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.
Мета дослідження: дослідити вплив подрібненості сировини та температури розчинника на швидкість екстракції розчинних речовин із сухого чайного листя.
Гіпотеза: швидкість екстрагування речовин із сухого чайного листя залежить від подрібненості рослинної сировини та підвищення температури розчинника.
Обладнання та реактиви: шість однакових за місткістю прозорих термостійких склянок, секундомір, вода різної температури (прохолодна 20°С, гаряча 70°С і окріп 100°С), пакетований чай з подрібненим листям і крупнолистковий чай.
Оцінка ризиків та безпека: під час роботи слід дотримуватися правил безпечного поводження з нагрітими рідинами з метою запобігти отриманню термічних опіків.
Хід роботи:
1. Підготувати два ряди склянок по три в кожному ряді.
2. У три склянки (№1, №2 і №3) першого ряду насипати по 2 г крупнолисткового чаю, у три склянки (№1, №2, №3) другого ряду — по 2 г пакетованого подрібненого чаю.
3. Налити у склянки №1 двох рядів по 100 мл прохолодної води, у склянки №2 — по 100 мл гарячої води, у склянки №3 — по 100 мл окропу.
4. Увімкнути секундомір і періодично спостерігати за зміною інтенсивності забарвлення розчинів протягом певного часу (наприклад, 1 хвилину, 3 хвилини та 5 хвилин).
5. Результати спостереження: найшвидше забарвлюється пакетований чай, залитий окропом, а найповільніше — крупнолистковий чай, залитий прохолодною водою. Причиною є те, що подрібнення сировини збільшує площу поверхні контакту речовини з розчинником, а підвищення температури розчинника пришвидшує процес дифузії.
Висновки: результати експерименту підтвердили гіпотезу. На швидкість екстрагування впливає розмір рослинної речовини (листя чаю) і температура розчинника (вода). Чим дрібніша сировина і вища температура води, тим швидше відбувається екстракція речовин із сухого чайного листя.
Робота з інформацією
Вправа 75
Чому екстракція є важливим методом у медицині, фармації, косметології?
Екстракція дає змогу вибірково вилучати потрібні біологічно активні речовини з суміші сировини, залишаючи інші в початковій суміші. У медицині та фармації цей метод використовують для виділення речовин з рослинної сировини для виробництва ліків. У косметології за допомогою екстракції виділяють натуральні запашні речовини, антиоксиданти та олії для виготовлення парфумів, кремів і лосьйонів.
Вправа 76
Як екстракція може сприяти охороні довкілля (наприклад, очищенню води, утилізації відходів)?
Екстракція сприяє охороні довкілля завдяки визначенню вмісту шкідливих сполук у природних та стічних водах, а також завдяки переробці промислових відходів з метою добування корисних компонентів (цінних жирів або фенолів), шляхом повернення сировини у вторинне виробництво.
Вправа 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.
Тип мийного засобу (порошок, гель або капсули) визначає наявність поверхнево-активних речовин (ПАР), ензимів і відбілювачів, які розщеплюють білкові, жирові плями. Для прання за низьких температур (30–40°С) найефективнішими є рідкі гелі з ензимами, бо вони швидко розчиняються і зменшують витрати електроенергії на підігрів води. А дотримання рекомендованої на етикетці концентрації засобу зменшує його витрату на 25–40%, що заощаджує значну частину сімейного бюджету на побутову хімію.
Вправа 78
Запропонуйте відповідний розчинник для виведення з одягу плями від білого морозива марки «Пломбір». Обґрунтуйте свій вибір.
Морозиво марки «Пломбір» у своєму складі містить неполярні речовини (молочні жири) та полярні (білки й цукри). Тому спочатку пляму треба промити прохолодною водою з мийним засобом для видалення цукрів і білків. Не слід використовувати гарячу воду, бо за високої температури білки зсідаються (коагулюють) і міцно закріплюються у волокнах тканини. Потім неполярний залишок жиру слід обробити неполярним розчинником — очищеним бензином або тетрахлорометаном. Такий вибір обґрунтований правилом «подібне розчиняється в подібному», оскільки неполярні речовини краще розчиняються в неполярних розчинниках, а полярні — в полярних розчинниках.
Вправа 79
Уявіть, що ви забруднили одяг соком столового буряка. Яким розчинником краще скористатися для виведення плями? Поясніть свій вибір.
Забарвлення соку столового буряка зумовлюють пігменти беталаїни, які є полярними речовинами. Для видалення такої плями за правилом «подібне розчиняється в подібному» слід скористатися полярним розчинником — холодною водою.
Вправа 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.
Ці зразки після висушування матимуть різний вигляд. На першому зразку від плями не залишиться ні сліду, бо дібраний полярний розчинник повністю вимиє водорозчинні пігменти до їхньої взаємодії з волокнами. На другому зразку пляма залишиться, бо прання гарячою водою з мийним засобом термічно та хімічно зафіксує барвник у структурі тканини та унеможливить його подальше розчинення в розчиннику.
Вправа 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 є неполярною речовиною, тому краще розчиняється у неполярних розчинниках. Ось чому під час екстракції він розчинився в циклогексані, що є неполярним розчинником, і забарвив його у фіолетовий колір.
Такого висновку можна було дійти без експериментування, беручи до уваги тільки будову молекули йоду. Молекула йоду I2 утворена ковалентним неполярним зв’язком, а неполярні речовини за правилом «подібне розчиняється в подібному» краще розчиняються в неполярних розчинниках.
За результатами цього експерименту можна спрогнозувати поведінку бромної води після додавання до нього очищеного бензину. Молекула брому Br2 є неполярною, а бензин — неполярним розчинником із густиною, меншою за густину води, тому бром розчиниться в результаті екстракції у верхньому шарі бензину, забарвлюючи його в оранжево-коричневий колір, а нижній — знебарвиться.
Вправа 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 кофеїну дають змогу визначити температуру, тиск та ступінь подрібнення сировини для повного вилучення корисних ароматичних і смакових речовин. Знання про розчинність цукру і солі дають змогу розчиняти цукор і сіль без утворення кристалічного осаду.
Сучасними харчовими технологіями, які потребують знань із хімії розчинів є надкритична флюїдна екстракція, мембранні процеси (зворотний осмос і нанофільтрація) та ліофілізація (сублімаційне сушіння).
Надкритична флюїдна екстракція — це використання надкритичного вуглекислого газу CO2 як неполярного розчинника, для вилучення кофеїну з кавових зерен без залишку шкідливих хімікатів або для екстракції летких ароматів і хмелю.
Мембранні процеси (зворотний осмос і нанофільтрація) — це концентрування плодово-ягідних соків і зневоднення без термічного нагрівання, що повністю зберігає природні вітаміни.
Ліофілізація (сублімаційне сушіння) — це видалення води із замороженого екстракту у вакуумі для виготовлення високоякісної сублімованої розчинної кави.