Weird Science

Światło i barwa. Tionina jako barwnik fotochromowy

Poniższy arty­kuł został opu­bli­ko­wany pier­wot­nie w cza­so­pi­śmie dla nau­czy­cieli Che­mia w Szkole (1/2019):

Ilustracja

Ples M., Świa­tło i barwa. Tio­nina jako barw­nik foto­ch­ro­mowy, Che­mia w Szkole, 1 (2019), Agen­cja AS Józef Szew­czyk, str. 15-17

W ostat­nich deka­dach zaw­rotną karierę zro­biły tzw. mate­riały inte­li­gentne. Łączą one wła­sno­ści czuj­nika i układu wyko­naw­czego, rea­gują więc zmianą swo­ich wła­ści­wo­ści w odpo­wie­dzi na jakiś bodziec. Są wyko­rzy­sty­wane w wielu dzie­dzi­nach, poczy­na­jąc od chi­rur­gii, przez prze­mysł maszy­nowy i pro­duk­cję nowo­cze­snej odzieży, aż po astro­nau­tykę.

Cho­ciaż ist­nie­nie wielu inte­li­gent­nych mate­ria­łów jest wyni­kiem zło­żo­nych pro­ce­sów pro­duk­cyj­nych, to niek­tóre z nich są na tyle nie­skom­pli­ko­wane – a przy tym cie­kawe – że możemy poku­sić się o ich otrzy­ma­nie w warun­kach naszego labo­ra­to­rium. Jed­nym z przy­kła­dów jest płyn zmie­nia­jący barwę w odpo­wie­dzi na bodźce mecha­niczne: po wstrząśnięciu nie­bie­ski (Fot.1A), a pozo­sta­wiony w spo­czynku bez­barwny (Fot.1B) [1]. Istotną rolę w tym przy­padku pełni pewien syn­te­tyczny barw­nik: błękit mety­le­nowy C16H18ClN3S.

Ilustracja:

Kliknij, aby powiększyć

Fot.1 – Roz­twór błękitu mety­le­no­wego i glu­kozy w śro­do­wi­sku alka­licz­nym; A - po wstrząśnięciu, B – pozo­sta­wiony w spo­koju

Inną klasą wspom­nia­nych mate­ria­łów są sub­stan­cje foto­ch­ro­mowe. Foto­ch­ro­mizm to zja­wi­sko pole­ga­jące na odw­ra­cal­nej zmia­nie barwy związku che­micz­nego - lub bar­dziej skom­pli­ko­wa­nego mate­riału - pod wpły­wem oświe­tle­nia pro­mie­nio­wa­niem elek­tro­ma­gne­tycz­nym o odpo­wied­niej ener­gii.

Foto­ch­ro­mizm wyko­rzy­stuje się np. przy pro­duk­cji nowo­cze­snych szkieł oku­la­ro­wych, samo­czyn­nie zmie­nia­jących barwę: ciem­nych w warun­kach sil­nego nasło­necz­nie­nia, zaś przej­rzy­stych w innych. W dzi­siej­szych cza­sach tech­nika ich pro­duk­cji oparta jest naj­czę­ściej na odpo­wied­nich sztucz­nych poli­me­rach, których pro­duk­cja prze­kra­cza nie­stety naj­czę­ściej możl­i­wo­ści ama­tor­skiej lub szkol­nej pra­cowni che­micz­nej.

Jak zwy­kle sprawa nie jest jed­nak bez­na­dziejna. Ist­nieje możl­i­wość zapo­zna­nia się ze zja­wi­skiem foto­ch­ro­mi­zmu przy zasto­so­wa­niu prost­szych spo­so­bów. Jed­nym z nich jest wyko­rzy­sta­nie tio­niny.

Doświad­cze­nie

Przy­go­to­wa­nie doświad­cze­nia jest na tyle nie­skom­pli­ko­wane, że nie powinno nastręczyć poważn­iej­szych trud­no­ści. Musimy jed­nak zgro­ma­dzić potrzebne sub­stan­cje:

Tio­nina nazy­wana też fio­le­tem Lau­tha jest syn­te­tycz­nym barw­ni­kiem zbli­żo­nym struk­tu­ral­nie do wspom­nia­nego uprzed­nio błękitu mety­le­no­wego. Wzór struk­tu­ralny kationu tio­ni­no­wego przed­sta­wia Rys.1.

Ilustracja
Rys.1 – Wzór struk­tu­ralny tio­niny

Tio­ninę wyko­rzy­stuje się naj­czę­ściej w postaci chlorku lub octanu. Tak czy ina­czej, w warun­kach nor­mal­nych sub­stan­cja ta ma postać ciem­no­gra­na­to­wego, pra­wie czar­nego proszku (Fot.2).

Ilustracja:

Kliknij, aby powiększyć

Fot.2 – Tio­nina

Oma­wiany związek z racji swo­ich wła­ści­wo­ści jest dosyć pow­szech­nie wyko­rzy­sty­wany do bar­wień bio­lo­gicz­nych, np. w pre­pa­ra­tyce mikro­sko­po­wej [2]. Tio­nina bywa też sto­so­wana jako odtrutka po eks­po­zy­cji na duże dawki metali ciężk­ich [3].

Sól Mohra jest podwójną solą kwasu siar­ko­wego(VI), żelaza(II) i amo­niaku. Zwy­kle występuje w postaci hek­sa­hy­dratu (NH4)2Fe(SO4)2 · 6H2O two­rzącego bla­do­zie­lone krysz­tały o dużej roz­pusz­czal­no­ści w wodzie (Fot.3).

Ilustracja:

Kliknij, aby powiększyć

Fot.3 – Sól Mohra

Sól Mohra ma pełnić w doświad­cze­niu rolę donora jonów żelaza(II) Fe2+. Wyda­wa­łoby się więc, że można ją zastąpić dowolną solą żelaza(II). Nie jest to nie­stety takie łatwe, ponie­waż wspom­niane jony są – szcze­gól­nie w roz­two­rze – bar­dzo nie­sta­bilne i z łatwo­ścią ule­gają utle­nie­niu do jonów żelaza(III) Fe3+. Sól Mohra, zarówno w postaci hydratu, jak i roz­tworu, jest jed­nak sto­sun­kowo odporna na utle­nia­nie. Powo­dem może być nie­ko­rzystny dla tego pro­cesu odczyn roz­tworu, zapew­niany przez hydro­lizę jonów amo­no­wych. Nawet jed­nak w tym przy­padku roz­twory soli powinny być przy­go­to­wy­wane w miarę możl­i­wo­ści na bie­żąco. Sub­stan­cja ta nie jest sil­nie tok­syczna, ale posiada dzia­ła­nie drażn­iące – należy uni­kać jej kon­taktu z powierzch­nią naszego ciała.

Kwas siar­kowy(VI) jest sil­nie żrący i należy nim posłu­gi­wać się z bar­dzo dużą ostrożn­o­ścią.

Mimo, że w pre­zen­to­wa­nym doświad­cze­niu nie ope­ruje się dużymi ilo­ściami nie­bez­piecz­nych sub­stan­cji, to należy zacho­wać daleko idącą ostrożn­ość i sto­so­wać - jak zaw­sze przy pracy - odpo­wied­nie środki och­rony oso­bi­stej.

Od tej chwili wszyst­kie czyn­no­ści (poza wska­za­nymi) trzeba wyko­ny­wać przy nie­zbyt sil­nym świe­tle.

Przy­stępu­jąc do wyko­na­nia doświad­cze­nia należy przy­go­to­wać roz­twór barw­nika. Nie jest tu konieczna jakaś szcze­gólna pre­cy­zja; wystar­czy w nie­wiel­kiej ilo­ści wody desty­lo­wa­nej roz­pu­ścić tyle tio­niny, by uzy­skać ciem­no­gra­na­towy roz­twór (Fot.4).

Ilustracja:

Kliknij, aby powiększyć

Fot.4 – Roz­twór barw­nika

Następ­nie musimy przy­go­to­wać (naj­le­piej na świeżo) roz­twór 2,5g soli Mohra w 50cm3 wody desty­lo­wa­nej deli­kat­nie zakwa­szo­nej kwa­sem siar­ko­wym(VI). Roz­twór taki jest całk­o­wi­cie bez­barwny (Fot.5) [4].

Ilustracja:

Kliknij, aby powiększyć

Fot.5 – Zakwa­szony roz­twór soli żelaza(II)

Potem do roz­tworu soli żelaza trzeba dodać taką ilość roz­tworu barw­nika, by otrzy­mać nie­bie­ską, ale w dal­szym ciągu przej­rzy­stą ciecz (Fot.6). Uzy­ska­nie dobrego rezul­tatu może wyma­gać dobra­nia stęże­nia barw­nika.

Ilustracja:

Kliknij, aby powiększyć

Fot.6 – Gotowy roz­twór robo­czy

Gotowy nie­bie­ski roz­twór (Fot.7A) trzeba wysta­wić na dzia­ła­nie sil­nego świa­tła widzial­nego. Może być to żarówka żarowa, kom­pak­towa lub ledowa o dosyć dużej mocy. Po oświe­tle­niu obser­wuje się wtedy szyb­kie (kilka-kil­ka­dzie­siąt sekund) całk­o­wite odbar­wie­nie roz­tworu (Fot.7B). Po usu­nięciu źródła świa­tła pra­wie natych­miast roz­twór zaczyna się ponow­nie zabar­wiać (Fot.7C), by po kil­ku­dzie­sięciu sekun­dach pow­rócić do rów­nie inten­syw­nego co na początku koloru nie­bie­skiego (Fot.7D).

Ilustracja:

Kliknij, aby powiększyć

Fot.7 – Zaob­ser­wo­wane zmiany; A – roz­twór w sta­nie wyj­ścio­wym, B – roz­twór oświe­tlony lampą, C – roz­twór tuż po wyłącze­niu lampy, D – roz­twór po upły­wie 60s

Przed­sta­wioną sekwen­cję zmian barwy można pow­ta­rzać wie­lo­krot­nie włącza­jąc i wyłącza­jąc oświe­tle­nie. Ska­lu­jąc odpo­wied­nio doświad­cze­nie można je pre­zen­to­wać nawet przed dużym audy­to­rium.

Wyja­śnie­nie

Foto­ch­ro­mizm opi­sa­nego roz­tworu jest spo­wo­do­wany zacho­dze­niem inte­re­su­jącego pro­cesu redoks. Jony żelaza(II) Fe2+ z łatwo­ścią ule­gają utle­nie­niu do żelaza(III) Fe3+ co czyni je także dosyć wydaj­nymi reduk­to­rami. Utle­nia­nie kosz­tem tlenu obec­nego w roz­two­rze jest jed­nak utrud­nione ze względu na jego sto­sun­kowo małą dostęp­ność, zarówno z racji sto­sun­kowo nie­wiel­kiej kon­cen­tra­cji, jak i pH śro­do­wi­ska reak­cyj­nego. Po wzbu­dze­niu świa­tłem jony Fe2+ zaczy­nają się jed­nak utle­niać do Fe3+ kosz­tem cząste­czek barw­nika, który tym samym zostaje zre­du­ko­wany do bez­barw­nego związku, czyli tzw. leu­ko­za­sady. Obser­wu­jemy to oczy­wi­ście jako odbar­wie­nie się roz­tworu. W warun­kach sła­bego oświe­tle­nia bar­dziej korzystny ter­mo­dy­na­micz­nie jest pro­ces odw­rotny, w wyniku czego leu­ko­tio­nina zostaje na pow­rót utle­niona do formy barw­nej. Odw­ra­cal­ność pro­cesu nie jest jed­nak całk­o­wita, ponie­waż pula żelaza na dru­gim stop­niu utle­nia­nia maleje w każdym cyklu zmiany barwy. Przy kon­cen­tra­cji wyni­ka­jącej z poda­nych pro­por­cji przy­go­to­wa­nia roz­two­rów zmiany barwne można jed­nak obser­wo­wać wystar­cza­jąco wiele razy – przy­najm­niej na potrzeby lek­cji lub poka­zów.

Lite­ra­tura:

Wszyst­kie foto­gra­fie i rysunki zostały wyko­nane przez autora

W powyższym tek­ście doko­nano nie­wiel­kich zmian edy­tor­skich w sto­sunku do wer­sji opu­bli­ko­wa­nej w  cza­so­pi­śmie, w celu uzu­pełn­ie­nia i lep­szego przy­sto­so­wa­nia do pre­zen­ta­cji na stro­nie inter­ne­to­wej.

Marek Ples

Aa