Weird Science

Chemiluminescencyjne oscylacje

Fascy­nu­jąca che­mia

Ist­nieją pewne grupy reak­cji che­micz­nych, które zaw­sze cie­szą się wiel­kim zain­te­re­so­wa­niem ucz­niów i nau­czy­cieli, nie tylko ze względu na nie­wąt­pliwą war­tość edu­ka­cyjną, ale też wspa­niały efekt wizu­alny. Obok innych należy tu wspom­nieć reak­cje, pod­czas których docho­dzi do che­mi­lu­mi­ne­scen­cji, a także reak­cje oscy­la­cyjne. Każde z osobna są bar­dzo cie­kawe, lecz tym razem pro­po­nuję sza­now­nemu Czy­tel­ni­kowi prze­pro­wa­dze­nie doświad­cze­nia łączącego obie dzie­dziny: che­mi­lu­mi­ne­scen­cyj­nej reak­cji oscy­la­cyj­nej!

Ilustracja

Przy­go­to­wa­nie doświad­cze­nia nie jest skom­pli­ko­wane, wymaga jed­nak sta­ran­no­ści.

Potrzebne sub­stan­cje

By móc prze­pro­wa­dzić doświad­cze­nie potrze­bu­jemy:

Ostrze­że­nie: W tym doświad­cze­niu wyko­rzy­sty­wany jest NaOH, który jest mocną zasadą i ma silne dzia­ła­nie żrące. Lumi­nol ma dzia­ła­nie aler­go­genne i jest podej­rze­wany o wła­ści­wo­ści rako­twór­cze! Należy bezw­zględ­nie uni­kać zanie­czysz­cze­nia oczu lub skóry! Roda­nek potasu jest tok­syczny, a w kon­tak­cie z kwa­sami uwal­nia sil­nie tru­jące gazy. Autor nie bie­rze jakiej­kol­wiek odpo­wie­dzial­no­ści za wszel­kie mogące pow­stać szkody. Robisz to na wła­sne ryzyko!

3-ami­no­hy­dra­zyd kwasu fta­lo­wego, bar­dziej znany jako lumi­nol, jest nie­stety sto­sun­kowo dro­gim odczyn­ni­kiem. Na szczęscie jed­nak są potrzebne bar­dzo małe jego ilo­ści, więc nawet pół grama tej sub­stan­cji wystar­czy do prze­pro­wa­dze­nia wielu cie­ka­wych reak­cji. Jego wzór struk­tu­ralny:

Ilustracja

Można go też samemu zsyn­te­zo­wać, lecz wymaga to nieco zachodu. Dla chcącego nie ma nic trud­nego! Dla tych, którzy chcie­liby samo­dziel­nie uzy­skać tę sub­stan­cję, zamiesz­czam opis prze­pro­wa­dzo­nej przeze mnie syn­tezy lumi­nolu. Poni­żej zdjęcie próbki otrzy­ma­nego w ten spo­sób związku, który został wyko­rzy­stany także w tym doświad­cze­niu.

Ilustracja: luminol

luminol

By móc prze­pro­wa­dzić doświad­cze­nie musimy przy­go­to­wać następu­jące roz­twory, koniecz­nie uży­wa­jąc wody desty­lo­wa­nej:

Roz­twory muszą być przy­go­to­wane jak naj­do­kład­niej - odpo­wied­nie stęże­nia mają tutaj wiel­kie zna­cze­nie! Naj­le­piej przy­go­to­wy­wać je bez­po­śred­nio przed doświad­cze­niem, ponie­waż zbyt dłu­gie prze­cho­wy­wa­nie spra­wia, że pow­ta­rzal­ność efektu staje się pro­ble­ma­tyczna.

Spo­sób prze­pro­wa­dze­nia

Kolbę Erlen­may­era o pojem­no­ści 1003 należy wsta­wić do dużego kry­sta­li­za­tora zawie­ra­jącego wodę o tem­pe­ra­tu­rze nie wyższej niż 60°C. Do kolby trzeba następ­nie wlać uprzed­nio pod­grzane do podob­nej tem­pe­ra­tury roz­twory A, B i C, a po chwili także D. Pow­stały roz­twór musi być inten­syw­nie mie­szany. Przy­datne jest mie­sza­dło magne­tyczne z płytą grzejną - wtedy można zre­zy­gno­wać ze sto­so­wa­nia łaźni wod­nej. By móc zau­wa­żyć efekt, od tego momentu układ reak­cyjny należy obser­wo­wać w ciem­no­ści. Doświad­cze­nie ilu­struje film, zamiesz­czony poni­żej.

Możemy zau­wa­żyć, że po okre­sie induk­cji roz­twór zaczyna emi­to­wać bły­ski nie­bie­skiego świa­tła, prze­dzie­lone dłuższymi chwi­lami ciem­no­ści! Często­tli­wość bły­sków może się zawie­rać w sto­sun­kowo dużych gra­ni­cach, przy czym w tem­pe­ra­tu­rze poko­jo­wej jest dużo niższa niż po, jak to poka­za­łem, ogrza­niu - może wtedy wyno­sić jeden błysk co kilka, kil­ka­na­ście minut.

Oscy­la­cje zani­kają zwy­kle po kil­ku­dzie­sięciu minu­tach.

Wyja­śnie­nie

Opi­sany pro­ces jest mody­fi­ka­cją reak­cji, która została opi­sana po raz pierw­szy w 1986 roku przez Miklósa Orbána, węgier­skiego che­mika. Stwier­dził on, że w pew­nych warun­kach, pod­czas reak­cji między nad­tlen­kiem wodoru i rodan­kiem potasu kata­li­zo­wa­nej związ­kami mie­dzi(II), może docho­dzić do oscy­la­cji che­micz­nych, obja­wia­jących się cykliczną zmianą zabar­wie­nia roz­tworu, między bez­barw­nym, a żółto-brązo­wym [Orbán, Jour­nal of the Ame­ri­can Che­mi­cal Society, Nr. 108, 1986].

Dwa lata późn­iej stwier­dzono, że możl­iwe jest wpro­wa­dze­nie do układu reak­cyj­nego lumi­nolu, jako che­mi­lu­mi­no­foru [Sch­ne­i­der, Amr­hen, The Jour­nal of Phy­si­cal Che­mi­stry, Nr. 92, 1988]. Dzięki temu oscy­la­cje mogą być obser­wo­wane także w zakre­sie emi­sji świa­tła cha­rak­te­ry­stycz­nego dla reak­cji utle­nia­nia tej sub­stan­cji.

Jak więk­szość che­micz­nych pro­ce­sów oscy­la­cyj­nych, także i ten jest dosyć skom­pli­ko­wany. Wystar­czy powie­dzieć, że postu­lo­wany mecha­nizm reak­cji zakłada, że w roz­two­rze zacho­dzi jed­no­cze­śnie około 30 (sic!) rów­no­le­głych, regu­lu­jących się wza­jem­nie na różne spo­soby, reak­cji. Poniższe rów­na­nia obra­zują jedy­nie kilka z tych pro­ce­sów.

Ilustracja

Reak­cja czwarta jest nam dobrze znana, ponie­waż jest to zapis reak­cji utle­nia­nia lumi­nolu, który został już przeze mnie dokład­nie omówiony tutaj, z tym, że reak­cja ta nie jest tutaj kata­li­zo­wana kom­plek­sami żelaza, lecz mie­dzi.

Inte­rak­cje między pozo­sta­łymi reak­cjami powo­dują między innymi, że stęże­nie kom­pleksu [Cu(NH3)4]2+ pod­lega cyklicz­nym waha­niom. Ten wła­śnie kom­pleks kata­li­zuje reak­cję utle­nia­nia lumi­nolu. Jest zro­zu­miałe więc, że jego świe­ce­nie będzie także widoczne w postaci regu­lar­nych bły­sków.

Często­tli­wość drgań układu zależy od wielu czyn­ni­ków, między innymi od tem­pe­ra­tury: przy tych samych stęże­niach rea­gen­tów, często­tli­wość drgań układu zwięk­sza się wraz z tem­pe­ra­turą.

Ista­nieje wiele innych przy­kła­dów che­micz­nych pro­ce­sów oscy­la­cyj­nych, na przy­kład pier­ście­nie Lie­se­ganga, reak­cja Bie­ło­u­sowa-Żabo­tyńs­kiego-Win­free, reak­cja Briggsa-Rau­schera oraz uprosz­czony pro­ces oscy­la­cyjny.

Życzę miłej i pou­cza­jącej zabawy:)

Marek Ples

Aa