Weird Science

Całkiem niezwykła herbatka

Poniższy arty­kuł został opu­bli­ko­wany pier­wot­nie w cza­so­pi­śmie dla nau­czy­cieli Che­mia w Szkole (4/2015):

Ilustracja

Ples M., Całk­iem nie­zwy­kła her­batka, Che­mia w Szkole, 4 (2015), Agen­cja AS Józef Szew­czyk, str. 6-9

Che­mi­lu­mi­ne­scen­cja z udzia­łem poli­fe­noli zawar­tych w zie­lo­nej her­ba­cie

Her­batą nazy­wamy zwy­kle napój, którego głów­nym skład­ni­kiem jest napar przy­rządzany z liści i pąków grupy roślin nale­żących do rodzaju Camel­lia, w szcze­gól­no­ści her­baty chińs­kiej Came­lia sinen­sis. Rośliny te upra­wiane są w licz­nych kra­jach strefy zwrot­ni­ko­wej.

Początki her­baty giną w pom­roce dzie­jów. Naj­czę­ściej przy­ta­czaną legendą jest ta mówiąca o mitycz­nym chińs­kim cesa­rzu Shen­nongu, który już w 2737 roku p.n.e. miał przy­pad­kowo uzy­skać pierw­szy napar z liści her­baty. Jed­nak dopiero X wiek p.n.e. przy­nosi pierw­sze wia­ry­godne zapi­ski na ten temat.

Do Europy her­bata tra­fiła dopiero w począt­ko­wych latach XVII wieku, kiedy przy­wieźli ją tu ze swo­ich wypraw Holen­drzy. Z bie­giem czasu napój ten stał się jed­nym z naj­po­pu­lar­niej­szych, cho­ciaż począt­kowo ze względu na wysoką cenę sma­kiem her­baty mogli się cie­szyć jedy­nie naj­bar­dziej zamożni.

Myślę, że nie będzie prze­sadą jeśli stwier­dzę, że her­bata i wszystko co z nią związane bar­dzo sil­nie wro­sła w naszą kul­turę. Temat ten wyko­rzy­stał choćby Lewis Car­rol w swo­jej naj­słyn­niej­szej książce:

– Nalej sobie więcej her­baty – rzekł z wielką powagą Sza­rak.
– Jesz­cze w ogóle nie piłam – odparła Ali­cja ura­żona tą pro­po­zy­cją. – Trudno więc, abym nalała sobie więcej.
– Chcia­łaś powie­dzieć, że trudno, abyś nalała sobie mniej – wtrącił się Kape­lusz­nik. – Prze­cież znacz­nie łatwiej jest nalać sobie więcej niż nic.

Lewis Car­rol: Ali­cja w Kra­i­nie Cza­rów, roz­dział VII,

tłum. Antoni Maria­no­wicz, Nasza Księgar­nia, War­szawa, 1988

Pro­blem odmie­rza­nia ilo­ści cie­czy mniej­szej niż nic jest nie­wąt­pli­wie inte­re­su­jący, ale pozo­stawmy go Ali­cji i Kape­lusz­ni­kowi. My nato­miast zasta­nówmy się nad inną kwe­stią, która tylko pozor­nie wydaje się absur­dalna: czy her­bata może świe­cić? Oka­zuje się, że tak – i nie trzeba do tego żad­nej magii, a jedy­nie nieco wie­dzy i chęci do eks­pe­ry­men­to­wa­nia [1].

Wyko­na­nie

By prze­pro­wa­dzić opi­sy­wane doświad­cze­nie musimy zao­pa­trzyć się w potrzebne sub­stan­cje. Jak sza­nowny Czy­tel­nik zapewne się domy­śla, pierw­szą z nich będzie her­bata. Ważne jest by była to her­bata zie­lona. W doświad­cze­niu wyko­rzy­stano her­batę sen­cha (Fot.1). Gatu­nek her­baty nie jest kry­tyczny – można wyko­rzy­stać inną her­batę zie­loną, nawet eks­pre­sową.

Ilustracja:

Kliknij, aby powiększyć

Fot.1 – Zie­lona her­bata sen­cha wyko­rzy­stana w doświad­cze­niu

Poza her­batą będziemy potrze­bo­wali także:

Para­for­mal­de­hyd jest poli­me­rem z grupy polie­te­rów. Związek ten jest homo­po­li­me­rem, to zna­czy składa się z pow­ta­rza­jących się pod­sta­wo­wych jed­no­stek jed­nego rodzaju, czyli tzw. merów. Para­for­mal­de­hyd posłuży nam w doświad­cze­niu jako donor alde­hydu mrów­ko­wego HCHO. Do doświad­cze­nia nadaje się związek, którego cząsteczki mają dłu­gość n=8-100 merów (Rys.1). Sub­stan­cja ma zwy­kle postać bia­łego proszku.

Ilustracja
Rys.1 – Wzór struk­tu­ralny para­for­mal­de­hydu

W razie braku węglanu sodu Na2CO3 związek ten można łatwo otrzy­mać w wyniku ter­micz­nego roz­kładu wodo­ro­węglanu sodu NaHCO3 (dostęp­nego w han­dlu spo­żyw­czym jako soda oczysz­czona) według rów­na­nia reak­cji:

2NaHCO3 → Na2CO3 + H2O + CO2

Reak­cja ta zacho­dzi w tem­pe­ra­tu­rze powy­żej 60°C, wystar­czy więc wypra­żyć wyło­żony cienką war­stwą wodo­ro­węglan by otrzy­mać tak potrzebny nam węglan sodu.

Nad­tle­nek wodoru H2O2 w stęże­niu 3% można kupić w aptece jako wodę utle­nioną sto­so­waną przy dezyn­fek­cji ska­le­czeń.

Należy pamiętać, że w cza­sie doświad­cze­nia może docho­dzić do uwal­nia­nia się pew­nych ilo­ści for­mal­de­hydu, który jest tok­syczny. Węglan sodu działa drażn­iąco na oczy. Nad­tle­nek wodoru w stęże­niu 3% jest niesz­ko­dliwy, nato­miast 30% jest sil­nie żrący – w kon­tak­cie ze skórą pow­stają białe, odbar­wione plamy, a przy dłuższej eks­po­zy­cji może docho­dzić do zmian mar­twi­czych. Należy zacho­wać nor­malne przy pracy z che­mi­ka­liami środki ostrożn­o­ści.

Pierw­szą czyn­no­ścią, którą musimy wyko­nać jest przy­go­to­wa­nie wywaru her­ba­cia­nego. Odwa­żamy więc 1,8-2g her­baty i prze­no­simy ją do 200cm3 wody o tem­pe­ra­tu­rze około 90°C. W przy­padku wyko­rzy­sta­nia her­baty eks­pre­so­wej wystar­czy jedna torebka. Płyn powi­nien być mie­szany w ciągu następ­nych trzech minut. Po tym cza­sie kla­rowny płyn o bar­wie zie­lon­kawo-żółtej powi­nien zostać odsączony.

W 40cm3 pow­sta­łego wyciągu her­ba­cia­nego trzeba roz­pu­ścić 1,6g para­for­mal­de­hydu i 4g węglanu sodu. Para­for­mal­de­hyd dosyć opor­nie roz­pusz­cza się w wodzie, ale doda­tek węglanu sodu i mie­sza­nie wyraźnie przy­spie­sza ten pro­ces. Mimo wszystko całk­o­wite roz­pusz­cze­nie obu sub­stan­cji wymaga nieco czasu. W tym cza­sie roz­twór ciem­nieje i nabiera barwy brązo­wej (Fot.2).

Ilustracja:

Kliknij, aby powiększyć

Fot.2 – Wyciąg zie­lo­nej her­baty z dodat­kiem para­for­mal­de­hydu i węglanu sodu.

Płyn należy och­ło­dzić do tem­pe­ra­tury poko­jo­wej. Odczyn roz­tworu powi­nien być zasa­dowy – naj­lep­sze warunki dla zaj­ścia opi­sy­wa­nej reak­cji występują przy pH rów­nym 11. Należy spraw­dzić to za pomocą papierka wskaźn­i­ko­wego lub w inny spo­sób i w razie koniecz­no­ści sko­ry­go­wać nieco ilość doda­nego węglanu.

W tym momen­cie pomiesz­cze­nie trzeba zaciem­nić i po chwili potrzeb­nej na przy­zwy­cza­je­nie oczu do ciem­no­ści dodać do roz­tworu 40cm3 3% nad­tlenku wodoru. Można też wyko­rzy­stać H2O2 o stęże­niu 30% czyli per­hy­drol. Wtedy wystar­czy użyć jedy­nie 1-2cm3 utle­nia­cza. Po chwili roz­twór zaczyna świe­cić nie­zbyt sil­nym, ale wyraźnie widocz­nym bla­skiem o bar­wie czer­wo­nej (Fot.3).

Ilustracja:

Kliknij, aby powiększyć

Fot.3 – Che­mi­lu­mi­ne­scen­cja roz­tworu (ISO­400, 3s)

Emi­sja świa­tła trwa kilka, kil­ka­na­ście sekund. W tym samym cza­sie roz­twór się pieni – pow­stają pewne ilo­ści gazów. Po reak­cji roz­twór przyj­muje barwę żółtą (Fot.4).

Ilustracja:

Kliknij, aby powiększyć

Fot.4 – Roz­twór po reak­cji

Dla więk­szego, powie­działbym nawet tea­tral­nego efektu roz­twór można przy­go­to­wać w naczy­niu może mniej odpo­wied­nim z punktu widze­nia che­mika, nato­miast bar­dziej pasu­jącym do przed­miotu doświad­cze­nia, tj. w fili­żance (Fot.5). Naczy­nie po skończo­nej pracy trzeba oczy­wi­ście bar­dzo dokład­nie i przy­najm­niej kil­ku­krot­nie umyć.

Ilustracja:

Kliknij, aby powiększyć

Fot.5 – Roz­twór reak­cyjny w fili­żance; A – wyciąg zie­lo­nej her­baty z dodat­kiem para­for­mal­de­hydu i węglanu sodu; B - che­mi­lu­mi­ne­scen­cja roz­tworu po doda­niu nad­tlenku wodoru (ISO­400, 3s)

Doświad­cze­nie zwy­kle wywiera duże wra­że­nie na widzach z racji zaska­ku­jącego efektu che­mi­lu­mi­ne­scen­cji. Zmiany barwy roz­tworu także są czyn­ni­kiem rodzącym zain­te­re­so­wa­nie zacho­dzącymi w ukła­dzie pro­ce­sami.

Wyja­śnie­nie

O typie reak­cji, która zacho­dzi w opi­sy­wa­nym doświad­cze­niu donie­śli Trautz i Scho­ri­gin już w pierw­szych latach XX wieku [2]. W odkry­ciu pomógł przy­pa­dek. Wielu foto­gra­fów zau­wa­żyło, że pod­czas wywo­ły­wa­nia zdjęć wyko­rzy­sty­wane przy tym roz­twory świe­ciły dosyć sła­bym, ale wyraźnie dostrze­gal­nym w ciemni świa­tłem. Oka­zało się, że za to dosyć zaska­ku­jące zja­wi­sko był odpo­wie­dzialny sto­so­wany jako wywo­ły­wacz piro­ga­lol, czyli 1,2,3-tri­hy­drok­sy­ben­zen C6H6O3 (Rys.2).

Ilustracja
Rys.2 – Wzór struk­tu­ralny piro­ga­lolu

Piro­ga­lol należy do poli­fe­noli. Są to orga­niczne związki che­miczne z grupy fenoli, tj. związ­ków zawie­ra­jących grupy hydrok­sy­lowe związane bez­po­śred­nio z ato­mami węgla w pier­ście­niu aro­ma­tycz­nym. Poli­fe­nole zawie­rają przy­najm­niej dwie grupy hydrok­sy­lowe.

Sub­stan­cje te występują natu­ral­nie w rośli­nach. Poli­fe­nole dzielą się na podatne na hydro­lizę taniny będące estrami kwasu galu­so­wego i sacha­ry­dów oraz związki nale­żące do klasy feny­lo­pro­pa­no­i­dów, takie jak fla­wo­no­idy i lignany. Naj­więk­szą i naj­le­piej poznaną grupą związ­ków poli­fe­no­lo­wych są fla­wo­no­idy [3].

Wiele związ­ków poli­fe­no­lo­wych występuje także w zie­lo­nej her­ba­cie. Na Rys.3 przed­sta­wiono wzory tylko niek­tórych z nich [4].

Ilustracja
Rys.3 – Związki poli­fe­no­lowe występu­jące w her­ba­cie; A – epi­ka­te­china, B – galu­san epi­ka­te­chiny, C – epi­ga­lo­ka­te­china, D – galu­san epi­ga­lo­ka­te­chiny

Reak­cji Trautza-Scho­ri­gina ulega nie tylko piro­ga­lol, ale także wiele innych poli­fe­noli, także tych zawar­tych w her­ba­cie. Umożl­i­wia to wyko­na­nie opi­sa­nego doświad­cze­nia. Mecha­nizm reak­cji jest sto­sun­kowo skom­pli­ko­wany i w uprosz­cze­niu przed­sta­wia go sche­mat widoczny na Rys.4 [5].

Ilustracja
Rys.4 – Sche­mat reak­cji Trautza-Scho­ri­gina; opis w tek­ście, aste­ry­skiem ozna­czono stan wzbu­dzony tlenu sin­gle­to­wego

Poli­fe­nol 1, którym może być np. piro­ga­lol (R=H) lub inny związek poli­fe­no­lowy jak choćby kwas galu­sowy (R = COOH) w alka­licz­nych warun­kach w obec­no­ści alde­hydu mrów­ko­wego zostaje utle­niony do odpo­wied­niego orto­chi­nonu 2. Dalej reak­cja może biec dwoma odmien­nymi szla­kami: orto­chi­non w obec­no­ści tlenu szybko poli­me­ry­zuje lub rea­guje z kolejną cząsteczką związku wyj­ścio­wego. W przy­padku piro­ga­lolu pow­staje wtedy pur­pu­ro­ga­lina 3, która w warun­kach reak­cji ulega roz­kła­dowi.

Za wydzie­la­nie się dwu­tlenku węgla może odpo­wia­dać także bie­gnąca rów­no­le­gle reak­cja zacho­dząca według poniższego rów­na­nia [1]:

2H2O2 + 2CH2O + Na2CO3 → 2HCO­ONa + 3H2O + CO2

Wyja­śnie­nie to może być jed­nak nie­pełne, ponie­waż ist­nieją donie­sie­nia, że pow­sta­jąca mie­sza­nina gazów obok dwu­tlenku węgla i alde­hydu mrów­ko­wego zawiera także wodór [6].

Z naszego punktu widze­nia naj­ważn­iej­sze jest to, że jed­nym z pro­duk­tów obu szla­ków reak­cji jest tlen sin­gle­towy 1O2.

Sta­nem pod­sta­wo­wym tlenu O2 jest stan try­ple­towy 3O2 o dwóch nie­spa­ro­wa­nych elek­tro­nach (rod­nik). Jest to więc sytu­a­cja dosyć nie­ty­powa. Tlen sin­gle­towy 1O2, jako występu­jący w sta­nie o wyższej ener­gii jest nie­tr­wały i może ule­gać spon­ta­nicz­nemu prze­ksz­tałc­e­niu do tlenu try­ple­to­wego 3O2. Różn­ica ener­gii, równa 94,3kJ/mol musi więc zostać oddana do śro­do­wi­ska. Tutaj dzieje się to na spo­sób emi­sji pro­mie­nio­wa­nia elek­tro­ma­gne­tycz­nego o dłu­go­ści fali λ=1270nm. Pro­mie­nio­wa­nie to leży w zakre­sie pod­czer­wieni i jako takie nie jest widzialne dla naszych oczu. W cza­sie doświad­cze­nia kon­cen­tra­cja pow­sta­jącego tlenu sin­gle­to­wego jest jed­nak na tyle duża, że w momen­tach zde­rzeń dwóch jego cząste­czek docho­dzi do emi­sji fali elek­tro­ma­gne­tycz­nej o dłu­go­ści λ=634nm. Takie pro­mie­nio­wa­nie jest już dosko­nale widoczne jako świa­tło o pięk­nej, czer­wo­nej bar­wie, co wła­śnie obser­wu­jemy w doświad­cze­niu [7].

Oczy­wi­ście ist­nieją także inne metody otrzy­my­wa­nia tlenu w sta­nie sin­gle­to­wym. Naj­czę­ściej pole­caną w lite­ra­tu­rze, przy­najm­niej jeśli cho­dzi o dzia­ła­nia poka­zowe, jest prze­pusz­cza­nie gazo­wego chloru przez sch­ło­dzony, alka­liczny roz­twór 30% nad­tlenku wodoru [8]. Spo­sób ten jest jed­nak dosyć pro­ble­ma­tyczny z racji wyko­rzy­sta­nia sil­nie tok­sycz­nego gazu, a także żrącego roz­tworu nad­tlenku. Jak się wydaje, wygod­niej­szą metodą jest wyko­rzy­sta­nie dich­lo­ro­i­zo­cy­ja­nu­ranu sodu, co pozwala na unik­nięcie sto­so­wa­nia wol­nego chloru [9].

Opi­sana w niniej­szej pracy metoda uzy­ski­wa­nia tlenu sin­gle­to­wego i jego che­mi­lu­mi­ne­scen­cji nie wymaga sto­so­wa­nia sil­nie tok­sycz­nych sub­stan­cji, ani stężo­nego nad­tlenku wodoru. Zasto­so­wa­nie łatwych do zdo­by­cia i bez­piecz­nych surow­ców (her­bata, apteczna woda utle­niona) pre­dy­s­po­nuje ten spo­sób do zasto­so­wa­nia w prak­tyce szkol­nej czy uczel­nia­nej, a także na wszel­kiego rodzaju poka­zach nau­ko­wych.

Myślę, że czy­tel­ni­kowi należy się tutaj wyja­śnie­nie, dla­czego w doświad­cze­niu nie można wyko­rzy­stać czar­nej her­baty jako naj­czę­ściej spo­ży­wa­nej w naszym kręgu kul­tu­ro­wym. Dzieje się tak, ponie­waż w pro­ce­sie pro­duk­cji tego rodzaju her­baty jej liście są pod­da­wane m.in. fer­men­ta­cji, pod­czas której zawarte w niej poli­fe­nole ule­gają w dużej mie­rze utle­nie­niu. Z tych powo­dów w przy­padku jej wyko­rzy­sta­nia nie zaob­ser­wo­wa­li­by­śmy che­mi­lu­mi­ne­scen­cji.

Lite­ra­tura:

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