Цель: ознакомить с порядком выполнения работы; сделать вывод о химических свойствах пигментов листа.
Теоретические сведения. Пигментная система хлоропласта представлена двумя типами пигментов: зелеными – хлорофиллами а и b и желтыми – каротиноидами. Основной функциональный пигмент – хлорофилл а , служит непосредственным донором энергии для фотосинтетических реакций, остальные пигменты лишь передают ему поглощенную энергию.
Ход работы:
Получение спиртового раствора (вытяжки) пигментов. Пигменты из растительной ткани извлекают полярными растворителями (этиловый спирт, ацетон), которые разрушают связь хлорофиллов и ксантофиллов с липопротеидами пластид и обеспечивают их экстрагирование. Сухие листья помещают в коническую колбу на 200 мл и ошпаривают кипятком, затем воду сливают. В колбу приливают 100 мл этилового спирта, закрывают ее корковой пробкой с обратным холодильником и ставят на баню с кипящей водой для экстрагирования пигментов. После пятиминутного кипячения содержимое колбы охлаждают и осторожно сливают в другую колбу. Экстракт используют в последующих опытах.
Разделение пигментов по Краусу. Метод основан на различной растворимости пигментов в спирте и бензине. Указанные растворители в одном сосуде не смешиваются, а образуют две фазы – верхнюю бензиновую, нижнюю спиртовую, благодаря чему компоненты смеси пигментов разделяются.
В пробирку наливают 2-3 мл спиртового экстракта пигментов, и 3-4 мл бензина. Содержимое пробирки встряхивают, закрыв ее пробкой или большим польцем, и отстаивают. По мере расслоения эмульсии бензиновый слой окрашивается в зеленый цвет из-за лучшей растворимости в нем хлорофилла. В бензин переходит и каротин, но его окраска максируется хлорофиллом. Ксантофилл остается в спиртовом слое золотисто-желтой окраски.
Если пигменты не разделяются, добавляют три- четыре капли воды и снова встряхивают. При избытке воды возможно помутнение нижнего слоя. В этом случае следует прилить немного этилового спирта и взболтать пробирку.
Зарисовывают картину распределения пигментов и делают выводы.
Омыление хлорофилла щелочью. Обрабатывая хлорофилл щелочью, можно вызвать омыление эфирных групп, т.е. отщепление остатков метилового спирта и фитола:
Образующаяся при этом соль хлорофиллиновой кислоты сохраняет зеленую окраску и оптические свойства хлорофилла, но отличается от него большей гидрофильностью.
В пробирку с 2-3 мл спиртового раствора пигментов приливают 1 мл 20%-ного раствора NaОН и взбалтывают. Пробирку ставят на кипящую водяную баню. Как только раствор закипит, пробирку вынимают и охлаждают, затем добавляют равный объем бензина и несколько капель воды. Содержимое пробирки резко встряхивают и отстаивают. В бензиновый слой переходят каротин и ксантофилл, а в спиртовой - натриевая соль хлорофиллиновой кислоты. Зарисовывают окраску слоев, указывая распределение пигментов.
Получение феофитина и обратное замещение водорода атомом металла. Атом магния сравнительно слабо удерживается в порфириновом ядре хлорофилла и при осторожном воздействии сильных кислот легко замещается двумя протонами с образованием феофитина бурого цвета:
Если на феофитин действовать солями меди, цинка или ртути, то вместо двух протонов в ядро входит соответсвующий металл и продукты реакции окрашиваются в зеленый цвет. Однако полученная окраска несколько отличается от окраски хлорофилл:
Следовательно, цвет хлорофиллов обусловлен металлорганической связью в их молекулах. Обратное введение магния в феофитин сильно затруднено. В две пробирки берут по 2-3 мл спиртовой вытяжки пигментов и добавляют по одной – две капли 10%-ной раствора соляной кислоты. При взбалтывании зеленая окраска хлорофилла переходит в бурую, характерную для феофитина. Одну пробирку с феоситином оставляют для контроля, а во вторую вносят несколько кристаллов ацетата меди и нагревают раствор на водяной бане до кипения. По мере нагревания бурый цвет раствора меняется на зеленый в результате образования хлорофилло подобного производного меди.
Зарисовывают окраску феофитина и медьпроизводного хлорофилла.
Оборудование: Сухие или сырые листья, этиловый спирт, бензин, 20% -ный раствор NаОН, 10%-ный раствор соляной кислоты в капельнице, ацетат меди. Конические колбы с обратным холодильником, водяные бани, штативы с пробирками, пипетки на 1 мл, конические колбочки, цветные карандаши.
Литература: 1, с. 63-66
Контрольные вопросы:
1 Какава роль хлорофилла в процессе фотосинтеза?
2 Какава роль каратиноидов в процессе фотосинтеза?
3 Каков механизм приобразавания энергии света в химическую энергию?
Соединения металлов с ковалентными связями в апротонных растворителях изменяют свои свойства и диссоциируют, а затем образуют комплексные соединения, например : Интересен процесс растворения TiCl4 в диметилформамиде (ДМФА) и диметилсульфоксиде (ДМСО). Молекулы растворителя взаимодействуют с титаном....Хлорофилл
(Процессы комплексообразования природного и техногенного происхождения)Биосинтез хлорофилла
(Процессы комплексообразования природного и техногенного происхождения)(Процессы комплексообразования природного и техногенного происхождения)
Хлорофилл
Понятие хлорофилл происходит от греческих слов (х^сорбс; - зелёный и (poAXov- лист). Это зеленый пигмент растений, с помощью которого происходит поглощение солнечного света и процесс фотосинтеза. Тимирязев был одним из первых исследователей, обративших внимание на хлорофилл. Это - группа сложных...(Процессы комплексообразования природного и техногенного происхождения)
Биосинтез хлорофилла
В природе за биосинтез хлорофилла несут ответственность центры биосинтеза- полиферментные комплексы. Процесс биосинтеза нагляден. На последней стадии биосинтеза у высших растений происходит превращение слабоокрашенного протохлорофиллида под действием света в хлорофилл. Процесс протекает за несколько...(Процессы комплексообразования природного и техногенного происхождения)
Физико-химические свойства хлорофилла
Хлорофилл а имеет высокую молекулярную массу 893,52. При температуре 117-120 °С черно-голубые микрокристаллы хлорофилла плавятся. Хлорофилл а растворяется в диэтиловом эфире, этаноле, ацетоне, бензоле, хлороформе b пиридине. Его растворы имеют сине- зеленую окраску и сильно флуоресцируют....(Процессы комплексообразования природного и техногенного происхождения)
)
. Пост очень длинный.
Надеюсь, вы запаслись необходимыми ингредиентами? Сегодня мы будем извлекать хлорофилл. В разных книгах и фильмах о магических лабораториях, обязательно есть сосуд заполненный светящейся зеленой жидкостью, над которой дымится сизоватый туман...
На самом деле это не столь далекая от реальности волшебная картинка. Но не буду забегать вперед.
Получение хлорофилла и изучение его свойств
Цель:
извлечение хлорофилла из зеленых растений для изучения его свойств.
Материалы и оборудование :
2-3 листочка комнатного растения (герани, традесканция, подойдут и другие зеленые растения, но избегайте брать ядовитые, например, алоказию). Листья нужно брать темно-зеленые, с большим содержанием хлорофилла.
15 мл медицинского спирта (в идеале 95%, но сгодится и 70%, тогда немного увеличим спиртовой объем). Если вы решите делать опыт 3, то есть смысл сделать экстракта побольше.
Мел - небольшой кусочек.
Фарфоровая посуда с фарфоровым пестиком, ложкой (в идеале фарфоровая ступка с пестиком)
Маленькая воронка, для процеживания.
Фильтровальная бумага (можно попробовать заменить плотной салфеткой
)
Пробирки и небольшой стаканчик.
Фонарик.
Черная бумага (для оборачивания пробирки), клей, резиночка или скотч для закрепления.
Ножницы, нож.
Опыт 1. Экстракция хлорофилла
Ход работы:Экстрагирование - это выделение вещества под действием растворителя. Экстракция хлорофилла проводится спиртом, так как именно в нем, зеленый пигмент растворяется. В основе этого волшебства лежит обыкновенная диффузия.
1. Измельчите листья с помощью ножниц (или ножа), поместите в фарфоровую ступку и растирайте пестиком. Когда масса станет более или менее кашеобразной, добавьте немного спирта, продолжая растирать.
PS: в идеале для лучшего перетирания добавляют крошку стекла, но мы обойдемся и без нее.
У меня нет фарфорового пестика, вместо него я использую фарфоровую солонку. Очень удобно в обращении, как оказалось.
2. Добавьте в массу меловую крошку (маленькую щепотку). Это необходимо, чтобы нейтрализовать кислотность клеточного сока, выходящего из вакуолей. Кислоты клеточного сока обладают способностью разрушать хлорофилл, тогда вытяжка становится непригодной для опытов. А мел исправляет ситуацию.
3. Продолжая растирать кашицу, добавьте постепенно оставшийся спирт. Должен получиться изумрудный цвет жидкости.
4. Процеживаем через воронку с фильтром. Будет очень хорошо если у вас найдется настоящая фильтровальная бумага. Если ее нет, но можно воспользоваться промокашкой (жаль их перестали добавлять в тетради), или плотными салфетками, слоем ваты от ватного диска. Вата поглотит много жидкости. Поэтому, если станете ее использовать, то стоит сделать экстракта побольше. На рисунке ниже показано как правильно сложить фильтр для процесса из промокашки.
Внимание! Когда будете прикладывать фильтр в воронку, не используйте воду, для того, чтобы бумага прилипла к воронке, иначе опыт может не получиться.
Фильтруем в стаканчик. Это займет какое-то время, минут пять или больше. Чтобы как-то занять ребенка в процессе ожидания, можно поиграть в слова, которые любят зеленый цвет. Но вот фильтрация завершилась.
Поздравляю, вы получили фильтрат. Наш фильтрат называется "вытяжка хлорофилла" или его спиртовой экстракт.
Опыт 2. Какого цвета вытяжка хлорофилла?
"Что за странный вопрос!" - возмутитесь вы. Конечно, зеленого! А вот так ли это на самом деле? Будем разбираться.Ход работы:
1. Поднесем полученный экстракт к черной бумаге напротив окна. Что наблюдаете?
Красивый, правда? Кажется, будто светится изнутри. На самом деле он и правда светится! Это явление флуоресценции - то есть свечение веществ при поглощении ими света. Так вот, вытяжка хлорофилла - флуоресцентный раствор! Удивительно, но кажется, мы с вами раскрыли тайну необычного наполнения алхимической бутылочки со светящимся магическим раствором! Разве не чудо?
2. А теперь ответим на вопрос почему же не стоило смачивать водой фильтр, и почему в опыте используют именно спирт, а не водку. Что будет если мы добавим водички? Отлейте в пробирку немножко полученного экстракта и прибавьте к ней воды, около четверти от объема экстракта. Что наблюдаете?
Стоит добавить водицы, как раствор мутнеет, и больше не светится.
Если же мы прибавим к небольшому количестве экстракта сока лимона (или уксус), то раствор станет болотно-желтый, а если бы мы использовали сильную концентрированную кислоту, то он стал бы бурым. Это происходит потому, что магний, что стоит в центре молекулы хлорофилла, вытесняется водородом из кислоты и вместо хлорофилла формируется феофитин.
А оставшийся экстракт мы применим для изучения свойств флуоресценции. Хочу предупредить, что данный опыт может не получиться, если экстракта мало. Объем необходимый для опыта не менее 10 мл экстракта.
Опыт 3. Флуоресценция хлорофилла
Ход работы:1. Обернем пробирку трубкой из черной бумаги, чтобы свет не попадал с боков на вытяжку.
3. Добавим совсем немного, 1 мл вытяжки в пробирку. Отметим цвет.
4. Добавим еще 2 мл вытяжки к раствору в пробирке. Изменился ли цвет?
Вскоре вы увидите, что цвет из изумрудно-зеленого становится жестче, ближе к холодной синеватой нотке.
5. Еще немного вытяжки добавьте. Отмечайте как изменяется цвет раствора в пробирке, если смотреть на него сверху.
6. Когда вы добавите достаточно много экстракта, то не поверите своим глазам! Раствор станет красноватым, я бы даже его охарактеризовала как черно-красный.... На фотографии цвет искажается.
Чтобы добиться лучшего эффекта, поэкспериментируйте с расстоянием до источника света. Если лампа слишком мощная, то свет будет прошивать пробирку насквозь и эффект будет не заметен.
Объяснение опыта лежит в особенностях поглощения световой волны хлорофилла. Наивысшая степень поглощения света хлорофиллом лежит сине-фиолетовой зоне спектра, с длиной волны 430-460 нм. Второй пик наблюдается в зоне красных лучей (660-650 нм). В зоне оранжевого, желтого и голубого спектра поглощение очень слабое. А в зоне зеленого - поглощение самое слабое, свет отражается, поэтому нам кажется, что растения зеленые.
Однако, абсолютно не поглощаются лишь дальние красные лучи, расположенные на границе с инфракрасной областью. Так вот, когда концентрация хлорофилла растет в пробирке, или в лесу свет вынужден пробиваться сквозь густые многоярусные кроны, в какой-то момент, мы начинаем различать эти дальние красные лучи и угадываем густой цвет спелой черешни. Вот и ответ на загадку о красном пологе леса!
Опыт 4. Состав хлорофилла
Для этого опыта нам не понадобиться уже ничего делать, все, что остается - это обратить внимание на фильтр. Если вы внимательно присмотритесь к фильтру, то вы увидите, что экстракт хлорофилла растекается по нему неравномерно.
Сине-зеленые разводы сменяются желто-зелеными до желтоватых. Дело в том, что мы с вами, путем наблюдения, установили неоднородность пигмента хлорофилла. У всех высших растений два типа хлорофилла: хлорофилл А будет сине-зеленый, а хлорофилл В - желто-зеленого цвета, а желтые разводы представляют совершенно другие пигменты - каротиноиды. У всех этих пигментов разная способность растворяться и адсорбироваться (оседать, поглощаться) фильтром.
Опыт 5. Магическое зелье
А теперь нальем немного экстракта в фарфоровую посуду, приглушим свет и подожжем, соблюдая все правила ТБ. Гореть, конечно же, будет спирт, но как это эффектно смотрится в сочетании с зеленой вытяжкой хлорофилла....
Если у вас остался флуоресцентный раствор хлорофилла, его можно закупорить в скляночку и хранить как волшебный артефакт.
Вот такая магия биологии зеленого хлорофилла. Однако Фея Зеленкина не прощается с вами.
Продолжение следует....
PS: Информация для тех читателей, которым сложно достать спирт для опытов. Экстрагировать хлорофилл можно еще и бензином.
Хлорофилл — это пигмент, который придает листьям растений зелёный цвет. Хлорофилл обеспечивает растениям процесс фотосинтеза, процесс при котором с помощью солнечного света в растении происходят различные химические реакции, в том числе превращения углекислого газа из окружающего воздуха в различные органические вещества необходимые для жизнедеятельности растения. Именно в результате процесса фотосинтеза растения выделяют кислород , насыщая им воздух которым мы дышим!
Удивительно, но хлорофилл и гемоглобин (пигмент, окрашивающий кровь в красный цвет) имеют почти одинаковое строение! Молекулы хлорофилла и гемоглобина состоят из одного и того же комплекса и отличаются только центральным атомом. В хлорофилле это магний , а в гемоглобине — железо.
Формулы гемоглобина и хлорофилла
Применение хлорофилла
Хлорофилл используется уже достаточно длительное время в медицине. Хлорофилл обладает способностью выводить токсины из организма, его применяют при лечении язв и пролежней, для ускоренного заживления ран, а также используют как мягкое мочегонное средство и средство профилактики мочекаменной болезни. Обладая дезодорирующим эффектом, хлорофилл прекрасно справляется с неприятным запахом изо рта или пота. Недавние исследования японских ученых показали, что хлорофилл способен остановить образование и развитие раковых клеток. Правда, этот механизм ещё не изучен, но имеет отличные перспективы для создания средства лечения рака.
Хлорофилл может использоваться как чистый натуральный пищевой краситель , так и в составе пищевой добавки E140. Этот пищевая добавка совершенно безопасна и разрешена к использованию во всех странах мира. Хлорофилл придает продукту оливковый цвет и применяется в производстве мороженого, кремов, различных десертов, пудингов, в соусах типа майонеза.
Совсем необязательно искать этот полезный продукт в магазинах ведь хлорофилл можно получить самостоятельно в домашних условиях с помощью очень простого процесса.
Получение хлорофилла в домашних условиях
Получение хлорофилла достаточно простой процесс, который под силу любому. Для этого нам понадобятся любые свежие зелёные листья, больше всего хлорофилла содержится в шпинате, крапиве, брокколи и брюссельской капусте, но нам подойдут любые.
Немного измельчаем приготовленную зелень, помещаем в толстостенный сосуд (лучше стеклянный, но подойдет и эмалированная кастрюля) и заливаем небольшим количеством водно-спиртового раствора (для простоты можно использовать водку).
После этого помещаем стеклянный сосуд с ингредиентами в водяную баню. Через некоторое время жидкость начнет зеленеть — это выделяется хлорофилл. После того как получение хлорофилла закончено, осторожно вытащите листья. Они обесцветились, т.е. весь пигмент, придающий окраску листьям, выделился. Теперь выделенный хлорофилл можно использовать в быту, как было указано выше. Но будьте внимательны! Хлорофилл очень неустойчив на свету и воздухе и через некоторое время приобретет грязно-зелёный цвет. Поэтому использовать хлорофилл после получения следует как можно скорее!
Даже если вы не будете применять этот пигмент в хозяйстве, опыт по получению хлорофилла станет прекрасным наглядным уроком для ребёнка, ведь увидеть собственными глазами один раз лучше, чем рассматривать рисунки в учебнике биологии.
Знаете ли вы что?
Следы от травы на одежде можно легко оттереть спиртом или спиртосодержащими жидкостями
Выделение хлорофилла
На видео показано, как можно ещё произвести выделение хлорофилла в домашних условиях. Тут показан немного другой способ получения хлорофилла, отличающийся от вышеприведенного. В этом случае берутся листья, измельчаются, заливаются спиртовым раствором и растираются ступкой. В итоге получается раствор хлорофилла. Правда он будет находиться в спиртовом растворе, что несколько ограничивает применение такого хлорофилла.
Образование органических веществ из углекислого газа и воды за счет световой энергии происходит в зеленых пластидах - хлоропластах. Хлоропласты содержат ряд пигментов. Среди них два зеленых - хлорофилл a С55Н72О5N4Mg с синеватым оттенком, хлорофилл b С55Н70О6N4Mg с желтоватым оттенком и желтые - каротин C40H56 и ксантофилл C40H54(OH)2.
Чтобы изучить свойства этих пигментов, необходимо получить их в растворе. Они не растворяются в воде, но растворяются в спирте, ацетоне, бензине.
Цель работы. Ознакомиться с физико-химическими свойствами пигментов зеленого листа: растворимостью в различных растворителях; способностью хлорофилла к омылению; реакцией феофитинизации у хлорофилла под действием кислот. Получить спиртовую вытяжку из сухих листьев крапивы или свежих зеленых листьев различных культур.
Ход работы. Отвешивают 5 г свежих или 1 г сухих листьев, измельчают и помещают в ступку. При использовании свежих листьев в ступку прибавляют около 1 г СаСО3 и немного стеклянного или кварцевого песка и тщательно растирают листья. Затем добавляют спирт (около 10 мл) и продолжают растирание до получения темно-зеленой вытяжки.
С помощью специальной пипетки вытяжку переносят на сухой фильтр и фильтруют в сухую пробирку. Полученный фильтрат, имеющий темно-зеленый цвет, используют для анализа.
1. Разделение пигментов по Краусу. В сухую пробирку наливают небольшое количество (около 3 мл) полученной спиртовой вытяжки, прибавляют примерно полуторный объем бензина и несколько капель воды. Пробирку закрывают большим пальцем и несколько раз сильно встряхивают, а затем дают 2-3 мин постоять. После того как жидкость отстоится, в пробирке образуются два слоя: верхний зеленый слой (бензиновый) и нижний желтый слой (спиртовой). Если вода прибавлена в избытке, спиртовой слой мутнеет. В этом случае необходимо еще прибавить спирта и дать отстояться. Зарисуйте цветными карандашами слои в пробирках, где было получено разделение пигментов, обозначив, в каком растворителе растворяется тот или иной пигмент, или смесь пигментов. Сделайте выводы о различной растворимости пигментов в спирте и бензине. При этом нужно иметь в виду, что ксантофилл, будучи двухосновным спиртом, слабо растворим в бензине. Каротин, являясь непредельным углеводородом, лучше растворяется в бензине. Хлорофилл - сложный эфир - при разбавлении спирта водой перемещается в бензиновый слой.
2. Омыление хлорофилла щелочью. К 3- 4 мл спиртовой вытяжки добавляют 1-2 кусочка NaОН или КОН и взбалтывают. Происходит омыление хлорофилла. Затем приливают в пробирку равный объем бензина, несколько капель воды, сильно встряхивают и дают отстояться. В результате действия щелочи получаем следующее размещение слоев: вверху в бензине остается каротин, а внизу - ксантофилл, и к нему опускается вновь образовавшаяся натриевая или калиевая соль хлорофиллина. Она имеет такую же окраску, как и хлорофилл, но в отличие от него не растворяется в бензине.
Хлорофилл - это сложный эфир дикарбоновой кислоты хлорофиллина и двух спиртов метилового (СН3ОН) и фитола (С20Н39ОН).
Хлорофилл а
Хлорофилл b
При действии на хлорофилл щелочей эфирные связи омыляются, тогда в растворе получаются свободные спирты (метанол, фитол) и соль хлорофиллиновой кислоты.
Хлорофилл благодаря наличию фитола обладает хорошей растворимостью в бензине. При омылении его происходит отщепление спиртов - фитола и метанола. Оставшаяся часть молекулы - двухосновная кислота хлорофиллин - образует натриевую соль, которая, как и все соли, растворима в воде и нерастворима в бензине. В результате после омыления в бензине остается только высоколипофильный каротин.
Зеленый цвет хлорофилла связан с наличием в центральном ядре молекулы магния, который соединен с четырьмя пиррольными кольцами. Продукты омыления хлорофилла сохраняют зеленый цвет вследствие того, что центральное ядро в молекуле хлорофилла остается не разрушенным.
Зарисуйте цветными карандашами слои в пробирке и сделайте пояснения. Сформулируйте выводы о действии щелочей на хлорофилл и различной растворимости хлорофиллина в спирте и бензине.
3. Действие кислот на хлорофилл. Берут две пробирки со спиртовой вытяжкой пигментов и добавляют в обе пробирки по 3-4 капли 10 %-ного раствора соляной кислоты. Раствор становится бурым вследствие образования феофитина - продукта замещения магния в хлорофилле водородом.
Если в одну из пробирок с побуревшей от кислоты вытяжкой прибавить несколько кристаллов уксуснокислого цинка или меди и осторожно нагреть пробирку до кипения, при вскипании бурый цвет раствора сменится на ярко-зеленый. Происходит это потому, что атом цинка или меди становится на место водорода в молекуле феофитина, восстанавливая при этом его окраску. Напишите уравнение этой реакции. Сделайте зарисовки цветными карандашами.
Материалы и оборудование: свежие или сухие листья, этиловый спирт, бензин, NaOH или KOH, 10 %-ный раствор HCl, уксуснокислый цинк или медь, CaCO3, кварцевый песок или битое стекло, ступки с пестиком, воронки, штативы с пробирками, пипетки, спички, бумажные фильтры, цветные карандаши, пипетки для переноса вытяжки.
