Weird Science

Chemiczne rośliny

Poniższy arty­kuł został opu­bli­ko­wany pier­wot­nie w cza­so­pi­śmie dla nau­czy­cieli Che­mia w Szkole (5/2015):

Ilustracja

Ples M., Che­miczne rośliny, Che­mia w Szkole, 5 (2015), Agen­cja AS Józef Szew­czyk, str. 6-9

Nie­or­ga­niczne błony półp­rze­pusz­czalne

Wśród bar­dzo wielu doświad­czeń che­micz­nych można wyróżnić pewną ilość takich, które mimo tego, że nie posia­dają prak­tycz­nego zasto­so­wa­nia, to jed­nak są przy­datne z innych powo­dów. Mogą na przy­kład uka­zy­wać w wyjąt­kowo przej­rzy­sty spo­sób skom­pli­ko­wane zależn­o­ści lub olśnie­wać wspa­nia­łym efek­tem wizu­al­nym. Do takich wła­śnie doświad­czeń należą che­miczne ogrody, po raz pierw­szy opi­sane już w 1646 roku przez nie­miec­kiego apte­ka­rza i alche­mika Johanna Rudolfa Glau­bera [1].

Muszę przy­znać, że darzę to doświad­cze­nie wiel­kim sen­ty­men­tem: było ono jed­nym z pierw­szych, jakie prze­pro­wa­dzi­łem w swoim życiu. Myślę, że było ono też jed­nym z powo­dów, dla których zain­te­re­so­wa­łem się głębiej tą piękną dzie­dziną wie­dzy, jaką jest che­mia.

Ory­gi­nalne doświad­cze­nie polega na doda­niu krysz­ta­łów soli niek­tórych metali przej­ścio­wych do roz­tworu krze­mianu sodu Na2SiO3 lub potasu K2SiO3 zwa­nego pow­szech­nie szkłem wod­nym. Efek­tem jest spon­ta­niczne pow­sta­wa­nie kolo­ro­wych wykwi­tów o for­mie przy­wo­dzącej na myśl rosnące rośliny. Wyko­rzy­sta­nie soli różn­ych metali, takich jak na przy­kład żelazo Fe, miedź Cu, nikiel Ni, kobalt Co i innych, zapew­nia spek­ta­ku­larny efekt różn­o­ko­lo­ro­wych „roślin” o fan­ta­zyj­nych ksz­tałt­ach, skła­da­jących się na piękne „ogrody” (Fot.1) [2] [3].

Ilustracja:

Kliknij, aby powiększyć

Fot.1 – Che­miczne ogrody krze­mia­nowe

Ta wer­sja doświad­cze­nia jest pow­szech­nie znana – jest wspo­mi­nana nawet w dzie­łach lite­ra­tury pięk­nej [4].

Znacz­nie mniej znany jest fakt, że podobne che­miczne ogrody można też wyho­do­wać całk­o­wi­cie rezy­gnu­jąc z wyko­rzy­sta­nia krze­mia­nów. Wła­śnie to chciałbym zapro­po­no­wać sza­now­nemu Czy­tel­ni­kowi.

Doświad­cze­nie

By wyko­nać doświad­cze­nie potrze­bu­jemy jedy­nie dwóch sub­stan­cji. Są to:

Bez­wodny siar­czan(VI) mie­dzi(II) jest sil­nie higro­sko­pijną sub­stan­cją barwy bia­łej. Uwod­niony, w postaci pen­ta­hy­dratu CuSO4·5H2O jest nie­bie­ski (Fot.2). W postaci kry­sta­licz­nej sól ta bywa nazy­wana witrio­lem mie­dzi lub sinym kamie­niem. W natu­rze występuje w sąsiedz­twie pokła­dów rud mie­dzi jako mine­rał chal­kan­tyt.

Ilustracja:

Kliknij, aby powiększyć

Fot.2 – Krysz­tały uwod­nio­nego siar­czanu(VI) mie­dzi(II) CuSO4·5H2O

Hek­sa­cy­ja­no­że­la­zian(II) potasu K4[Fe(CN)6]·3H2O, nazy­wany też żela­zo­cy­jan­kiem potasu lub żółtą solą Gme­lina należy do grupy cyja­no­że­la­zia­nów(II). Są to sole kom­plek­sowe, w których ato­mem cen­tral­nym jest żelazo na II stop­niu utle­nie­nia, a ligan­dami 6 anio­nów cyjan­ko­wych (Rys.1).

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

Sól ta for­muje żółte krysz­tały (Fot.3). Z racji dużej trwa­ło­ści kom­pleksu związek ten jest uzna­wany za nie­tok­syczny. Trzeba jed­nak pamiętać, że w jego reak­cji z moc­nymi kwa­sami docho­dzi do uwal­nia­nia sil­nie tok­sycz­nego cyja­no­wo­doru HCN w myśl rów­na­nia reak­cji (na przy­kła­dzie roz­cieńczo­nego kwasu siar­ko­wego(VI) H2SO4):

K4[Fe(CN)6] + 3H2SO4 → 2K2SO4 + FeSO4 + 6HCN↑

Z tego powodu trzeba uni­kać jakie­go­kol­wiek kon­taktu hek­sa­cy­ja­no­że­la­zianu(II) z kwa­sami!

Ilustracja:

Kliknij, aby powiększyć

Fot.3 – Krysz­tały tri­hy­dratu hek­sa­cy­ja­no­że­la­zianu(II) potasu K4[Fe(CN)6]·3H2O

Należy zazna­czyć, że w doświad­cze­niu uży­wamy wła­śnie hek­sa­cy­ja­no­że­la­zianu(II) potasu K4[Fe(CN)6]·3H2O, a nie podob­nego związku, jakim jest hek­sa­cy­ja­no­że­la­zian(III) potasu K3[Fe(CN)6]. Łatwo je jed­nak odróżnić od sie­bie, ponie­waż ten ostatni for­muje czer­wone krysz­tały.

Przy­go­to­wa­nie doświad­cze­nia nie jest trudne: trzeba spo­rządzić jedy­nie roz­twór siar­czanu(VI) mie­dzi(II) w wodzie. Jego stęże­nie powinno wyno­sić około 5% [5]. I to już wszystko. Teraz do roz­tworu wystar­czy wrzu­cić jeden lub kilka nie­wiel­kich krysz­ta­łów hek­sa­cy­ja­no­że­la­zianu(II) potasu, co można zoba­czyć na Fot.4A.

Już po chwili można zau­wa­żyć inte­re­su­jące zja­wi­sko: krysz­tały ciem­nieją i jakby pęcz­nieją. Po chwili zaczy­nają się wokół nich for­mo­wać bru­natne struk­tury przy­po­mi­na­jące pnące się do góry kiełki roślin (Fot.4B). Twory te rosną z pręd­ko­ścią zau­wa­żalną gołym okiem. Po kilku minu­tach pow­stają obiekty koja­rzące się z racji swego wyglądu ze struk­tu­rami bio­lo­gicz­nymi: przy­po­mi­nają one fan­ta­zyjne grzyby lub rośliny (Fot.4C i D). Warto zau­wa­żyć, że ich wzrost nie jest rów­no­mierny, lecz odbywa się sko­kowo. Dla cie­kaw­szego efektu wizu­al­nego naczy­nie można pod­świe­tlić od spodu.

Ilustracja:

Kliknij, aby powiększyć

Fot.4 – Etapy wzro­stu struk­tury; A – 0s (moment umiesz­cze­nia krysz­ta­łów K4[Fe(CN)6]·3H2O w roz­two­rze CuSO4), B – 20s, C – 90s, D – 240s; naczy­nie pod­świe­tlono od dołu

Pow­sta­jące struk­tury są bar­dzo deli­katne, dla­tego pod­czas doświad­cze­nia należy w miarę możl­i­wo­ści wye­li­mi­no­wać wstrząsy naczy­nia reak­cyj­nego.

Po pew­nym cza­sie wzrost „roślin” ulega wyraźn­emu spo­wol­nie­niu, a w końcu ustaje. Doj­rzałe struk­tury wyraźnie ciem­nieją. Całe doświad­cze­nie trwa zwy­kle do kil­ku­na­stu minut, jed­nak ma na to wpływ na przy­kład tem­pe­ra­tura roz­tworu – jego pod­grza­nie powo­duje pewne przy­spie­sze­nie pro­cesu. Efekt finalny przed­sta­wia Fot.5.

Ilustracja:

Kliknij, aby powiększyć

Fot.5 – Hek­sa­cy­ja­no­że­la­zia­nowy(II) ogród che­miczny

Dla dokład­niej­szego prze­śle­dze­nia pro­cesu wzro­stu opi­sy­wa­nych struk­tur można zasto­so­wać nieco inną pro­ce­durę, tj. wyko­rzy­stać tylko jeden krysz­tał hek­sa­cy­ja­no­że­la­zianu(II), a reak­cję pro­wa­dzić w pro­bówce lub zato­pio­nej na końcu rurce szkla­nej o nie­wiel­kiej (<10mm) śred­nicy.

Ilustracja:

Kliknij, aby powiększyć

Fot.6 – Doj­rzała struk­tura w pro­bówce

Dzięki wyko­rzy­sta­niu wąskiego naczy­nia łatwiej obser­wo­wać wzrost struk­tury przy wyko­rzy­sta­niu choćby szkła powięk­sza­jącego. Chcąc pro­wa­dzić obser­wa­cje przy więk­szych war­to­ściach powięk­szeń można sko­rzy­stać z mikro­skopu ste­re­o­sko­po­wego. Naj­le­piej nadają się tu mikro­skopy sta­rego typu, które można umie­ścić na dowol­nym sta­ty­wie, np. labo­ra­to­ryj­nym. Jest to przy­datne dla­tego, że w tym przy­padku tubus mikro­skopu pro­po­nuję umie­ścić z oczy­wi­stych powo­dów nie pio­nowo, jak to się robi naj­czę­ściej (Fot.7A), lecz poziomo (Fot.7B). Przy­dają się tu różn­ego rodzaju łącz­niki labo­ra­to­ryjne.

Ilustracja:

Kliknij, aby powiększyć

Fot.7 – Mikro­skop ste­re­o­sko­powy MБС-2; A – kon­fi­gu­ra­cja pio­nowa, B – kon­fi­gu­ra­cja pozioma wyko­rzy­stana w doświad­cze­niu

Można też oczy­wi­ście zasto­so­wać inne roz­wiąza­nia. Dobrym pomy­słem wydaje się być uży­cie nowo­cze­snego mikro­skopu cyfro­wego pro­du­ko­wa­nego seryj­nie lub wyko­na­nego z wyko­rzy­sta­niem taniej kamery inter­ne­to­wej [6]. Do uzy­ska­nia kolej­nych zdjęć wyko­rzy­stano wła­śnie tą ostat­nią metodę. Jest ona warta pole­ce­nia choćby z tego względu, że umożl­i­wia bez­po­śred­nią obser­wa­cję dla więk­szej liczby zain­te­re­so­wa­nych, ponie­waż obraz może być tran­s­mi­to­wany w cza­sie rze­czy­wi­stym na ekran kom­pu­tera lub za pomocą rzut­nika mul­ti­me­dial­nego na ekran ścienny.

Obser­wa­cje wzro­stu struk­tury naj­ko­rzyst­niej jest pro­wa­dzić na dosyć wcze­snych sta­diach, kiedy odbywa się on z łatwą do zau­wa­że­nia pręd­ko­ścią (Fot.8).

Ilustracja:

Kliknij, aby powiększyć

Fot.8 – Sto­sun­kowo wcze­sny etap wzro­stu struk­tury

Można stwier­dzić wtedy, że od głów­nej osi tworu odcho­dzi wiele bąblo­wa­tych wyrost­ków. Budowa ana­li­zo­wa­nych struk­tur jest przy tym raczej jed­no­rodna. Pod tym względem nie znaj­du­jemy tu istot­nych różnic między czę­ściami tworu: dolną, środ­kową i szczy­tową. Należy zau­wa­żyć jed­nak, że szczyt ma zwy­kle nieco jaśniej­szą barwę niż pozo­stałe rejony, co widać na Fot.9.

Ilustracja:

Kliknij, aby powiększyć

Fot.9 – Zbli­że­nia otrzy­ma­nych struk­tur; A – część dolna, B – środ­kowa, C-szczy­towa

Wyja­śnie­nie

By wyja­śnić w jaki spo­sób okre­ślone sub­stan­cje che­miczne for­mują twory przy­po­mi­na­jące żywe rośliny musimy przy­pom­nieć sobie o zja­wi­sku osmozy.

Osmoza ma miej­sce wtedy, gdy dwa roz­twory o różnym stęże­niu roz­dzie­limy tzw. błoną lub mem­braną półp­rze­pusz­czalną. Błona taka jest prze­pusz­czalna dla cząstek roz­pusz­czal­nika, sta­nowi jed­nak przesz­kodę dla cząstek sub­stan­cji roz­pusz­czo­nej. Osmoza spon­ta­nicz­nie zacho­dzi od roz­tworu o niższym stęże­niu do roz­tworu o wyższym, pro­wa­dzi więc do wyrów­na­nia stężeń obu roz­two­rów. Efek­tem tego jest powięk­sze­nie się objęto­ści roz­tworu począt­kowo bar­dziej stężo­nego, zmniej­sza­nie zaś mniej stężo­nego (Rys.2). Powo­duje to pow­sta­nie pew­nego ciśnie­nia, nazy­wa­nego ciśnie­nia osmo­tycz­nym.

Ilustracja
Rys.2 – Osmoza; nie­bie­skie – cząstki roz­pusz­czal­nika, czer­wone – cząstki sub­stan­cji roz­pusz­czo­nej

Osmoza ma bez­po­średni związek z for­mo­wa­niem się struk­tur. Po wrzu­ce­niu krysz­tału hek­sa­cy­ja­no­że­la­zianu(II) potasu docho­dzi do jego reak­cji z siar­cza­nem(VI) mie­dzi(II), co pro­wa­dzi do pow­sta­nia bru­nat­nego hek­sa­cy­ja­no­że­la­zianu(II) mie­dzi(II) o wzo­rze Cu2[Fe(CN)6]. Co ważne, związek ten jest w wodzie prak­tycz­nie nie­roz­pusz­czalny, więc for­muje szczelną war­stwę na powierzchni krysz­tału. Myślę, że Czy­tel­nik już się domy­śla, że owa cienka war­stwa ma cechy błony półp­rze­pusz­czal­nej. Wew­nątrz pow­sta­łego pęche­rzyka stęże­nie roz­pusz­czo­nej soli jest dużo więk­sze niż na zew­nątrz, więc na sku­tek osmozy ciśnie­nie w jego wnętrzu rośnie. Powo­duje to wzrost napręże­nia błony, roz­dęcie pow­sta­łego pęche­rzyka i w końcu jego pęk­nięcie. Wtedy część roz­tworu wylewa się z wnętrza pęche­rzyka, docho­dzi do kolej­nej reak­cji i pow­sta­nia nowego frag­mentu błony. Ta sekwen­cja zda­rzeń pow­ta­rza się wie­lo­krot­nie, dając w końcu formy podobne do roślin. Znaj­duje to także potwier­dze­nie w budo­wie two­rów widocz­nych na Fot.9 – bąblo­wate wyrostki są pozo­sta­ło­ścią po pęk­nięciach błony półp­rze­pusz­czal­nej.

W ten sam spo­sób pow­stają wspom­niane na początku krze­mia­nowe ogrody che­miczne, z tym jed­nak, że tam błonę półp­rze­pusz­czalną budują odpo­wied­nie krze­miany metali.

Zau­ważmy, że w gór­nej czę­ści tworu nowo­pow­stała błona jest cieńsza niż w pozo­sta­łych rejo­nach co obja­wia się jej jaśniej­szą barwą. Z tego powodu pęka ona naj­ła­twiej wła­śnie w tym punk­cie, przez co cały twór ma ten­den­cję do wydłu­ża­nia się. Dla­czego jed­nak „rośliny” rosną do góry? Jest to spo­wo­do­wane ciśnie­niem hydro­sta­tycz­nym i siłą wyporu. Dowie­dziono tego w próbach wytwo­rze­nia wspom­nia­nych struk­tur w warun­kach mikro­gra­wi­ta­cji na Między­na­ro­do­wej Sta­cji Kosmicz­nej ISS. Przy braku siły wyporu nie docho­dziło wtedy do ich wytwo­rze­nia, lub pow­sta­jące wypustki roz­ra­stały się w przy­pad­ko­wych kie­run­kach [7].

Myślę, że opi­sane doświad­cze­nie w inte­re­su­jący spo­sób uka­zuje zja­wi­sko osmozy, które często wydaje się jed­nym z trud­niej uch­wyt­nych w życiu codzien­nym feno­me­nów. Trzeba jed­nak pamiętać, że pełni ono nie­ba­ga­telną rolę w tym naj­cie­kaw­szym zja­wi­sku, które nazy­wamy życiem – wiele błon bio­lo­gicz­nych jest prze­cież wła­śnie bło­nami półp­rze­pusz­czal­nymi [8].

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.

Uzu­pełn­ie­nie autora

Jako doda­tek do powyższego tek­stu chciałbym zapro­po­no­wać film pre­zen­tu­jący doświad­cze­nie:

Marek Ples

Aa