Weird Science

Żółto i niebiesko - barwnik elektrochromowy

Poniższy arty­kuł został opu­bli­ko­wany pier­wot­nie w cza­so­pi­śmie dla nau­czy­cieli Che­mia w Szkole (5/2017):

Ilustracja

Ples M., Żółto i nie­bie­sko - barw­nik elek­tro­ch­ro­mowy, Che­mia w Szkole, 5 (2017), Agen­cja AS Józef Szew­czyk, str. 46-50

Według wielu spe­cja­li­stów dzi­siej­sze czasy nale­ża­łoby nazwać Wie­kiem Infor­ma­cji. Spo­łe­czeńs­two, w którym infor­ma­cja staje się towa­rem trak­to­wa­nym jako szcze­gólne dobro nie­ma­te­rialne - rów­no­ważne lub nawet cen­niej­sze od dóbr mate­rial­nych - nazywa się spo­łe­czeńs­twem infor­ma­cyj­nym [1]. Ważną jego cechą jest szybki roz­wój usług związa­nych z sek­to­rem 3P, czyli pole­ga­jących na prze­sy­ła­niu, prze­twa­rza­niu i prze­cho­wy­wa­niu różn­ego rodzaju danych.

Cały ogrom infor­ma­cji dostęp­nych dzi­siaj dla pra­wie każd­ego musi być prze­twa­rzany w odpo­wiedni spo­sób. Poma­gają nam w tym spe­cja­li­zo­wane urządze­nia - daw­niej mecha­niczne (np. kie­szon­kowy kal­ku­la­tor Curta z 1948 roku [2]), dziś elek­tro­niczne (kom­pu­tery, tele­fony komór­kowe).

Inte­rak­cja urządzeń prze­twa­rza­jących infor­ma­cję z czło­wie­kiem wymaga jakie­goś spo­sobu komu­ni­ka­cji. Jed­nym z możl­i­wych roz­wiązań tego zagad­nie­nia są wszel­kiego rodzaju wyświe­tla­cze, czyli urządze­nia elek­tro­niczne słu­żące do wyświe­tla­nia infor­ma­cji.

Znamy wiele typów kon­struk­cji wyświe­tla­czy wyko­rzy­stu­jących różn­ego rodzaju zja­wi­ska fizyczne lub fizyko-che­miczne. Nie­wielki prze­gląd tego typu urządzeń przed­sta­wia Fot.1.

Ilustracja:

Kliknij, aby powiększyć

Fot.1 – Wyświe­tla­cze; A – digi­tron (lampa Nixie) typu ZM1100, B – flu­o­re­scen­cyjny wyświe­tlacz próżn­iowy typu LD8051, C – sied­mio­seg­men­towy wyświe­tlacz LED, D – wyświe­tlacz cie­kło­kry­sta­liczny

Daw­niej w sprzęcie pomia­ro­wym do wyświe­tla­nia wyni­ków pomia­rów poza wskaźn­i­kami elek­tro­me­cha­nicz­nymi (wska­zów­ko­wymi) były dosyć pow­szech­nie sto­so­wane tzw. digi­trony, zwane też lam­pami Nixie. Były to wyspe­cja­li­zo­wane lampy neo­nowe, w których pod wpły­wem odpo­wied­nio wyso­kiego napięcia świe­cił wzbu­dzony gaz – zazwy­czaj neon pod bar­dzo niskim ciśnie­niem. Z racji odpo­wied­niego uksz­tałt­o­wa­nia elek­trod digi­tron mógł wyświe­tlać okre­ślony zestaw zna­ków, naj­czę­ściej cyfry od 0 do 9, cza­sem wraz z punk­tem dzie­sięt­nym (Fot.1A). Wyświe­tla­cze takie, mimo doce­nia­nych dzi­siaj walo­rów este­tycz­nych, miały kilka dosyć poważn­ych wad: zasada ich dzia­ła­nia nie pozwa­lała na wyraźną minia­tu­ry­za­cję, a do ich zasi­la­nia było potrzebne sto­sun­kowo wyso­kie napięcie (zwy­kle rzędu 100V). Inną kon­struk­cją wyświe­tla­czy, sto­so­waną w pew­nych urządze­niach nawet dzi­siaj, są próżn­iowe wyświe­tla­cze flu­o­re­scen­cyjne (ang. Vacuum Flu­o­re­scent Display, VFD). Źródłem świa­tła w tym przy­padku jest odpo­wied­nio uksz­tałt­o­wana war­stwa lumi­no­foru, bom­bar­do­wana elek­tro­nami przy­spie­sza­nymi przez pole elek­tryczne w próżni (Fot.1B). Źródłem elek­tro­nów jest roz­grze­wana prze­pły­wem prądu elek­trycz­nego katoda wyko­nana z wol­framu. Urządze­nia tego typu mogły być już bar­dziej zmi­nia­tu­ry­zo­wane, ale wyma­gały zwy­kle kilku napięć zasi­la­jących (np. osobne zasi­la­nie żar­nika i anod), co prze­kła­dało się na dosyć kło­po­tliwe ste­ro­wa­nie.

Dużo now­szym roz­wiąza­niem są sied­mio­seg­men­towe wyświe­tla­cze zbu­do­wane z diod elek­tro­lu­mi­ne­scen­cyj­nych LED zamk­niętych w odpo­wied­niej obu­do­wie (Fot.1C). Są one zasi­lane napięciem rzędu poje­dyn­czych wol­tów, a trwa­ło­ścią zde­cy­do­wa­nie prze­wyższają daw­niej­sze roz­wiąza­nia. Jesz­cze bar­dziej ener­go­osz­czędne są wyświe­tla­cze cie­kło­kry­sta­liczne, jakie są dziś sto­so­wane naj­czę­ściej w sprzęcie elek­tro­nicz­nym pow­szech­nego użytku (Fot.1D).

Oczy­wi­ście nie są to wszyst­kie znane tech­no­lo­gie wyświe­tla­czy. Od pew­nego czasu obser­wuje się coraz więk­sze zain­te­re­so­wa­nie roz­wiąza­niami typu e-papieru, czyli rodzaju wyświe­tla­cza, który swo­imi wymia­rami i wła­ści­wo­ściami mecha­nicz­nymi stara się naśla­do­wać papier. Trwają bada­nia nad tech­no­lo­giami przy­dat­nymi w tym celu – bie­rze się pod uwagę pomy­sły oparte na wyświe­tla­czach cie­kło­kry­sta­licz­nych, pla­zmo­wych, elek­tro­che­micz­nych i innych.

Wydaje się, że można w tym kie­runku wyko­rzy­stać zja­wi­sko elek­tro­ch­ro­mi­zmu, tj. zmiany barwy pew­nych sub­stan­cji che­micz­nych w zależn­o­ści od prze­pływu prądu elek­trycz­nego.Intere

Jak się Sza­nowny Czy­tel­nik pew­nie domy­śla, oczy­wi­ście nie poprze­sta­niemy na roz­wa­ża­niach teo­re­tycz­nych - doko­namy odpo­wied­niej syn­tezy, a następ­nie prze­ko­namy się naocz­nie o elek­tro­ch­ro­mo­wych wła­ści­wo­ściach pew­nej cie­ka­wej sub­stan­cji.

Pru­ski czy Turn­bulla?

Inte­re­su­jąca nas sub­stan­cja ma nieco zawiły rodo­wód. Z che­micz­nego punktu widze­nia należy ją nazwać hek­sa­cy­ja­no­że­la­zia­nem(II) potasu żelaza(III). Naj­czę­ściej przy­ta­czany wzór suma­ryczny tego związku ma postać KFe[Fe(CN)6].

Jak widać, jest to nie­or­ga­niczny związek che­miczny z grupy kom­plek­so­wych soli mie­sza­nych. Zawiera kationy potasu i żelaza(III) oraz anion hek­sa­cy­ja­no­że­la­zia­nowy(II), którego wzór struk­tu­ralny jest przed­sta­wiony na Rys.1.

Ilustracja
Rys.1- Wzór struk­tu­ralny anionu hek­sa­cy­ja­no­że­la­zia­no­wego(II)

Oma­wiany związek che­miczny wyka­zuje piękne nie­bie­skie zabar­wie­nie - można je wyja­śnić absorp­cją świa­tła powo­du­jącą prze­nie­sie­nie elek­tronu pomiędzy ato­mami żelaza ist­nie­jącymi na różn­ych stop­niach utle­nie­nia.

Po raz pierw­szy ten nie­bie­ski barw­nik otrzy­mał w 1709 roku Johann Kon­rad Dip­pel.

Daw­niej roz­różn­iano dwa podobne środki bar­wiące: błękit pru­ski i błękit Turn­bulla. Pierw­sza wzięła swój początek od faktu, że błękit został zasto­so­wany przy bar­wie­niu mun­du­rów pru­skich żołn­ie­rzy, co miało odróżn­iać je od zie­lo­nych stro­jów sto­so­wa­nych w armii rosyj­skiej i nie­bie­skich (o innym odcie­niu) w fran­cu­skiej oraz bawar­skiej [3].

W wyniku badań struk­tury wspom­nia­nych barw­ni­ków oka­zało się, że pod względem che­micz­nym są one iden­tyczne [4]. Tra­dy­cyj­nie przyj­muje się jed­nak, że otrzy­muje się je w wyniku odmien­nych reak­cji che­micz­nych. Tak więc błękit pru­ski pow­staje w wyniku reak­cji katio­nów żelaza(III) i anio­nów hek­sa­cy­ja­no­że­la­zia­no­wych(II), nato­miast błękit Turn­bulla w wyniku reak­cji katio­nów żelaza(II) i anio­nów hek­sa­cy­ja­no­że­la­zia­no­wych(III). Obie reak­cje muszą oczy­wi­ście zacho­dzić w obec­no­ści katio­nów potasu

Nikt nam jed­nak nie każe wie­rzyć na słowo, więc powin­ni­śmy to spraw­dzić.

Myślę, że w tym miej­scu należy wyraźnie odróżnić od sie­bie odpo­wied­nie hek­sa­cy­ja­no­że­la­ziany. Hek­sa­cy­ja­no­że­la­zian(II) potasu K4[Fe(CN)6], nazy­wany też żela­zo­cy­jan­kiem potasu lub solą Gme­lina jest cytry­no­wo­żółtym cia­łem kry­sta­licz­nym (Fot.2A). Hek­sa­cy­ja­no­że­la­zian(III) potasu K3[Fe(CN)6] (żela­zi­cy­ja­nek potasu), ma nato­miast postać pięk­nych, czer­wo­nych krysz­ta­łów (Fot.2B).

Ilustracja:

Kliknij, aby powiększyć

Fot.2 – Oma­wiane związki kom­plek­sowe; A – trój­wodny hek­sa­cy­ja­no­że­la­zian(II) potasu, B – hek­sa­cy­ja­no­że­la­zian(III) potasu

Przy­go­tujmy roz­twory soli żelaza dwu­war­to­ścio­wego i trój­war­to­ścio­wego. Tu poja­wia się pewna trud­ność, ponie­waż kationy żelaza(II) w wielu związ­kach i ich roz­two­rach są podatne na utle­nia­nie do żelaza(III). Sto­sun­kowo mało kło­po­tli­wym źródłem potrzeb­nych jonów dwu­war­to­ścio­wych jest tzw. sól Mohra, czyli sól podwójna kwasu siar­ko­wego(VI) oraz amonu i żelaza(II) o wzo­rze (NH4)2Fe(SO4)2. Źródłem jonów żelaza(III) może być nato­miast np. chlo­rek żelaza(III) FeCl3. Roz­twory obu soli należy roz­lać do osob­nych pro­bówek (Fot.3A i B).

Ilustracja:

Kliknij, aby powiększyć

Fot.3 – Otrzy­my­wa­nie barw­ni­ków; A – roz­twór soli Mohra, B – roz­twór chlorku żelaza(III), C – wynik doda­nia hek­sa­cy­ja­no­że­la­zianu(III) do roz­tworu A, D - wynik doda­nia hek­sa­cy­ja­no­że­la­zianu(II) do roz­tworu B; w obu przy­pad­kach zaob­ser­wo­wano ufor­mo­wa­nie nie­bie­skiego barw­nika

Po doda­niu do hek­sa­cy­ja­no­że­la­zianu(III) do soli żelaza(II) oraz hek­sa­cy­ja­no­że­la­zianu(II) do soli żelaza(III) w obu przy­pad­kach uzy­skano nie­bie­skie zabar­wie­nie próbek. W przy­padku C było to spo­wo­do­wane pow­sta­niem błękitu Turn­bulla, zaś w przy­padku D błękitu pru­skiego.

Oczy­wi­ście, jak już wspom­niano, powyższe roz­różn­ie­nie ma cha­rak­ter raczej zwy­cza­jowy lub tech­niczny. Trzeba jed­nak zazna­czyć, że odcień pig­mentu uzy­ska­nego obiema meto­dami może się nieco różnić – jest to jed­nak spo­wo­do­wane jedy­nie odmien­nymi zanie­czysz­cze­niami i domiesz­kami.

Zau­ważmy, że odpo­wied­nie hek­sa­cy­ja­no­że­la­ziany pozwa­lają na wykry­wa­nie i roz­różn­ia­nie (jako, że two­rzą błękit pru­ski/Turn­bulla jedy­nie w poda­nych kom­bi­na­cjach) soli żelaza dwu­war­to­ścio­wego i trój­war­to­ścio­wego.

Sprawa nazew­nic­twa kom­pli­kuje się jesz­cze bar­dziej, ponie­waż przy nie­ste­chio­me­trycz­nych pro­por­cjach rea­gen­tów pow­staje nie­bie­ski barw­nik opi­sy­wany często wzo­rem FeIII4[FeII(CN)6]3. Jest on jed­nak w odróżn­ie­niu od poprzed­nio wspom­nia­nych pig­men­tów z racji swo­ich wła­ści­wo­ści nazy­wany nie­roz­pusz­czal­nym błęki­tem pru­skim [5].

By zapo­znać się z inte­re­su­jącymi wła­ści­wo­ściami barw­ni­ków zbli­żo­nych do błękitu pru­skiego musimy doko­nać odpo­wied­niej syn­tezy.

Hodowla war­stwy

War­stwę barw­nika wytwo­rzymy na odpo­wied­nim pod­łożu.

W celu prze­pro­wa­dze­nia pro­po­no­wa­nych doświad­czeń potrze­bu­jemy bier­nej che­micz­nie elek­trody, która dodat­kowo byłaby w jak naj­więk­szym stop­niu prze­zro­czy­sta. Wyma­ga­nia te spełnia szkło pokryte jed­no­stron­nie przej­rzy­stą war­stwą półp­rze­wod­nika np. wyko­naną z mie­sza­nego tlenku indu i cyny (ang. indium tin oxide, ITO). Tego typu pod­łoże wyko­rzy­sta­łem z powo­dze­niem także w eks­pe­ry­men­tal­nym foto­o­gni­wie uczu­la­nym barw­ni­kiem anto­cy­ja­no­wym pocho­dzącym z malin [6].

Musimy spraw­dzić, która z powierzchni szkła jest pokryta war­stwą półp­rze­wod­nika. Naj­ła­twiej zro­bić to za pomocą mier­nika rezy­stan­cji (Fot.4). Ja wyko­rzy­sta­łem płytkę szkła o wymia­rach 5cm na 2cm.

Ilustracja:

Kliknij, aby powiększyć

Fot.4 – Pomiar opor­no­ści war­stwy ITO na powierzchni szkła, prawy górny róg – wynik pomiaru

Jak widać, pomiar wyka­zał war­tość 82,5Ω przy elek­tro­dach pomia­ro­wych odle­głych od sie­bie o 2,7 cm. Prze­wod­ność war­stwy jest więc dużo mniej­sza niż w przy­padku metali, ale wystar­czy w zupełn­o­ści.

Szklaną płytkę trzeba dokład­nie umyć i odtłu­ścić - naj­pierw w wodzie z deter­gen­tem, a następ­nie w ace­to­nie.

Do dal­szych prac więk­szość powierzchni prze­wo­dzącej płytki musimy pokryć war­stwą izo­la­cyjną. W wielu publi­ka­cjach zaleca się tutaj sto­so­wa­nie war­stwy teflonu, para­finy lub innych metod. W toku moich doświad­czeń stwier­dzi­łem jed­nak, że całk­iem wystar­cza­jąca jest tutaj przej­rzy­sta biu­rowa taśma samo­przy­lepna.

Powierzch­nię prze­wo­dzącą należy pokryć taśmą samo­przy­lepną według Fot.5.

Ilustracja:

Kliknij, aby powiększyć

Fot.5 – Spo­sób zabez­pie­cze­nia powierzchni prze­wo­dzącej płytki szkla­nej; powierzch­nia zakre­sko­wana została pokryta taśmą samo­przy­lepną, pozo­sta­wiono wolne pola a i b (opis w tek­ście)

W war­stwie two­rzywa sztucz­nego, z jakiego jest wyko­nana taśma należy naciąć ostrym narzędziem, a następ­nie odsło­nić frag­menty powierzchni a i b. Pierw­sze sta­nie się miej­scem osa­dza­nia barw­nika, zaś do dru­giego pod­łączymy jeden z bie­gu­nów źródła zasi­la­nia. Pole a powinno mieć powierzch­nię 1cm2, tj. być kwa­dra­tem o boku rów­nym 1cm - przy­datne jest przy tym uży­cie papieru mili­me­tro­wego pod­ło­żo­nego pod szkło. Wymiary pola b nie są kry­tyczne.

Druga elek­troda musi także cha­rak­te­ry­zo­wać się wysoką bier­no­ścią che­miczną. Z tego powodu naj­lep­sza byłaby tu elek­troda pla­ty­nowa, lecz w przy­padku jej braku można się posłu­żyć elek­trodą gra­fi­tową. Obie elek­trody należy umo­co­wać w spo­sób zapew­nia­jący ich usy­tu­o­wa­nia w bli­skiej wza­jem­nej odle­gło­ści, ale tak by ich powierzch­nie prze­wo­dzące nie mogły się zetk­nąć. Dosyć dobrym roz­wiąza­niem jest zasto­so­wa­nie w tym celu zaci­sków kro­ko­dyl­ko­wych, jak widać to na Fot.6.

Ilustracja:

Kliknij, aby powiększyć

Fot.6 – Spo­sób zamo­co­wa­nia elek­trod; a – elek­troda gra­fi­towa, b – elek­troda szklana

Aby przy­go­to­wać potrzebny elek­tro­lit musimy naj­pierw spo­rządzić trzy roz­twory:

Doda­tek kwasu w roz­two­rze C ma za zada­nie zaha­mo­wać hydro­lizę chlorku żelaza(III).

Przy spo­rządza­niu roz­two­rów pamiętajmy, że stężony kwas chlo­ro­wo­do­rowy jest żrący, a ulat­nia­jący się z niego gazowy chlo­ro­wo­dór ma dzia­ła­nie drażn­iące. O ile hek­sa­cy­ja­no­że­la­zian(III) nie jest sil­nie tok­syczny, to w mie­sza­ni­nie z moc­nymi kwa­sami (szcze­gól­nie po pod­grza­niu) roz­kłada się z wydzie­le­niem bar­dzo tru­jącego cyja­no­wo­doru HCN. Należy zacho­wać ostrożn­ość.

Elek­tro­lit przy­go­to­wu­jemy poprzez zmie­sza­nie roz­two­rów w poda­nej kolej­no­ści, w sto­sunku objęto­ścio­wym A:B:C = 1:2:2. Zau­ważmy, że nie docho­dzi wtedy do pow­sta­nia nie­bie­skiego zabar­wie­nia – nie ma w tym żad­nej zagadki, ponie­waż zmie­sza­li­śmy hek­sa­cy­ja­no­że­la­zian(III) z solą żelaza(III). Pow­stały w ten spo­sób elek­tro­lit ma postać bru­nat­no­czer­wo­nej cie­czy (Fot.7).

Ilustracja:

Kliknij, aby powiększyć

Fot.7 – Gotowy elek­tro­lit

Elek­tro­lit należy spo­rządzać bez­po­śred­nio przed dal­szymi eta­pami doświad­cze­nia, ponie­waż nie nadaje się on do dłuższego prze­cho­wy­wa­nia.

Zestaw elek­trod należy umie­ścić w elek­tro­li­cie – odsło­nięte rejony war­stwy prze­wo­dzącej płytki szkla­nej muszą być bez­po­śred­nio przed pro­ce­sem dodat­kowo dokład­nie oczysz­czone i odtłusz­czone. Trzeba przy tym zad­bać, aby meta­liczne styki dopro­wa­dza­jące prąd elek­tryczny do elek­trod nie wcho­dziły w kon­takt z elek­tro­li­tem, a kwa­dra­towe pole wycięte w war­stwie izo­la­cyj­nej było w cało­ści zanu­rzone (Fot.8).

Ilustracja:

Kliknij, aby powiększyć

Fot.8 – Elek­trody zanu­rzone w elek­tro­li­cie

Przy­stępu­jąc do pro­wa­dze­nia elek­tro­lizy należy pamiętać, że katodą powinna być tutaj płytka szklana.

Elek­tro­lizę należy pro­wa­dzić w tem­pe­ra­tu­rze poko­jo­wej, przy nie­wiel­kim napięciu - w moim przy­padku było to nie­wiele powy­żej 1V. Gęstość prądu pod­czas elek­tro­lizy musi mieć war­tość zbli­żoną do 40 μA/cm2. Jako, że aktywna (odkryta, zanu­rzona w elek­tro­li­cie) powierzch­nia katody wynosi wła­śnie 1cm2, to natęże­nie prądu pod­czas elek­tro­lizy powinno wynieść około 40μA . Sto­su­jąc odpo­wiedni opór włączony sze­re­gowo z elek­tro­li­ze­rem można dosyć dokład­nie wyre­gu­lo­wać natęże­nie prądu, tak jak w przy­padku moich doświad­czeń (Fot.9).

Ilustracja:

Kliknij, aby powiększyć

Fot.9 – Wynik pomiaru natęże­nia prądu pod­czas elek­tro­lizy

Wraz z upły­wem czasu elek­tro­lizy na pod­łożu szkla­nym (a raczej na war­stwie prze­wo­dzącej) osa­dza się coraz grub­sza war­stwa nie­bie­skiego barw­nika. War­stwy zbyt cien­kie mają nie­wy­raźną barwę, zaś zbyt grube nie wyka­zują dobrego kon­taktu elek­trycz­nego z pod­ło­żem. Warto więc w tym przy­padku poek­s­pe­ry­men­to­wać z cza­sem trwa­nia pro­cesu.

Po upły­wie zało­żo­nego czasu należy odłączyć zasi­la­nie, wyciągnąć elek­trody z cie­czy, a następ­nie wypłu­kać je w wodzie desty­lo­wa­nej.

W przy­padku moich doświad­czeń pro­wa­dzi­łem pro­ces w cza­sie 90 sekund, co skut­ko­wało pow­sta­niem wyraźnie nie­bie­skiej, lecz w dal­szym ciągu przej­rzy­stej war­stwy (Fot.10).

Ilustracja:

Kliknij, aby powiększyć

Fot.10 – War­stwa nie­bie­skiego barw­nika wytwo­rzona na prze­wo­dzącym pod­łożu

War­stwa barw­nika jest deli­katna – nie należy jej doty­kać ani wycie­rać, a jedy­nie prze­płu­ki­wać powol­nym stru­mie­niem wody desty­lo­wa­nej. Można teraz ostrożnie usu­nąć war­stwę izo­la­cyjną (Fot.11). Płytkę do czasu dal­szych mani­pu­la­cji naj­le­piej prze­cho­wy­wać w sta­nie zwil­że­nia wodą desty­lo­waną.

Ilustracja:

Kliknij, aby powiększyć

Fot.11 – Prze­zro­czy­sta elek­troda z war­stwą barw­nika gotowa do dal­szych prac

Mając gotową płytkę z barw­nym polem możemy przejść do wła­ści­wych doświad­czeń.

Zmiany barwy

Musimy spo­rządzić kolejny elek­tro­lit. Tym razem będzie to 1M roz­twór chlorku potasu KCl w wodzie (7,44g KCl w 100cm3 wody) zakwa­szony paroma kro­plami HCl.

W elek­tro­li­cie zanu­rzamy przy­go­to­waną elek­trodę z barw­ni­kiem, a także elek­trodę gra­fi­tową (Fot.12).

Ilustracja:

Kliknij, aby powiększyć

Fot.12 – Układ gotowy do doświad­czeń

Jako źródło napięcia w tym przy­padku zasto­su­jemy suche ogniwo Lec­lan­chégo, np. typu R6 (tzw. palu­szek). W opi­sa­nym przy­padku wyma­gana jest koniecz­ność wygod­nej zmiany bie­gu­no­wo­ści elek­trod oraz możl­i­wość zwar­cia ich ze sobą. Można to oczy­wi­ście robić ręcz­nie łącząc odpo­wied­nio prze­wody, ale dużo lep­szym roz­wiąza­niem jest wyko­rzy­sta­nie dwóch dwu­o­bwo­do­wych prze­łącz­ni­ków zesta­wio­nych według sche­matu zamiesz­czo­nego na Rys.2.

Ilustracja
Rys.2 – Sche­mat połączeń elek­trycz­nych; P1, P2 – prze­łącz­niki, źródło zasi­la­nia – ogniwo o napięciu 1,5V

Jak widać prze­łącz­nik P2 umożl­i­wia zmianę kie­runku prze­pływu prądu w dal­szej czę­ści obwodu (a więc także w elek­tro­li­ze­rze), nato­miast prze­łącz­nik P1 pozwala na dopro­wa­dze­nie prądu do elek­trod lub ich zwar­cie ze sobą.

Zbu­do­wany według powyższego opisu zestaw prze­łącz­ni­ków przed­sta­wia Fot.13.

Ilustracja:

Kliknij, aby powiększyć

Fot.13 – Zestaw prze­łącz­ni­ków przy­datny w doświad­cze­niu; prze­wody barwne – do źródła napięcia elek­trycz­nego, prze­wody białe – do elek­trod

Ważne jest, aby po zanu­rze­niu elek­trod w elek­tro­li­cie zacząć od ich zwar­cia. Barwne pole jest wtedy oczy­wi­ście nie­bie­skie (Fot.14A).

Ilustracja:

Kliknij, aby powiększyć

Fot.14 – Zmiany koloru barw­nika; A – pod­łoże szklane zwarte z elek­trodą gra­fi­tową, B – pod­łoże szklane spo­la­ry­zo­wane ujem­nie względem elek­trody gra­fi­to­wej, C – pod­łoże szklane spo­la­ry­zo­wane dodat­nio względem elek­trody gra­fi­to­wej

Następ­nie należy pod­łączyć elek­trodę szklaną do ujem­nego bie­guna źródła zasi­la­nia, zaś gra­fi­tową do dodat­niego. Możemy wtedy zaob­ser­wo­wać inte­re­su­jące zja­wi­sko: nie­bie­skie pole w bar­dzo krót­kim cza­sie prak­tycz­nie znika. Jedy­nie patrząc pod pew­nym kątem można zaob­ser­wo­wać, że war­stwa pig­mentu w dal­szym ciągu pozo­stała na swoim miej­scu, ale stała się prak­tycz­nie bez­barwna (Fot.14B).

Po zwar­ciu elek­trod ze sobą pole z pow­ro­tem staje się nie­bie­skie.

Opi­saną sekwen­cję pola­ry­zo­wa­nia elek­trody szkla­nej ujem­nie względem gra­fi­to­wej i zwie­ra­nia elek­trod należy na początku pow­tórzyć kil­ka­na­ście razy. Umożl­i­wia to dal­szą, sta­bilną pracę układu elek­tro­che­micz­nego i prze­dłuża jego żywot­ność.

Kolejną wartą wypróbo­wa­nia rze­czą jest zmiana pola­ry­za­cji elek­trod: elek­trodę szklaną pod­łączamy wtedy do dodat­niego bie­guna źródła zasi­la­nia, zaś elek­trodę gra­fi­tową do ujem­nego. W takim przy­padku barwne pole staje się wyraźnie żółte (Fot.14C). Zwar­cie elek­trod przyw­raca ponow­nie barwę nie­bie­ską.

Zmie­nia­jąc pola­ry­za­cję elek­trod, a także zwie­ra­jąc je ze sobą można wpły­wać na kolor barw­nego pola. Naj­le­piej jest, aby pomiędzy cyklami zmiany pola­ry­za­cji występo­wał moment zwar­cia elek­trod.

Tak przy­go­to­wana elek­troda z barw­ni­kiem jest dosyć trwała nawet w sta­nie suchym, ale dobrze jest ją prze­cho­wy­wać zanu­rzoną w elek­tro­li­cie chlor­kowo-pota­so­wym, oczy­wi­ście w naczy­niu z ciem­nego szkła.

W razie potrzeby war­stwę barw­nika można usu­nąć poprzez płu­ka­nie płytki w stężo­nej wodzie amo­nia­kal­nej NH3(aq).

Wyja­śnie­nie

W cza­sie elek­tro­li­tycz­nej hodowli barw­nika docho­dzi do pow­sta­nia wspom­nia­nego wcze­śniej nie­roz­pusz­czal­nego błękitu pru­skiego Fe4III[FeII(CN)6]3, który dzięki oddzia­ły­wa­niom elek­tro­sta­tycz­nym for­muje jed­no­rodną war­stwę o zabar­wie­niu nie­bie­skim.

Kiedy elek­troda szklana jest katodą, to odbywa się na niej pro­ces reduk­cji barw­nika w obec­no­ści katio­nów pota­so­wych K+ według rów­na­nia:

Fe4III[FeII(CN)6]3 + 4K+ + 4e- ⇄ K4Fe4II[FeII(CN)6]3

Pow­stały w ten spo­sób związek o wzo­rze K4Fe4II[FeII(CN)6]3 jest nazy­wany solą Eve­ritta i w postaci cien­kiej war­stwy jest prak­tycz­nie bez­barwny [8]. Powo­duje to oczy­wi­ście zanik barw­nego pola.

Ina­czej będzie, gdy elek­troda szklana sta­nie się anodą. W takim przy­padku błękit zosta­nie utle­niony w obec­no­ści anio­nów chlor­ko­wych Cl-:

Fe4III[FeII(CN)6]3 + 3Cl- - 3e- ⇄ Fe4III[FeIII(CN)6]3Cl3

Otrzy­many w ten spo­sób związek o wzo­rze Fe4III[FeIII(CN)6]3Cl3 w postaci cien­kiej war­stwy ma zabar­wie­nie żółte i jest nazy­wany żółc­ie­nią pru­ską (ang. prus­sian yel­low).

Dosyć ważne jest przy­najm­niej kil­ku­krotne pow­tórze­nie na początku cyklu pola­ry­za­cji elek­trody szkla­nej jako katody i zwar­cia elek­trod. W tym cza­sie struk­tura barw­nika traci około jed­nej czwar­tej katio­nów żelaza(III) dzięki wymia­nie na kationy potasu. Elek­tro­neu­tral­ność zostaje zacho­wana, a war­stwa nabiera wła­ści­wo­ści roz­pusz­czal­nego błękitu pru­skiego [9].

Jak widać, z łatwo­ścią można sobie wyo­bra­zić budowę wyświe­tla­cza wyko­rzy­stu­jącego tego typu związki che­miczne i umożl­i­wia­jącego pre­zen­ta­cję różn­ego rodzaju infor­ma­cji, np. dzięki zasto­so­wa­niu przej­rzy­stych elek­trod i pól barw­nych o odpo­wied­nim ksz­tałcie.

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.

Uzu­pełn­ie­nie autora

Poni­żej przed­sta­wiam fil­mik obra­zu­jący zmiany barwy cien­kiej war­stwy opi­sy­wa­nej w arty­kule sub­stan­cji.

Marek Ples

Aa