Заглянем в чашку чая

Исследовательская работа

В нашей школе работает научное общество учащихся «Эрудит», в его составе 8 предметных секций. Химическая секция объединяет юных любителей химии 8–11-х классов. Основные направления работы общества – это подготовка к предметным олимпиадам и выполнение исследовательских работ. На протяжении ряда лет наши ученики являются победителями и призерами районных и областных олимпиад по химии.

Исследовательскую работу ведем уже пятый год. Учащиеся выступают с докладами по проведенным исследованиям на конференциях различного уровня и не раз становились их победителями.

Выполняя исследование, учащиеся приобретают необходимые навыки работы с лабораторным оборудованием, обучаются технике выполнения химического эксперимента, изучают много познавательной и научной литературы, учатся правильно оформлять работу, приобретают опыт публичного выступления.

Хочу предложить вашему вниманию работу учениц 9-го класса Татьяны Быковой и Екатерины Фадиной «Заглянем в чашку чая». За выступление с докладом по этому исследованию ученицы были удостоены диплома II степени на региональной конференции.

П л а н

Введение.

1. Чай как напиток.

1.1. Немного истории.

1.2. Разновидности чая.

2. Опытно-экспериментальная работа.

2.1. Химический состав чая.

2.2. Экспериментальное выделение из чая главных компонентов.

2.3. Изменение окраски чая в зависимости от рН среды.

2.4. Действие чая на организм.

3. Употребление чая учащимися школы с. Томское (социологический опрос).

Заключение.

 

Введение

Чай как напиток настолько всем знаком и известен, что, казалось бы, ничего необычного в нем уже не обнаружишь. Мы решили посмотреть на чай с химической точки зрения. И поэтому объектом исследования является чай разных сортов.

Предмет исследования. Компоненты чая, некоторые его химические свойства и действие на организм.

Цель исследования. Изучение состава и свойств чая, проведение опытов с ним.

Гипотеза исследования. В обычной школьной лаборатории можно выделить компоненты чая и провести с ними опыты.

Задачи. Изучить методику выделения компонентов чая, сравнить виды чая по составу и свойствам, выполнить эксперимент.

Этапы исследования.

1-й  э т а п. Изучение и анализ литературы (октябрь – ноябрь).

2-й  э т а п. Создание модели проведения эксперимента (декабрь).

3-й  э т а п. Проведение экспериментов, систематизация работы, анализ результатов (январь).

4-й  э т а п. Написание работы (февраль).

База исследования. Исследования проводились в Итатской средней школе № 2 с. Томского, Томского района, Томской области. Было проведено 20 опытов.

Практическая значимость исследования заключается в том, что чай можно использовать для проведения опытов, в том числе и познавательных, а также рекомендовать людям в зависимости от их индивидуальных особенностей для употребления чай разных сортов.

 

1. Чай как напиток

1.1. Немного истории

Чай – в переводе с китайского (тцай-ие) означает «молодой листочек». Чай происходит из Китая, где он известен 5000 лет и имеет огромное народно-хозяйственное значение. В китайской летописи можно прочесть о благоприятном влиянии чая: «Усиливает дух, смягчает сердце, удаляет усталость, облегчает и освежает тело, пробуждает мысль и не дозволяет поселиться лености, проясняет восприимчивость».

В Европу чай завезли в 1517 г. португальские моряки, но как напиток он получил распространение только в XVIII в.

В 1638 г. было прислано в Москву четыре пуда чая в подарок царю Михаилу Федоровичу от монгольского Алтын-хана «ради варения чая». Русским чай понравился. В Туле были изобретены самовары для чая. Но, несмотря на широкое распространение этого напитка, выращивание чайных растений и изготовление чая было секретом Китая, который стал известен в России в конце XIX в. Первый чайный куст как диковинка был посажен в 1814 г. в Крыму в Никитском ботаническом саду. Оттуда в 1833 г. несколько чайных кустов переправили в Закавказье. Широкое культивирование чая началось только после установления Советской власти. Основная площадь чайных плантаций была сосредоточена в Грузии, Азербайджане, Краснодарском крае и в других районах бывшего СССР. Чай можно выращивать на всех почвах, пригодных для сельскохозяйственных культур.

Селекционеры постоянно улучшают сорта чая, учитывая климатические условия данной местности. Сейчас чай выращивают в Крыму, на Кубани, Северном Кавказе.

 

1.2. Разновидности чая

Чайный куст относится к семейству чайных и представляет собой многолетний вечнозеленый кустарник. Он выдерживает кратковременные морозы до –23 °С, но в холодных районах дает меньший урожай. Чайный куст растет в долинах и на высоте 700–800 м над уровнем моря. Побеги чая начинают развиваться при температуре 11–12 °С.

В отличие от многих других растений чайный куст цветет осенью. Завязи зимуют на кустах, а с весны они начинают расти и развиваться; семена созревают в октябре.

У чайного куста собирают верхушечные части молодых побегов, так называемые флеши. Чем нежнее флеши, тем выше качество чая. Для получения большого количества нежных побегов чайный куст весной ежегодно подрезают, и он приобретает своеобразную форму.

Первый сбор листа начинают па кустах четырехлетнего возраста. Сбор сортового листа производят с конца апреля или начала мая до октября. Собирают только трехлистные нормальные флеши, а также глушки, т.е. нежные флеши, приостановившие рост. Поскольку на разных побегах флеши созревают в разное время, сбор чайного листа производят непрерывно. Нежные флеши после сбора сразу же отправляют на фабрику, где их перерабатывают в черный и зеленый чай.

Помятый, передержанный лист теряет качества, а иногда становится непригодным для переработки.

Сначала листья провяливают на полках, где они становятся мягкими и скручиваются. В это время в них происходит процесс ферментации, значительно изменяющий химический состав листьев. К концу процесса ферментации листья приобретают медно-красную окраску и специфический аромат. Затем их сушат в специальных сушилках, где они чернеют. Так получают черный байховый чай.

Зеленый чай получают из того же сырья, что и черный. Различия заключаются лишь в способе переработки. Листья, используемые для приготовления зеленого чая, не подвергают ферментации, а сразу сушат. Зеленый цвет их при этом сохраняется, также сохраняются и природные свойства, характерные для вида.

Чай «Каркаде» – чайный цветочный напиток, который вырабатывают из чашечек цветка растения гибискус.

 

2. Опытно-экспериментальная работа

2.1. Химический состав чая

Поскольку цель работы – изучение чая с химической точки зрения, из научной литературы были взяты сведения о химическом составе чая (табл. 1). Эти данные отражают состав черного чая. Состав зеленого чая немного отличается по содержанию дубильных веществ и кофеина.

Таблица 1

Химический состав чая

Состав чая «Каркаде» из литературных источников узнать не удалось.

Самые важные составные части чая – дубильные вещества, алкалоиды, витамины.

Дубильные вещества представляют собой сложную смесь полифенольных соединений, состоящую в основном из танина и катехинов, которые придают чаю приятную терпкость.

Среди алкалоидов (азотсодержащих органических соединений) чая самым известным является кофеин, который поднимает жизненный тонус и бодрит. В значительно меньшем количестве в чае содержится другой алкалоид – теофиллин, обладающий сосудорасширяющим и мочегонным действиями.

Витамины в чае представлены широкой гаммой.

Каротин – провитамин А, обеспечивает нормальное состояние слизистых оболочек, важен для сохранения хорошего зрения.

Витамин В₁ отвечает за нормальное функционирование нервной системы.

Витамин В₂ придает эластичность и здоровый цвет коже, при недостатке этого витамина развиваются дерматиты, конъюнктивит, наблюдается выпадение волос.

Витамину С принадлежит значительная роль в поддержании сопротивляемости организма к инфекционным заболеваниям. При его недостатке повышается проницаемость капилляров, нарушается обмен веществ, развивается цинга.

Витамин Р укрепляет стенки кровеносных сосудов. Его содержание в чае таково, что, выпивая 3–4 чашки напитка хорошей крепости, можно обеспечить организм необходимой суточной дозой этого витамина.

Витамин РР играет важную роль в обменных процессах. При его недостатке развивается болезнь пеллагра.

Витамин K участвует в процессах свертывания крови. Его недостаток приводит к снижению свертываемости крови и проявляется внутренними кровоизлияниями и кровотечениями.

Таким образом, даже такое поверхностное ознакомление с химическим составом чая показывает, что природа создала в чайном листе своеобразный химический склад.

 

2.2. Экспериментальное выделение из чая главных компонентов

Выделение кофеина.

В фарфоровый или металлический тигель (можно использовать любой подходящий металлический сосуд, желательно не плоский, а высокий, как стакан) помещают 1 чайную ложку измельченного в ступке черного чая и примерно 2 г оксида магния (это вещество продают в аптеках под названием «жженая магнезия»). Смешивают оба вещества и ставят тигель на огонь. Нагрев должен быть умеренным. Сверху на тигель ставят фарфоровую чашку с холодной водой. В присутствии оксида магния кофеин возгоняется, т.е. превращается в пар, минуя стадию жидкости. Попав на холодную поверхность, кофеин оседает на дне чашки в виде бесцветных кристаллов. Нагрев прекращают, осторожно снимают чашку с тигля и соскребают кристаллы в чистую склянку.

Для того чтобы убедиться, что действительно получен кофеин, можно провести красивую качественную реакцию. Несколько кристаллов кофеина помещают на фарфоровую пластинку и добавляют одну каплю концентрированной азотной кислоты. Нагревают пластинку до тех пор, пока смесь на ней не высохнет. Кофеин при этом окисляется и превращается в заметную, оранжевого цвета, амалиновую кислоту.

Если нейтрализовать кислоту, добавив к ней десять капель концентрированного аммиака, образуется соль очень красивого красного, переходящего в пурпурный, цвета. Эта соль носит название мурексида, а реакция – мурексидной.

Выделение танина.

50 г зеленого чая заливают половиной стакана кипятка и кипятят на небольшом огне около 1 ч для более полной экстракции растворимых веществ. Смесь фильтруют через несколько слоев марли; осадок на фильтре промывают горячей водой. Получается около стакана желто-зеленого раствора, в который вносят 15 г ацетата свинца. Образуется осадок таната свинца. Жидкость аккуратно сливают. К осадку добавляют стакан горячей воды, размешивают, дают отстояться и надосадочную жидкость вновь сливают. Эту операцию повторяют три раза, для удаления из осадка ионов свинца. Чтобы проверить, действительно ли они удалены, отбирают в пробирку пробу жидкости и добавляют к ней несколько капель разбавленной серной кислоты. При наличии в растворе ионов свинца образуется белый осадок PbSO₄.

Если реакция отрицательная, осадок таната свинца на фильтре промывают 1%-м раствором серной кислоты (расход кислоты ~50 мл). Собрав раствор, кислоту нейтрализуют, добавляя по каплям 0,5?%-й раствор гидроксида бария, после чего выпавший осадок сульфата бария отделяют фильтрованием:

Ва(ОН)₂ + H₂SO₄ = BaSO₄ + 2H₂O.

Оставшийся прозрачный раствор содержит чайный танин. Раствор упаривают досуха на водяной бане. Полученный таким образом танин соскребают со дна и измельчают в порошок.

Можно провести несколько занимательных опытов с танином.

О п ы т  1. 0,5 г танина растворяют в 40 г воды и добавляют раствор хлорида железа(III). Жидкость сразу чернеет – получают старинные чернила (только танин в старину добывали из дубовых (чернильных) орешков).

О п ы т  2. Около 0,3 г танина помещают в пробирку и добавляют три капли концентрированной хлороводородной кислоты. Образуется флобафен – вещество красного цвета.

О п ы т  3. Добавляют немного танина к раствору нитрата серебра АgNО₃ (ляписа). При этом выпадает осадок таната серебра бурого цвета.

О п ы т  4. В 2 %-м растворе хлороводородной кислоты растворяют около 0,3 г ванилина и добавляют 0,1 г танина. Раствор окрашивается в малиновый цвет. Это характерная реакция не только на танин, но и вообще на вещества из класса катехинов, к которым принадлежат многие дубильные вещества.

 

2.3. Изменение окраски чая в зависимости от рН среды

Заваренный чай имеет различную окраску. Особенно насыщенным цветом обладает чай «Каркаде», т.к. он приготовлен из ярких цветков растения гибискус.

Окраска зависит от содержания антоцианов – красящих веществ клеточного сока цветков, плодов и овощей. Окраска антоцианов может меняться в зависимости от реакции среды.

В связи с этим было интересно исследовать, будет ли изменяться окраска чая от действия на него кислот и щелочей. Поскольку зеленый и черный чай приготовлены из листьев, почти не содержащих антоцианов, то изменение рН не должно вызывать изменения их окраски, что было подтверждено опытным путем (табл. 2).

Таблица 2

Действие кислот и щелочей на окраску чая

Наиболее интересные опыты по изменению окраски можно провести с чаем «Каркаде». К напитку добавляют небольшие количества щелочи и наблюдают изменение окраски от ярко-красного до ярко-зеленого. Универсальной индикаторной бумажкой измеряют рН среды (табл. 3).

Таблица 3

Изменение окраски чая «Каркаде»
в зависимости от рН среды

В ы в о д. Чай «Каркаде» можно использовать в качестве индикатора.

 

2.4. Действие чая на организм

Чай имеет весьма богатый набор физиологически активных веществ, включающий танин, катехины, кофеин, теофиллин, витамины и др.

Современные исследования показывают, что катехины чая способны защищать хромосомы (наследственный аппарат) от повреждающего действия различных факторов, ускоряют выведение из организма радиоактивного стронция.

Основной активный компонент чайного листа – кофеин. Он возбуждает действие сердечной мышцы, расширяет сосуды мозга.

Теофиллин, входящий в состав чайного листа, оказывает сильное стимулирующее действие на почки, расширяет кровеносные сосуды сердца, расслабляет гладкую мускулатуру внутренних органов и таким образом может снимать спазмы желчных путей или бронхов, а также в какой-то мере снижать риск возникновения инфаркта миокарда.

Чайный танин – особая фракция дубильных веществ, которая по своему фармакологическому действию подобна витамину Р, обладающему способностью укреплять стенки капиллярных кровеносных сосудов и тем предотвращать внутренние кровоизлияния.

Танины чая способствуют накоплению витамина С во всех органах, обеспечивают наиболее полное усвоение этого жизненно важного для организма витамина и, таким образом, предотвращают развитие многих заболеваний. Танины чая, особенно в комбинации с витамином С, оказывают выраженное противовоспалительное действие.

Крепкий чай можно давать в качестве средства первой помощи при отравлениях (как средство, возбуждающее при угнетении органы дыхания и сердечную деятельность).

Но нужно помнить, что крепкий чай противопоказан при сердечных заболеваниях, сопровождающихся нарушением ритма, а также при неврозах, язвенной болезни желудка и двенадцатиперстной кишки. Если в пожилом возрасте человек страдает запорами, то пить крепкий чай ему не рекомендуется. Поскольку крепкий чай повышает давление, его не стоит пить при гипертонической болезни. Смягчает действие чая молоко.

При солнечных ожогах компрессы из крепкого чая снимают боль и воспаление кожи. Они также предотвращают появление солнечных ожогов, если перед выходом на солнце смазать открытые части тела заваркой. Зеленый чай принимают при лечении дизентерии, при повышенной проницаемости и ломкости капилляров. В небольших дозах зеленый чай полезен при атеросклерозе.

Фитотерапевты многих стран утверждают, что постоянное потребление чая снижает риск возникновения онкологических заболеваний. Конечно, потребление чая должно быть разумным. На Востоке говорят: «Чем зеленее чай, тем крепче здоровье!»

Исследования, проведенные в США, Германии и Японии, показали, что чай «Каркаде» в своем составе имеет практически все витамины в полезных для человеческого организма количествах, укрепляет стенки сосудов, стабилизирует кровяное давление, обладает спазмолитическим и мочегонным действиями, улучшает выработку желчи и защищает печень от вредных воздействий.

 

3. Употребление чая учащимися школы
с. Томское (социологический опрос)

Во время выполнения работы было получено много полезной и интересной информации о чае. По научным данным, зеленый чай обладает более выраженными целебными свойствами, чем черный, но его употребляют реже. Чтобы проверить эти данные, был проведен социологический опрос учащихся нашей школы. Школьникам были заданы следующие вопросы.

1. Какой чай вы употребляете?

2. Предпочитаете крепкий чай или нет?

3. Какое количество стаканов чая в день вы употребляете?

Было опрошено 50 школьников. Результаты опроса представлены в табл. 4.

Таблица 4

Отношение учащихся школы к чаю

Как показал социологический опрос, предпочтение отдают черному чаю, т.к. этот напиток более привычный и традиционный. Оказывается, о полезных свойствах зеленого чая и «Каркаде» многие даже не подозревают и не пробовали эти разновидности чая. Отношение школьников к чаю закладывается в семье. На наш взгляд, нужно проводить разъяснительную работу по пропаганде более полезных видов чая, чем черный.

Заключение

В результате проведенных исследований выяснено много полезных сведений о чае:

• химический состав чая очень сложен;

• экспериментально можно выделить составные компоненты чая и провести с ними занимательные опыты;

• чай «Каркаде» содержит красящее вещество, действующее как индикатор;

• биологическое действие чая на организм многогранно;

• 100?% населения потребляет чай, предпочитая черный.

Результаты данной работы могут быть использованы для проведения бесед о пользе чая, а также в качестве дополнительного материала на уроках химии и биологии.

Несмотря на то что чай очень полезен, следует ограничить употребление крепкого черного чая детям и подросткам.

Л и т е р а т у р а

Пашинский В.Г. Растения в терапии и профилактике болезней. Томск: Изд-во Томского университета, 1989, с. 183; Ужегов Г.Н. Основные лекарственные растения. М.: АСТ, 2000, с. 294; Ольгин О.М. Давайте похимичим! Занимательные опыты по химии. М.: Детская литература, 2002, с.67; Трайтак Д.И. Книга для чтения по ботанике. М.: Просвещение, 1985; Власова З.А. Биология. Справочник школьника. М.: АСТ, 2001, с. 536.

Материал подготовили
Т.БЫКОВА, Е.ФЕДИНА,
Т.А.ДУБОК, учитель химии
(с. Томское, Томская обл.)