1. 실험제목: 지시약의 작용원리
2. 실험목적: 꽃잎에서 추출하여 천연 지시약으로 사용하는 안토시아닌 색소를 pH가 다른 용액에 첨가하여 pH변화에 따른 색 변화를 관찰하고, 지시약의 작용원리를 이해한다.
3.
실험원리
① 지시약이란?
지시약은 그 자체가 약산 또는 약염기이며, 특정 pH에서 일정한 색깔을 갖는 화합물을 말한다. 따라서 산 또는 염기와 반응하면 지시약의 화학 구조가 변화되고, 그에 따라 색깔도 변화된다. 첨가되는 지시약의 양을 많이 너무 많으면 적정의 불확실도가 커지므로
최소량을 사용해야 한다. 또한 지시약의 종류에 따라서 색이 변화되는 pH 범위가 다르기 때문에 적정하려는 산과 염기에 따라 적절한 지시약을 선택하여야 적정의 불확실도를 줄일 수 있다.
지시약 | 산성에서의 색 | 변색범위(pH) | 염기성에서의 색 |
methyl violet | yellow | 0.2~2 | violet |
thymol blue | pink | 1.2~2.8 | yellow |
bromophenol blue | yellow | 3.0~4.7 | violet |
methyl orange | pink | 3.2~4.4 | yellow |
bromocresol green | yellow | 3.8~5.5 | blue |
bromocresol purple | yellow | 5.2~6.8 | purple |
litmus | red | 4.7~8.2 | blue |
phenolphthalein | 무색 | 8.3~10.0 | pink |
thymolphthalein | 무색 | 9.3~10.5 | blue |
alyzain yellow G | 무색 | 10.1~12.1 | yellow |
(변색범위; 지시약의 변색을 감지 할 수 있는 범위를 말하며 보통 pH로 표시)
②지시약의 발견
영국의 과학자 보일(Robert Boyle, 1627∼1691)은 황산을 얻기 위해 금속이 포함된 황산염을
증류하는 실험을 하고 있었다. 증류가 다 끝난 후 산 증기에 노출된 바이올렛 꽃다발을 세척하기 위해서 꽃다발을 컵 속의 물에 담가 두었다. 얼마 후 보라색이었던 바이올렛 꽃이 빨간색으로 변화된 것을 보았다. 우연한 변화에서 힌트를 얻은 보일은 바이올렛 꽃잎에서 추출한 성분으로 실험을 해보아도 산성 용액에서는 빨간색으로 변화되는사실을 알아냈다. 그 후에 보일은 여러 가지 약초, 튤립, 쟈스민,
배꽃, 리트머스 이끼 등의 추출 액을 만들어 산과 염기용액에서 어떤 색으로 변화되는지를 관찰하였다. 리트머스 이끼에서 얻은 추출 액을 종이에 적신 후에 말려서, 그 종이를 각종 용액에 넣어 보았다. 그 결과 종이의 색깔이 산성용액에서는 붉은색, 염기성 용액에서는 푸른색을 띄는 사실을 알아내었다. 그 종이는 산성용액과 염기성 용액을 구별하는데 오늘날까지 널리 사용되고 있는 리트머스
종이이다.
③ 천연 pH 지시약의 원리
a. 안토시아닌 (anthocyanin)
과일, 야채, 꽃에 존재하는 많은 성분 중에서 pH의 변화에 따라 색 변화를 일으키는 물질은 pH
지시약으로 이용할 수 있다. 안토시아닌은 색소이며, pH 지시약으로 사용될 수 있는 대표적인 물질이다. 안토시아닌은 꽃을 의미하는 그리스어 안토스(anthos)와 청(靑)을 의미하는 키아노스(kyanos)가 복합된 말이다. 안토시아닌은 꽃, 과실, 줄기, 잎, 뿌리 등에 포함되어 있는 적색, 청색, 자색의 수용성 플라보노이드계 식물색소이다. 식물색소를 산소 혹은 산으로 가수분해하면 당과 당 이외의 부분(aglycone)으로 분해되며, 당 이외의 부분을 안토시아니딘(anthocyanidin)이라 부른다. 어떤 색소는 당과 함께 방향족, 비 방향족의 유기산이 결합되어 있으며, 식물의 꽃이나 과실 껍질 등에서 고운 빛깔을
나타내는 부분에 많이 존재한다. 이것은 당에 포함되어 있는 특정한 위치에 있는 히드록시 기와 각종 알코올, 페놀, 알데히드 등의 작용기가 반응하여 에테르형 결합을 하면서 생성된 화합물이다. 산을 가하면 적색으로 변하고 빨리 퇴색하는 성질이 있다. 가을철 단풍 이 매우 다양한 색깔로 보이며, 꽃이 빨강, 보라, 노란색으로 보이는 것도 모두 이 색소 때문이다. 꽃이 천차만별로
아름다운 색조를 나타내는 것은 안토시아닌이 식물체 속에서 칼륨, 마그네슘과 같은 금속과 결합하여 금속 염 혹은 매우 다양한 착물을 형성하기 때문이다. 안토시아닌은 산성에서는 붉은색, 염기성에서는 푸른색, 강염기성에서는 노란색으로 변색한다.
//en.wikipedia.org/wiki/Anthocyanin
b. 색 변화의 원인
안토시아닌이 포함되어 있는 식물은 pH에 따라 색이 변하기 때문에 지시약으로 사용될 수 있다. 식물에서 추출한 안토시아닌의 색깔은 pH, 색소의 농도, 다른 색소의 존재 여부, 금속이온과 결합여부 등에 따라 변화한다. 안토시아닌은 아래와 그림과 같은 기본 구조를 가지고 있으며, R 혹은 R’에 어떤 작용기 혹은 원자가 결합되는가에 따라 색깔이 바뀌며, 6개의 화합물로 구별할 수 있다.
<안토시아닌의 분자구조 변화와 색 변화>
<안토시아니딘 화합물과 최대 흡수 파장>
안토시아닌 화합물 | R | R’ | 이름 | 흡수파장(nm) |
1 | H | H | Pelargonidin | 520 |
2 | OH | H | Cyanidin | 535 |
3 | OH | OH | Delphinidin | 544 |
4 | OCH3 | H | Peonidin | 532 |
5 | OCH3 | OH | Petunidin | 543 |
6 | OCH3 | OCH3 | Malvidin | 542 |
안토시아닌이 포함되어 있는 보라색과 붉은색을 띤 꽃, 과일, 야채 등을 즙을 내어 물로 희석하여 보면 붉은색을 띤 구조를 갖는다. 염기를 첨가하면 수소이온이 사라져서 파란색을 띤 구조로 바뀐다. 안토시아닌의 색을 나타내는 구조는 3~4개이며, 모두 가역적이기 때문에, 색이 다른
구조들 사이의 평형이 이동한다. 특정 pH에서 우세한 화학종에 의한 색이 전체 색깔로 나타나는 것이다. 그러나 강한 염기성을 나타낼 때까지 염기를 첨가한 다음에는 다시 산을 첨가하여도 고유한 붉은색을 보기가 어렵다. 그 이유는 물이나 공기중의 산소에 의해 빠르게 산화하여 갈색의 중합체로 되기 때문이다.
<꽃잎
지시약의 변색 범위>
색깔 | pH |
cherry red | 1~2 |
cerise | 3 |
plum | 4 |
royal purple | 5 |
blue purple | 6 |
blue | 7 |
blue green | 8 |
emerald green | 9~10 |
grass green | 10~11 |
lime green | 12~13 |
yellow | 14 |
4. 기구 및 시약
a. 기구:비이커, 시험관, heat plate, 스포이드, 유리막대
그림 1. 필요한 기구
b. 시약: pH 시험지, 0.1M HCl,
0.1M CH3COOH, 0.1M NaHCO3, 0.1M Na2B4O7,
0.1M Na2CO3, 0.1M NaOH, 에탄올
5.
실험방법
① 한 송이 분량의 장미꽃잎을 비커에 넣고 에탄올 20ml 정도 넣는다.
② 에탄올이 든 비커를 용액의 색이 충분히 진해질 때까지 저으면서 가열해서 꽃잎을 탈색시킨다.
③ 꽃잎을 탈색한 에탄올 용액을 가열하여 농축시킨 후, 이 용액을 거른다.
④ 증류수를 포함한 7 개의 시험관에 준비된 용액을 5ml정도씩 부은 후 시험관에 물질의 이름을
표시한다.
그림 2.
⑤ 유리 막대에 각 물질을 조금 묻혀 pH 시험지에 찍고 색 변화를 관찰, pH를 알아본다.
⑥ 각 시험관에 꽃잎지시약을 3~5방울씩 떨어뜨린 후 천천히 흔들고 각 시험관의 색깔
변화를 관찰 하여 아래 표에
기록한다.
<주의 사항>
1.borax(Na2B4O7 )는 독성물질이며, 용액이 피부에 흡수될 수 있다. 반드시 보안경도 착용하고 실험하여야
한다. NaOH 또한 조심스럽게 다루어야 한다.
2. 꽃의 색깔에 따라 색소의 색깔이 달라질 수 있다.
3. 지시약을 만들 때 에탄올의 증기를 마시지 않게 조심하여야 한다.
참고
사항:
//www.youtube.com/watch?v=n8FLy0fSmMs(양배추 지시약 실험)