ДОСЛІДЖУЄМО, МОДЕЛЮЄМО, ПРОЄКТУЄМО
Складіть план експерименту з екстракції речовин із сухого чайного листя. Сформулюйте гіпотезу щодо залежності швидкості екстрагування речовин від подрібненості сировини та температури розчинника. Для дослідження візьміть кілька сортів чаю (наприклад, пакетований і крупнолистковий). Використовуйте воду різної температури (прохолодну, гарячу, окріп). Сформулюйте висновки щодо відповідності результатів експерименту вашій гіпотезі.
1) Мета дослідження: З’ясувати вплив ступеня подрібненості сировини та температури розчинника (води) на швидкість екстракції розчинних речовин із сухого чайного листя.
2) Гіпотеза: Швидкість екстрагування речовин із чайного листя зростає зі збільшенням ступеня подрібненості сировини та підвищенням температури розчинника.
3) Обладнання та реактиви: Шість однакових за об’ємом прозорих термостійких склянок, секундомір, вода (прохолодна близько , гаряча близько , окріп близько ), пакетований дрібно подрібнений чай, крупнолистковий чай.
4) Оцінка ризиків та безпека: Під час роботи з окропом слід дотримуватися правил безпечного поводження з нагрітими рідинами для запобігання термічним опікам.
5) Хід роботи (план експерименту):
- У склянки 1, 2 і 3 засипати по крупнолисткового чаю.
- У склянки 4, 5 і 6 засипати по пакетованого (дрібно подрібненого) чаю.
- Налити у склянки 1 і 4 по прохолодної води, у склянки 2 і 5 — по гарячої води, у склянки 3 і 6 — по окропу.
- Увімкнути секундомір і порівняти інтенсивність забарвлення розчинів через 30 секунд, 1 хвилину, 3 хвилини та 5 хвилин.
6) Спостереження:
- У склянці з крупнолистковим чаєм і прохолодною водою забарвлення з’являється найповільніше.
- У склянці з пакетованим чаєм, залитим окропом, інтенсивне забарвлення розчину виникає найшвидше.
- Підвищення температури розчинника збільшує швидкість дифузії молекул, а подрібнення сировини збільшує площу поверхні контакту речовини з розчинником.
7) Висновки: Результати експерименту повністю підтвердили гіпотезу. Швидкість екстрагування речовин із чайного листя безпосередньо залежить від температури води та розміру чаїнок: процес екстракції відбувається найшвидше за умови використання окропу та дрібно подрібненої сировини.
РОБОТА З ІНФОРМАЦІЄЮ
75. Чому екстракція є важливим методом у медицині, фармації, косметології?
Екстракція дає змогу вибірково вилучати цінні біологічно активні речовини (вітаміни, алкалоїди, глікозиди, флавоноїди, ефірні олії) з рослинної чи тваринної сировини без їхнього термічного руйнування. У медицині та фармації цей метод використовують для одержання настоянок, рідких і густих екстрактів, які слугують основою для лікарських препаратів. У косметології за допомогою екстракції виділяють натуральні запашні речовини, антиоксиданти та олії для виготовлення парфумів, кремів і лосьйонів.
76. Як екстракція може сприяти охороні довкілля (наприклад, очищенню води, утилізації відходів)?
Екстракція сприяє охороні довкілля завдяки вилученню токсичних органічних сполук і йонів важких металів із промислових стічних вод за допомогою селективних розчинників. Також цей спосіб застосовують для переробки промислових відходів і шламів із метою добування корисних компонентів (цінних жирів або фенолів). Це знижує обсяг шкідливих викидів у біосферу і повертає сировину у вторинне виробництво.
77. За інформацією на етикетках мийних засобів і додатковою інформацією дізнайтеся, як температура води та тип засобу впливають на ефективність миття. Оцініть, скільки коштів можна заощадити, якщо правильно добирати концентрацію мийного засобу.
Підвищення температури води сприяє розчиненню жирових забруднень і прискорює хімічні та фізико-хімічні процеси миття. Тип мийного засобу (порошок, гель або капсули) визначає наявність поверхово-активних речовин (ПАР), ензимів і відбілювачів, які розщеплюють білкові, жирові та пігментні плями. Для прання за низьких температур () найефективнішими є рідкі гелі з ензимами, бо вони швидко розчиняються і зменшують витрати електроенергії на підігрів води. Дотримання рекомендованої на етикетці концентрації засобу замість надмірного дозування зменшує його витрату на 25–40%, що заощаджує значну частину сімейного бюджету на побутову хімію.
РОЗУМІННЯ ЯВИЩ ПРИРОДИ (РОБОТА В ГРУПАХ)
78. Запропонуйте відповідний розчинник для виведення з одягу плями від білого морозива марки «Пломбір». Обґрунтуйте свій вибір.
До складу морозива «Пломбір» входять неполярні молочні жири та полярні компоненти (білки й цукри). Спершу пляму слід промити прохолодною водою з мийним засобом для видалення цукрів і білків, після чого неполярний жировий залишок обробити неполярним розчинником — очищеним бензином або тетрахлорометаном. Вибір обґрунтовано правилом «подібне розчиняється в подібному»: неполярні жири розчиняються лише в неполярних розчинниках. Гарячу воду спочатку використовувати не можна, тому що білки зсідаються (коагулюють) і міцно закріплюються у волокнах тканини.
79. Уявіть, що ви забруднили одяг соком столового буряка. Яким розчинником краще скористатися для виведення плями? Поясніть свій вибір.
Забарвлення соку столового буряка зумовлене пігментами беталаїнами, які є полярними речовинами. За правилом «подібне розчиняється в подібному» для виведення такої плями слід скористатися полярним розчинником — холодною водою або слабким підкисленим водним розчином.
80. Два однакові зразки білої тканини забруднили свіжим буряковим соком. Один зразок перед пранням обробили дібраним розчинником для видалення цієї плями, а другий одразу випрали гарячою водою з мийним засобом, висушили й потім обробили пляму розчинником. Чи однаковий вигляд матимуть ці зразки після висушування? Поясніть свою думку.
Зразки матимуть різний вигляд. На першому зразку пляма зникне, оскільки полярний розчинник повністю вимив водорозчинні пігменти до їхньої взаємодії з волокнами. На другому зразку залишиться пляма, бо під час прання гарячою водою відбулася термічна та хімічна фіксація барвників у структурі тканини, що унеможливлює їхнє подальше розчинення.
81. До водно-спиртового розчину йоду об’ємом 5 мл додали такий самий об’єм циклогексану й ретельно перемішали. Після відстоювання нижній шар був світло-жовтого кольору, а верхній — фіолетового. У яких розчинниках (полярних чи неполярних) краще розчиняється йод? Чи можна було дійти такого висновку без експериментування? Чи можна за результатами цього експерименту спрогнозувати «поведінку» водного розчину брому (бромної води) після додавання до нього очищеного бензину? Обґрунтуйте свої відповіді.
Йод значно краще розчиняється у неполярних розчинниках, оскільки під час екстракції він перейшов із полярного водно-спиртового розчину в неполярний циклогексан і забарвив його у фіолетовий колір.
Такого висновку можна було дійти без експериментування на підставі будови молекули: молекула йоду утворена ковалентним неполярним зв’язком, а неполярні речовини за загальним правилом краще розчиняються в неполярних розчинниках.
За результатами цього експерименту можна спрогнозувати поведінку бромної води після додавання очищеного бензину. Молекула брому також є неполярною, а бензин — неполярним розчинником із густиною, меншою за густину води. У результаті екстракції неполярний бром перейде у верхній шар бензину і забарвить його в оранжево-коричневий колір, а нижній водний шар практично знебарвиться.
82. Уявіть себе технологом/технологинею на підприємстві харчової промисловості. Поясніть, як знання про розчинність цукру, солі, кофеїну тощо можна використати в процесі виробництва напоїв (кава, чай, соки). У додаткових джерелах дізнайтеся, які сучасні харчові технології потребують знань із хімії розчинів (зневоднення, екстракція ароматів тощо).
Знання про розчинність дають змогу розраховувати температурний режим, тиск та ступінь подрібнення сировини для повного вилучення корисних ароматичних і смакових речовин (кофеїну, танінів, ефірних олій), а також розчиняти цукор і кислоти без утворення кристалічного осаду чи небажаного розкладу речовин.
Сучасні харчові технології, які базуються на хімії розчинів:
1) Надкритична флюїдна екстракція — використання надкритичного вуглекислого газу як неполярного розчинника для вилучення кофеїну з кавових зерен без залишку шкідливих хімікатів або для екстракції летких ароматів і хмелю.
2) Мембранні процеси (зворотний осмос і нанофільтрація) — концентрування плодово-ягідних соків і зневоднення без термічного нагрівання, що повністю зберігає природні вітаміни.
3) Ліофілізація (сублімаційне сушіння) — видалення води із замороженого екстракту у вакуумі для виготовлення високоякісної сублімованої розчинної кави.