, чтобы получился вытянутый “язычок”. Над тем местом, где полоска начинает сужаться, простым карандашом нанесите линию старта. На середину этой линии нанесите одну за другой несколько капель приготовленной вытяжки хлорофилла. Каждую следующую каплю можно наносить только после того, как высохнет предыдущая, и нужно следить, чтобы пятно на старте не получилось слишком большим. Поэтому раствор нанесем на бумагу пипеткой с тонко оттянутым концом. Для ускорения высушивания можно поместить полоску на нагретый кусок листового металла или асбеста, либо выдержать ее в сушильном шкафу. Капли нужно наносить до образования на линии старта пятна интенсивного зеленого цвета. Подвесьте полоску бумаги в пробирке так, чтобы язычок на 1 см был погружен в растворитель (петролейный эфир, толуол, бензин). Под действием капиллярных сил растворитель будет подниматься по бумаге, а вместе с ним будут подниматься и красители. Но продвигаться по бумаге они будут с различной скоростью.
Медленнее всех поднимается желто-зеленый хлорофилл b, быстрее – ксантофилл и еще быстрее сине-зеленый хлорофилл а. С фронтом растворителя поднимается желтый или оранжевый каротин. После высушивания язычок бумажной полоски погружают в 2Н cоляную кислоту.
IV. Обсуждение результатов эксперимента
Примерный план отчета
(Раздается каждой группе)
– Что изучалось?
(Постановка проблемы исследования, цели и задачи).
– Как изучалось?
(Описание методов исследования)
– Какие результаты были получены?
(Основные выводы).
После выполнения экспериментальной части работы ребята работают с полученными хроматограммами, находят каждый из пигментов на своей хроматограмме и выступают с отчетами о своей работе. Хроматограммы прилагаются в отчете.
Работая самостоятельно в группах, ребята разработали каждая свою гипотезу, цели и задачи работы, ожидаемый результат.
Так, одна из групп предложила следующее:
Цель: Разделить пигменты методом хроматографии на бумаге и при помощи двух несмешивающихся жидкостей.
- Вспомнить все способы разделения смесей.
- Научиться готовить вытяжку из листьев растений.
- Отработать навыки разделения пигментов различными способами.
- Научиться анализировать хромотограммы.
- Отметить на хроматограмме типы пигментов.
- Оценить совершенную работу и полученный результат.
Гипотеза:
Если мы выделим и разделим пигменты растений, то мы установим, какие типы пигментов содержат данные нам растения.
Ожидаемый результат:
Получить хроматограммы с разными типами пигментов.
Следующая группа предложила свой вариант:
Цель: Научиться различным способам разделения пигментов, в частности – при помощи несмешивающихся жидкостей и на специальной хромотографической бумаге.
- Усвоить способ получения вытяжки пигментов из растений.
- Научить распознавать типы пигментов.
- Научиться анализировать хроматограмму.
- Научиться читать хроматограмму.
Гипотеза:
Если мы получим хроматограмму, то, прочитав ее, мы сможем выяснить, какие пигменты есть в растении.
Ожидаемые результаты:
Выделить и получить пигменты, содержащиеся в растении.
V. Рефлексия урока
Учитель задает вопросы ученикам:
– Что вас удивило? Что интересного заметили? Какие вы видите факты?
– Вы смогли выполнить задание? В чем затруднение?
– Вы смогли выполнить задание? Почему не получается? Чем это задание похоже на предыдущее?
– Что вы хотели сделать? Какие знания применили? Задание выполнено?
– Что на уроке было самым интересным?
– Что вызывало затруднения?
– Что у вас вызвало удивление?
– Какие вы выскажите пожелания учителю и друг другу?
– Как вы оцениваете свою работу?
Ребята высказывают свои мнения и пожелания.
Список использованной литературы:
- Энциклопедический словарь юного химика. Москва. "Педагогика". 1990.
- Э. Гроссе. Х. Вайсмантель. Химия для любознательных. Ленинград. "Химия". Ленинградское отделение. 1987 год.
- В.И. Астафуров. Основы химического анализа. Москва. Просвещение. 1983 год.
- А.П.Крешков Основы аналитической химии, – Москва, “Химия”, 1970
- И.И.Грандберг Органическая химия, – Москва, “Дрофа”, 2002
- Н.В.Батурицкая, Т.Д.Фенчук Удивительные опыты с растениями, – Минск, “Народная асвета”, 1991, с. 54 – 61.
- Э.Е.Нифантьев, М.К.Верзилина, О.С.Котлярова Внеклассная работа по химии с использованием хроматографии, – Москва, “Просвещение”, 1983, с.7 – 8.