Weird Science

Jak wyhodować węża?

Poniższy arty­kuł został opu­bli­ko­wany pier­wot­nie w cza­so­pi­śmie dla nau­czy­cieli Che­mia w Szkole (4/2018):

Ilustracja

Ples M., Jak wyho­do­wać węża - tro­chę wyo­braźni, Che­mia w Szkole, 4 (2018), Agen­cja AS Józef Szew­czyk, str. 39-43

Tro­chę wyo­braźni

Wyo­braźnią nazy­wamy zwy­kle zdol­ność do two­rze­nia pomy­słów oraz wra­żeń (obra­zów, dźw­ięków i innych) bez koniecz­no­ści bez­po­śred­niego wyko­rzy­sta­nia infor­ma­cji dostar­cza­nych przez zmy­sły. Dzięki wyo­braźni możemy więc prze­ży­wać to, czego fizycz­nie w danym momen­cie nie doświad­czamy. Pozwala też nam ona obra­zo­wać sobie - lub widzieć oczami umy­słu (łac. men­tis oculi, według Cyce­rona) - to, co jesz­cze nie ist­nieje, ale co być może uda się urze­czy­wist­nić. Tutaj tkwi war­tość wyo­braźni dla nau­kowca, wyna­lazcy czy peda­goda, ponie­waż to wła­śnie dzięki niej możemy twór­czo wyko­rzy­sty­wać zgro­ma­dzoną wcze­śniej wie­dzę. W tym aspek­cie rację miał więc Albert Ein­stein mówiąc, że "wyo­braźnia jest ważn­iej­sza niż wie­dza, bo choć wie­dza wska­zuje na to, co jest, wyo­braźnia wska­zuje na to, co będzie" [1].

Wyo­braźnię, jak każdą inną zdol­ność, można tre­no­wać. Już dzie­cięcy umysł - nie­skrępo­wany jesz­cze sche­ma­tami myślo­wymi - karmi się często baśniami czy innymi utwo­rami fan­ta­stycz­nymi. Może to być początek bar­dziej doj­rza­łej formy wyo­braźni, np. tej poma­ga­jącej w sta­wia­niu pytań na temat praw rządzących ota­cza­jącym nas świa­tem, a także w poszu­ki­wa­niu metod pozwa­la­jących na zna­le­zie­nie odpo­wie­dzi na te pyta­nia.

Wśród bar­dzo wielu różn­ego rodzaju opo­wie­ści fan­ta­stycz­nych, duże zna­cze­nie ma dla mnie twór­czość nie­miec­kiego pisa­rza Micha­ela Ende. Mimo upływu lat od pierw­szego spot­ka­nia z książk­ami tego autora pamiętam, , jakie wra­że­nie na mnie zro­biła nie­sa­mo­wita wyo­braźnia, jakiej musiało wyma­gać stwo­rze­nie zawar­tych w nich histo­rii. Szcze­gól­nie chęt­nie wra­cam do „Nie­kończącej się histo­rii” (niem. Die Unen­dli­che Geschichte, 1979 r.), w której za każdym razem znaj­duję nowe tematy do prze­my­śleń.

Zau­ważmy, że także od nas (jako eks­pe­ry­men­ta­to­rów) sytu­a­cja często wymaga wyo­braźni. To wła­śnie ona pozwala nam porów­ny­wać pewne twory pow­stałe w naszym labo­ra­to­rium do ota­cza­jących nas obiek­tów, np. roślin i żywych orga­ni­zmów [2] [3]. Zau­ważmy jed­nak, że zain­te­re­so­wa­nie roz­bu­dzone dzięki wyo­braźni zaw­sze powinno być wyko­rzy­stane do powięk­sze­nia naszego stanu wie­dzy.

Tym razem, nie­jako nawiązu­jąc do wspom­nia­nej już uprzed­nio "Nie kończącej się histo­rii" - wielką rolę grał w niej Auryn, będący sym­bo­lem przed­sta­wia­jącym dwa sple­cione węże - chciałbym zapro­po­no­wać spo­sób hodowli w naszym labo­ra­to­rium struk­tur przy­po­mi­na­jących rosnące i wijące się bez­no­gie gady.

Ilustracja
ani­ma­cja: doda­tek autora

Powyższy wstęp może wydać się niek­tórym Czy­tel­ni­kom nieco nie­ty­powy. Pamiętajmy jed­nak, że uka­zuje się on w waka­cyj­nym nume­rze Che­mii w Szkole. Myślę, że w tym cza­sie możemy sobie - a może nawet powin­ni­śmy - pozwo­lić na pewne odstęp­stwa od rygo­rów szkol­nych. Uła­twia to wyj­ście poza utarte sche­maty myśle­nia, co bywa źródłem nowych pomy­słów i z tego powodu powinno być jak naj­bar­dziej pożądane.

Doświad­cze­nie

Struk­tury przy­wo­dzące na myśl wijące się węże lub różn­ego rodzaju baj­kowe stwory każdy che­mik może otrzy­mać na różne spo­soby. Jed­nym z bar­dziej zna­nych jest wyko­rzy­sta­nie rodanku rtęci(II) Hg(SCN)2. Rze­czy­wi­ście, w wyniku ter­micz­nego roz­kładu tej sub­stan­cji pow­stają bar­dzo duże ilo­ści puszy­stego popiołu for­mu­jącego ksz­tałty, w których przy odpo­wied­niej dozie wyo­braźni można dopa­trzyć się węży [4]. Doświad­cze­nie to jest znane jako węże Fara­ona – być może dzięki sko­ja­rze­niu z histo­rią biblijną (Exo­dus, roz­dział 7). Nie­stety roda­nek rtęci(II) jest sil­nie tok­syczny, podob­nie jak więk­szość związ­ków tego metalu. Dodat­kowo w cza­sie reak­cji uwol­nione zostają inne szko­dliwe związki, a także wolna meta­liczna rtęć, która w dużej mie­rze odpa­ro­wuje. Dla­tego trudno pole­cić to doświad­cze­nie komu­kol­wiek, a już szcze­gól­nie dydak­ty­kom w ramach zajęć szkol­nych lub uczel­nia­nych. Moim zda­niem nie jest tutaj dobrym roz­wiąza­niem pro­po­no­wane przez niek­tórych auto­rów wyko­ny­wa­nie tego doświad­cze­niea na zew­nątrz. Każda ilość rtęci uwol­niona do śro­do­wi­ska może mieć na nie bar­dzo nie­ko­rzystny wpływ. Uspra­wie­dli­wia­nie tru­ci­ciel­stwa samą jego nie­wielką skalą nie powinno być w żad­nym razie tole­ro­wane.

Inną wyko­rzy­sty­waną w podob­nym celu reak­cją jest dzia­ła­nie stężo­nego kwasu siar­ko­wego(VI) H2SO4 na cukier spo­żyw­czy czyli sacha­rozę C12H22O11. Doświad­cze­nie to jest nieco bez­piecz­niej­sze, ale trzeba pamiętać, że przy ope­ro­wa­niu stężo­nym kwa­sem należy z wia­do­mych powo­dów zacho­wać daleko idącą ostrożn­ość i korzy­stać ze środ­ków och­rony oso­bi­stej.

W celu prze­pro­wa­dze­nia doświad­cze­nia należy do zlewki wsy­pać nieco zwy­kłego cukru spo­żyw­czego w postaci nie­zbyt dużych krysz­ta­łów. Jego objętość powinna być tro­chę więk­sza niż połowa naczy­nia (Fot. 1A).

Następ­nie na powierzch­nię cukru należy ostrożnie wylać kilka cen­ty­me­trów sze­ścien­nych stężo­nego kwasu siar­ko­wego(VI), a potem szybko wymie­szać wszystko szklaną bagietką. Można zau­wa­żyć, że pra­wie natych­miast cukier zaczyna wyraźnie ciem­nieć (Fot.1B).

Ilustracja:

Kliknij, aby powiększyć

Fot. 1 - Zwęgla­nie cukru spo­żyw­czego; A – cukier w naczy­niu, B – po doda­niu kwasu siar­ko­wego, C – efekt doświad­cze­nia

Deli­kat­nie doty­ka­jąc naczy­nia lub posłu­gu­jąc się ter­mo­me­trem można zau­wa­żyć szybki wzrost tem­pe­ra­tury w cza­sie zacho­dzącego pro­cesu. Po nie­dłu­gim cza­sie mie­sza­nina nabiera czar­nej barwy, zaczyna gwałt­ow­nie paro­wać i powięk­szać swoją objętość uno­sząc się z naczy­nia (Fot.1C). Należy uni­kać wdy­cha­nia pow­sta­jących par, ponie­waż sil­nie drażnią one układ odde­chowy.

Po pew­nym cza­sie pow­staje wysoka, podłużna struk­tura (Fot.2). Cza­sem łamie się ona lub wygina pod wła­snym cięża­rem. W każdym razie w pęcz­nie­jącej masy, wydzie­la­jącej opary o odra­ża­jącym zapa­chu nie­trudno dopa­trzyć się widoku jakiejś wężo­ksz­tałt­nej masz­kary.

Ilustracja:

Kliknij, aby powiększyć

Fot. 2 - Cukrowo – węglowy wąż

Łatwo zau­wa­żyć, że pow­sta­jący „wąż” ma gąb­cza­stą struk­turę. Można to wyja­śnić spo­so­bem, w jaki pow­staje – docho­dzi tutaj do dehy­dra­ta­cji sacha­rozy będącej prze­cież węglo­wo­da­nem. Cukier ulega wtedy zwęgle­niu w myśl rów­na­nia reak­cji:

C12H22O11 → 12C + 11H2O

Pow­sta­jąca woda zostaje związana przez higro­sko­pijny kwas. Wąż zaw­dzięcza więc swą czarną barwę węglowi, który jest jego głów­nym skład­ni­kiem.

Opi­sane powy­żej doświad­cze­nie jest cie­kawe, zapew­nia inte­re­su­jący efekt wizu­alny, ale jego wyko­na­nie może być pro­ble­ma­tyczne z powodu wyko­rzy­sty­wa­nia w nim stężo­nego kwasu siar­ko­wego(VI) będącego dosyć nie­bez­pieczną sub­stan­cją.

Czy można bez­piecz­niej?

Dla chcącego nic trud­nego – wystar­czy jedy­nie zna­leźć odpo­wied­nią sub­stan­cję che­miczną. Powinna ona być nie­tok­syczna, nie mieć wła­ści­wo­ści żrących ani nisz­czących nasze tkanki w inny spo­sób. Warun­kiem koniecz­nym jest też dużo więk­sza objętość pro­duk­tów sta­łych w porów­na­niu z sub­stra­tami. Dodat­ko­wym atu­tem byłoby, jeśli oma­wiana sub­stan­cja byłaby łatwo dostępna i tania.

Wszyst­kie opi­sane warunki spełnia glu­ko­nian wap­nia C12H22CaO14 (Rys.1).

Ilustracja
Rys. 1 - Wzór struk­tu­ralny glu­ko­nianu wap­nia

Oma­wiany glu­ko­nian jest wyko­rzy­sty­wany w medy­cy­nie jako źródło wap­nia przy jego nie­do­bo­rach w orga­ni­zmie [5]. Sub­stan­cja ta jest w nor­mal­nych warun­kach nie­tok­syczna, ale powinna być wyko­rzy­sty­wana jedy­nie w przy­padku stwier­dzo­nych bra­ków wap­nia w die­cie. Sto­so­wa­nie jej w zbyt dużych ilo­ściach bez kon­sul­ta­cji z leka­rzem może nieść ryzyko pew­nych nie­ko­rzyst­nych skut­ków ubocz­nych. W każdym razie glu­ko­nian wap­nia jest dostępny w apte­kach.

W warun­kach nor­mal­nych glu­ko­nian ma postać bia­łego, kry­sta­licz­nego proszku. W han­dlu naj­czę­ściej występuje w postaci table­tek widocz­nych na Fot.3.

Ilustracja:

Kliknij, aby powiększyć

Fot. 3 - Tabletki glu­ko­nianu wap­nia

Nie­stety glu­ko­nian nie spala się samo­dziel­nie, tak jak roda­nek rtęci(II). Jego roz­kład wymaga więc dostar­cze­nia ener­gii na spo­sób cie­pła. Można to roz­wiązać przy zasto­so­wa­niu płyt­kiego naczy­nia, np. szalki Petriego czy choćby tale­rza wypełn­io­nego suchym pia­skiem. Pośrodku pia­sek należy nasączyć paroma cen­ty­me­trami sze­ścien­nymi alko­holu ety­lo­wego C2H5OH, izo­pro­py­lo­wego C3H7OH lub innego (Fot.4A). Nasączony obszar powi­nien mieć powierzch­nię nie­wiele więk­szą od umiesz­czo­nej na nim tabletki glu­ko­nianu wap­nia (Fot.4B).

Ilustracja:

Kliknij, aby powiększyć

Fot. 4 - Przy­go­to­wa­nie doświad­cze­nia; A – nanie­sie­nie nie­wiel­kiej ilo­ści alko­holu na pia­sek, B – umiesz­cze­nie tabletki glu­ko­nianu wap­nia

Całe naczy­nie trzeba umie­ścić na nie­pal­nej i odpor­nej na pod­wyższoną tem­pe­ra­turę powierzchni, a następ­nie pod­pa­lić alko­hol.

Ogień pło­nącego alko­holu jest słabo widoczny i nie daje w tych warun­kach zbyt wiele świa­tła. Dzięki temu z łatwo­ścią zau­wa­żamy, pra­wie natych­miast z przed chwilą jesz­cze całk­o­wi­cie białą tabletką zaczyna dziać się coś dziw­nego: czer­nieje, jakby puch­nie, a po chwili zaczyna wyła­niać się z niej ciemny, wijący się i rosnący w oczach twór (Fot.5). Przy­wo­dzi on na myśl bez­o­kiego węża wycho­dzącego z wyko­pa­nej w pia­sku nory.

Ilustracja:

Kliknij, aby powiększyć

Fot. 5 - Wąż

Wąż rośnie i poru­sza się tak długo, aż nie roz­łoży się mate­riał całej tabletki, albo nie wyczer­pie się paliwo w postaci alko­holu.

Doświad­cze­nie można prze­pro­wa­dzić też ina­czej, rezy­gnu­jąc z naczy­nia i pia­sku. Potrzebne jest wtedy jed­nak inne źródło cie­pła. Korzystne wydaje się wyko­rzy­sta­nie w tym celu pasty­lek suchego paliwa tury­stycz­nego. Dusza eks­pe­ry­men­ta­tora wymaga jed­nak, żeby samemu przy­go­to­wać odpo­wied­nie paliwo. W tym przy­padku pro­po­nuję wyko­na­nie pal­nej… gala­retki.

By ją przy­go­to­wać potrze­bu­jemy niesz­ko­dli­wej sub­stan­cji jaką jest octan wap­nia C4H6CaO4. Jest to kry­sta­liczny pro­szek, dosyć łatwo roz­pusz­cza­jący się w wodzie (Fot.6).

Ilustracja:

Kliknij, aby powiększyć

Fot. 6 - Octan wap­nia

Octan wap­nia jest wyko­rzy­sty­wany w prze­my­śle spo­żyw­czym jako kon­ser­want, a także przy tech­nicz­nej pro­duk­cji kwasu octo­wego [6].

Musimy spo­rządzić roz­twór octanu poprzez roz­pusz­cze­nie kilku gra­mów tej sub­stan­cji w jak najm­niej­szej ilo­ści wody desty­lo­wa­nej – naj­le­piej na gorąco. Osobno przy­go­to­wu­jemy 20cm3 alko­holu ety­lo­wego lub izo­pro­py­lo­wego o jak naj­wyższym stęże­niu. Ja wyko­rzy­sta­łem po pro­stu spi­ry­tus spo­żyw­czy. Do alko­holu trzeba dodać odro­binę prze­sączo­nego, jesz­cze cie­płego roz­tworu octanu wap­nia (Fot.7A). Konieczne jest przy tym dosyć inten­sywne mie­sza­nie. Pra­wie natych­miast pow­staje gala­retka, a raczej żel (Fot.7B).

Ilustracja:

Kliknij, aby powiększyć

Fot. 7 - Przy­go­to­wa­nie paliwa; A – alko­hol, B – żel pow­stały po doda­niu octanu wap­nia

Roz­pusz­czal­ność octanu wap­nia w alko­ho­lach jest dużo mniej­sza niż w wodzie. Po doda­niu więc nie­wiel­kiej ilo­ści wod­nego roz­tworu do alko­holu, roz­pusz­czal­ność tego związku gwałt­ow­nie maleje. Wypa­da­jący z roz­tworu octan for­muje gęstą sieć, w której zostają uwięzione cząsteczki alko­holu. Pow­stały w ten spo­sób żel jest naprawdę sztywny – zawie­ra­jącą go zlewkę można bez obaw odw­rócić do góry dnem (Fot.8). Oczy­wi­ście takiej gala­retki nie należy spo­ży­wać.

Ilustracja:

Kliknij, aby powiększyć

Fot. 8 - Alko­ho­lowa gala­retka

Jako, że opi­sana gala­retka w głów­nej mie­rze składa się z alko­holu, to odz­na­cza się ona dosko­nałą pal­no­ścią. Jeśli wyko­rzy­stane sub­stan­cje były czy­ste che­micz­nie (także woda), to po umiesz­cze­niu na nie­pal­nej pod­sta­wie i pod­pa­le­niu żel spala się z led­wie widocz­nym, nie­bie­ska­wym pło­mie­niem (Fot.9A). Jest to sprzy­ja­jąca w doświad­cze­niu oko­licz­ność, ale jeśli komuś by zale­żało na widocz­no­ści pło­mie­nia to wystar­czy do gala­retki wpro­wa­dzić nie­wielką ilość chlorku sodu NaCl, by pło­mień nabrał cha­rak­te­ry­stycz­nej i dobrze widocz­nej barwy żółtej (Fot.9B).

Ilustracja:

Kliknij, aby powiększyć

Fot. 9 - Spo­sób spa­la­nia się gala­retki; A - bez dodat­ków, B – z dodat­kiem chlorku sodu

Po całk­o­wi­tym wypa­le­niu się gala­retki pozo­staje bar­dzo nie­wiele sub­stan­cji sta­łych.

Chcąc wyko­rzy­stać otrzy­maną w przy­to­czony powy­żej spo­sób gala­retkę jako paliwo dla naszego węża naj­le­piej jest ufor­mo­wać ją w ksz­tałt nie­wiel­kich wal­ców o śred­nicy podob­nej do table­tek glu­ko­nianu. Może to uła­twić pro­sty przy­rząd wyko­nany ze zwy­kłej strzy­kawki. Odpo­wiedni będzie egzem­plarz o pojem­no­ści 5cm3. Prze­róbka strzy­kawki nie jest trudna – wystar­czy obciąć ostrym nożem jej koniec, tak by otrzy­mać pro­stą rurkę, w której może poru­szać się tłok (Fot.10A). Do rurki należy następ­nie nało­żyć pewną ilość żelu, a potem doci­snąć tłocz­kiem (Fot.10B). Tło­czek jest także pomocny w wypch­nięciu goto­wej pastylki paliwa z przy­rządu (Fot.10C).

Ilustracja:

Kliknij, aby powiększyć

Fot. 10 - Przy­go­to­wa­nie paliwa; A - spre­pa­ro­wana strzy­kawka, B – for­mo­wane paliwo, C – gotowa pastylka paliwa

Przy­go­to­waną w ten spo­sób pastylkę paliwa trzeba poło­żyć w pozy­cji pio­no­wej na nie­pal­nej pod­sta­wie, a na niej umie­ścić tabletkę glu­ko­nianu jak to poka­zano na Fot.11.

Ilustracja:

Kliknij, aby powiększyć

Fot. 11 - Gotowy zestaw doświad­czalny

Po pod­pa­le­niu tak przy­go­to­wa­nego zestawu sub­stan­cji możemy być ponow­nie świad­kami pow­sta­nia fan­ta­zyj­nie powy­gi­na­nego węża. Przed­sta­wiona sekwen­cja zdjęć (Fot.12) obra­zuje czego się możemy spo­dzie­wać.

Ilustracja:

Kliknij, aby powiększyć

Fot. 12 – Prze­bieg doświad­cze­nia; A – tuż po zapa­le­niu alko­holu, B, C, D – kolejne etapy wzro­stu struk­tury

Warto wspom­nieć też o innej pro­stej mody­fi­ka­cji tego doświad­cze­nia. Aby uzy­skać dodat­kowy cie­kawy efekt wystar­czy tabletkę poło­żyć nie pła­sko, ale na kra­wędzi bocz­nej, tak jak poka­zano to na Fot.13.

Ilustracja:

Kliknij, aby powiększyć

Fot. 13 – Mody­fi­ka­cja doświad­cze­nia

Oka­zuje się, że nawet tak pro­sta zmiana warun­ków doświad­cze­nia pozwala na otrzy­ma­nie struk­tury jesz­cze bar­dziej przy­po­mi­na­jącej jakie­goś stwora, ponie­waż w takim przy­padku z tabletki wyła­niają się począt­kowo dwie czarne, wijące się niby-macki (Fot.14). Dopiero w ślad za nimi zaczyna rosnąć „ciało” węża.

Ilustracja:

Kliknij, aby powiększyć

Fot. 14 – Potwór z mac­kami; prawy dolny róg - osta­teczny efekt

Pozo­sta­ło­ści po doświad­cze­niu nie są tok­syczne, więc pozby­cie się ich nie sta­nowi pro­blemu.

Wyja­śnie­nie

Przy­czyną obser­wo­wa­nego zacho­wa­nia glu­ko­nianu wap­nia w opi­sa­nych warun­kach jest jego utle­nia­nie w pod­wyższo­nej tem­pe­ra­tu­rze. Zacho­dzi ono według rów­na­nia reak­cji:

2C12H22CaO14 + O2 → 22H2O + 21C + 2CaO + 3CO2

Węgiel C i tle­nek wap­nia CaO pow­sta­jące tu jako pro­dukty reak­cji są cia­łami sta­łymi i to one for­mują struk­turę węża. Nato­miast woda H2O i dwu­tle­nek węgla CO2 są w warun­kach reak­cji gazami, więc opusz­czają układ. Zanim to jed­nak zro­bią, for­mują pęche­rzyki w lep­kiej masie rea­gen­tów. Dzięki temu struk­tura węża ma postać gąbki i odz­na­cza się bar­dzo nie­wielką suma­ryczną gęsto­ścią. Następuje wie­lo­krotne zwięk­sze­nie objęto­ści pro­duk­tów w sto­sunku do sub­stra­tów. Łatwo stwier­dzić, że pow­sta­jący mate­riał jest bar­dzo lekki – unosi się przy najl­żej­szych pod­mu­chach powie­trza.

Myślę, że to pro­ste, a cie­kawe doświad­cze­nie może być źródłem przy­jem­no­ści z pozna­wa­nia taj­ni­ków che­mii.

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 film przed­sta­wia­jący przy­go­to­wa­nie doświad­cze­nia, a także naro­dziny i wzrost "węża".

Marek Ples

Aa