Weird Science

Kolor temperatury

Poniższy arty­kuł został opu­bli­ko­wany pier­wot­nie w cza­so­pi­śmie dla nau­czy­cieli Che­mia w Szkole (2/2018):

Ilustracja

Ples M., Kolor tem­pe­ra­tury, Che­mia w Szkole, 2 (2018), Agen­cja AS Józef Szew­czyk, str. 43-48

Maria Paw­li­kow­ska-Jasno­rzew­ska, pol­ska poetka dwu­dzie­sto­le­cia między­wo­jen­nego, w swoim wier­szu Barwy skar­żyła się:

"O, jakże się w bia­ło­ści mojej bieli męczę -
chcę barwą być – a któż mnie roz­bije na tęczę?"

Pozo­sta­wia­jąc jed­nak chwi­lowo kwe­stie liryki na boku, zasta­nówmy się czym wła­ści­wie jest barwa lub kolor?

Barwa, nazy­wana też kolo­rem jest wra­że­niem psy­chicz­nym pow­sta­jącym w mózgu czło­wieka i zwie­rząt pod wpły­wem odbioru pro­mie­nio­wa­nia elek­tro­ma­gne­tycz­nego z zakresu widzial­nego. Wra­że­nie barwy zależy w głów­nej mie­rze od składu wid­mo­wego pro­mie­nio­wa­nia świetl­nego, a nieco mniej od ilo­ści dostar­czo­nej w ten spo­sób ener­gii. Trzeba jed­nak pamiętać, że odbiór barwy przez obser­wa­tora jest subiek­tywny, więc duże zna­cze­nie ma obec­ność innych barw w polu widze­nia obser­wa­tora, jego samo­po­czu­cie, a nawet doświad­cze­nie w posłu­gi­wa­niu się zmy­słem wzroku [1].

Ist­nieje dzie­dzina nauki zaj­mu­jąca się bada­niem wra­żeń barw­nych oraz spo­so­bem ich odbioru - jest to tzw. teo­ria koloru. Dzie­dzina ta ope­ruje w obrębie zagad­nień nie tylko fizyki i bio­lo­gii, ale także psy­cho­lo­gii.

W pow­szech­nym mnie­ma­niu jedną z naj­bar­dziej „kolo­ro­wych” dzie­dzin nauki jest che­mia. Nie zaska­kuje to, ponie­waż che­mia bada prze­cież naturę i wła­ści­wo­ści sub­stan­cji, a zwłasz­cza prze­miany zacho­dzące pomiędzy nimi. Wiemy dziś, że wspom­niane prze­miany wyni­kają z praw, według których atomy łączą się poprzez wiąza­nia che­miczne w mniej lub bar­dziej trwałe związki, a także roz­pa­dają się na inne. Che­mia bada też, w jaki spo­sób wła­ści­wo­ści sub­stan­cji wyni­kają bez­po­śred­nio z ich struk­tury mole­ku­lar­nej.

Na barwę związ­ków che­micz­nych i pier­wiast­ków wpływ ma wiele zróżn­i­co­wa­nych czyn­ni­ków, m.in. rodzaj sub­stan­cji, jej stan sku­pie­nia, postać alo­tro­powa, wyko­rzy­stany roz­pusz­czal­nik. Barwę niek­tórych sub­stan­cji może mody­fi­ko­wać tem­pe­ra­tura, jako wiel­kość związana ze śred­nią ener­gią kine­tyczną ruchu i drgań wszyst­kich cząstek two­rzących układ [2].

Prze­ksz­tałc­e­nia barwy pod­czas zmian tem­pe­ra­tury są przy­kła­dem ter­mo­ch­ro­mi­zmu, nale­żącego do klasy zja­wisk chro­mo­tro­po­wych (chro­mo­tro­pi­zmów) [3].

Myślę, że wspom­niane zja­wi­ska są inte­re­su­jące, a wyko­na­nie demon­stru­jących je doświad­czeń nie nastręcza trud­no­ści – dal­sza lek­tura arty­kułu powinna o tym prze­ko­nać Sza­now­nego Czy­tel­nika.

Doświad­cze­nia i wyja­śnie­nia

Jed­nymi z naj­czę­ściej oma­wia­nych związ­ków ter­mo­ch­ro­mo­wych są niek­tóre sole zawie­ra­jące kom­plek­sowy jon tetra­jo­dor­tęcia­nowy(II) o wzo­rze [HgI4]2-. Jego wzór struk­tu­ralny można zoba­czyć na Rys.1.

Ilustracja
Rys.1 – Wzór struk­tu­ralny jonu tetra­jo­dor­tęcia­no­wego(II)

Warto wspom­nieć też, że tetra­jo­dor­tęcian(II) potasu K2[HgI4] jest znany także pod nazwą odczyn­nika Nes­slera i służy do wykry­wa­nia jonów amo­no­wych NH4+. Nie wyka­zuje on jed­nak poszu­ki­wa­nych przez nas wyraźn­ych wła­ści­wo­ści ter­mo­ch­ro­mo­wych. Taką cechę ma jed­nak tetra­jo­dor­tęcian(II) mie­dzi(I) Cu2[HgI4].

Uwaga prak­tyczna: zde­cy­do­wana więk­szość związ­ków rtęci Hg to sub­stan­cje bar­dzo szko­dliwe i nie­bez­pieczne. Odnosi się to także do związ­ków wyko­rzy­sty­wa­nych w opi­sy­wa­nych tutaj eks­pe­ry­men­tach. Już pod­czas pro­jek­to­wa­nia doświad­czeń trzeba koniecz­nie zasta­no­wić się nad bez­piecz­nymi spo­so­bami uniesz­ko­dli­wie­nia pozo­sta­ło­ści. Trzeba zacho­wać wszel­kie środki ostrożn­o­ści i uży­wać środ­ków och­rony oso­bi­stej.

Do przy­go­to­wa­nia związku ter­mo­ch­ro­mo­wego potrze­bu­jemy [4]:

Po pierw­sze, musimy przy­go­to­wać roz­twór 1,7g chlorku rtęci(II) w 12cm3 wody desty­lo­wa­nej. W tej samej ilo­ści wody należy spo­rządzić osobno roz­twór 4,2g jodku potasu.

Ciągle mie­sza­jąc trzeba doda­wać powoli roz­twór jodku do roz­tworu soli rtęci. Począt­kowo wydzie­lają się przy tym duże ilo­ści jodku rtęci(II) HgI2 pow­sta­jącego w myśl rów­na­nia reak­cji:

Hg2+ + 2I- → HgI2

Przy dal­szym doda­wa­niu roz­tworu czer­wony osad jodku rtęci(II) ulega roz­two­rze­niu na sku­tek obec­no­ści nad­miaru jonów jod­ko­wych I-:

HgI2 + 2I- → [HgI4]2-

Po całk­o­wi­tym połącze­niu obu cie­czy dys­po­nu­jemy więc kla­row­nym roz­two­rem zawie­ra­jącym m.in. jony tetra­jo­dor­tęcia­nowe(II). Należy do niego – ciągle inten­syw­nie mie­sza­jąc – dodać powoli roz­twór 6g pen­ta­hy­dratu siar­czanu(VI) mie­dzi(II) w jak najm­niej­szej ilo­ści wody. Zacho­dzi wtedy reak­cja:

2Cu2+ + [HgI4]2- + 2I- → Cu2[HgI4]↓ + I2

Pow­staje wtedy czer­wony osad inte­re­su­jącego nas tetra­jo­dor­tęcianu(II) mie­dzi(I). Nie­stety jed­no­cze­śnie wytrącają się duże ilo­ści prak­tycz­nie nie­roz­pusz­czal­nego w wodzie pier­wiast­ko­wego jodu I2 – usu­wamy go wkra­pla­jąc powoli do mie­sza­niny roz­twór disiar­czanu(IV) potasu. Doda­jemy go w ilo­ści koniecz­nej dla zaniku barwy cha­rak­te­ry­stycz­nej dla jodu. Czer­wony osad związku kom­plek­so­wego możemy następ­nie odsączyć, kil­ku­krot­nie prze­myć wodą, następ­nie ace­to­nem, po czym wysu­szyć (Fot.1).

Ilustracja:

Kliknij, aby powiększyć

Fot.1 – Tetra­jo­dor­tęcian(II) mie­dzi(I)

W pro­duk­cji tetra­jo­dor­tęcianu można też wyko­rzy­stać świeżo przy­go­to­wany chlo­rek mie­dzi(I) CuCl, lecz z reguły siar­czan(VI) jest łatwiej­szy do zdo­by­cia [5].

Zacho­wu­jąc odpo­wied­nie środki ostrożn­o­ści trzeba nanieść szczyptę suchej sub­stan­cji na kartkę zwy­kłego papieru, a następ­nie roze­trzeć. Otrzy­maną czer­woną plamę radzę w ramach bez­pie­czeńs­twa pokryć war­stwą sze­ro­kiej prze­zro­czy­stej taśmy kle­jącej (Fot.2). Unie­możl­iwi to odry­wa­nie się pod­czas mani­pu­la­cji z tak spre­pa­ro­wa­nym papie­rem dro­bi­nek tok­sycz­nej sub­stan­cji.

Ilustracja:

Kliknij, aby powiększyć

Fot.2 – Arkusz papieru pokryty war­stwą otrzy­ma­nego związku i zabez­pie­czony taśmą kle­jącą

Pow­stały w ten spo­sób arku­sik papieru można przy­kleić taśmą biu­rową np. do bocz­nej, zew­nętrz­nej powierzchni labo­ra­to­ryj­nej zlewki (Fot.3).

Ilustracja:

Kliknij, aby powiększyć

Fot.3 – Spre­pa­ro­wany papier na zew­nętrz­nej ściance zlewki

Do tak przy­go­to­wa­nej zlewki trzeba wlać gorącej, pra­wie wrzącej wody. Szcze­gól­nie malow­ni­czy efekt uzy­ska się, jeśli poziom wody sięgnie mniej więcej do połowy wyso­ko­ści barw­nego arku­sza lub nieco wyżej (Fot.4).

Ilustracja:

Kliknij, aby powiększyć

Fot.4 – Wzrost tem­pe­ra­tury dol­nej czę­ści naczy­nia pociąga za sobą zmianę barwy papieru

Jak widać, wzrost tem­pe­ra­tury naczy­nia pociągnął za sobą zmianę barwy tetra­jo­dor­tęcianu(II) mie­dzi(I) na pra­wie czarną. Zja­wi­sko zacho­dzi w tem­pe­ra­tu­rze około 70°C. Zau­ważmy jak ostra jest gra­nica między bar­wami. Pro­ces jest całk­o­wi­cie odw­ra­calny – po och­ło­dze­niu pow­raca barwa czer­wona.

Wła­ści­wo­ści ter­mo­ch­ro­mowe wyka­zuje też tetra­jo­dor­tęcian(II) sre­bra, który można uzy­skać podobną metodą. Zmiany barwy w jego przy­padku są jed­nak zde­cy­do­wa­nie mniej kon­tra­stowe. Nie można tu nie wspom­nieć, że pow­sta­jący przej­ściowo w opi­sy­wa­nej syn­te­zie jodek rtęci(II) także pozwala na zapo­zna­nie się ze zja­wi­skiem ter­mo­ch­ro­mi­zmu – w tem­pe­ra­tu­rze poko­jo­wej jest czer­wony, zaś po ogrza­niu żółty [6].

W razie chęci prze­cho­wa­nia ter­mo­ch­ro­mo­wych związ­ków rtęci do przy­szłych doświad­czeń zale­cam zato­pie­nie ich w szkla­nych ampułk­ach. Umożl­i­wia to demon­stra­cje ich cie­ka­wych wła­ści­wo­ści bez koniecz­no­ści naru­sza­nia naczyń i wcho­dze­nia w bez­po­średni kon­takt z tymi nie­zbyt przy­jem­nymi sub­stan­cjami.

Doświad­cze­nia ze związ­kami rtęci są bar­dzo efek­towne i pou­cza­jące. Zro­zu­miała jest jed­nak nie­chęć do wyko­rzy­sty­wa­nia tak tok­sycz­nych sub­stan­cji. Dla­tego w dal­szej czę­ści arty­kułu opi­szę wyko­na­nie podob­nych, ale mniej nie­bez­piecz­nych doświad­czeń.

Pierw­szą alter­na­tywą jest wyko­rzy­sta­nie jodku oło­wiu(II) PbI2. Można go w łatwy spo­sób otrzy­mać w reak­cji strące­nio­wej. Potrze­bu­jemy więc:

Azo­tan(V) można zastąpić inną roz­pusz­czalną solą tego metalu, np. octa­nem oło­wiu(II) o wzo­rze (CH3COO)2Pb. Pamiętać trzeba, że cho­ciaż zwy­kle mniej nie­bez­pieczne od podob­nych związ­ków rtęci, to połącze­nia che­miczne zawie­ra­jące w swej struk­tu­rze ołów są także tok­syczne.

Chcąc otrzy­mać potrzebny jodek wystar­czy zmie­szać oba roz­twory. Natych­miast pow­stają duże ilo­ści jaskra­wo­żółt­ego osadu (Fot.5).

Ilustracja:

Kliknij, aby powiększyć

Fot.5 – Osad jodku oło­wiu(II)

Reak­cję tę można oczy­wi­ście opi­sać rów­na­niem:

Pb2+ + 2I- → PbI2

Reak­cja ta jest wyko­rzy­sty­wana jako czuła próba na obec­ność zarówno jonów jod­ko­wych I-, jak i oło­wio­wych Pb2+.

Osad trzeba oczy­wi­ście przy­najm­niej kil­ku­krot­nie prze­myć wodą, odsączyć i wysu­szyć. Ma on postać żółt­ego, ciężk­iego proszku (Fot.6).

Ilustracja:

Kliknij, aby powiększyć

Fot.6 – Jodek oło­wiu(II)

By prze­ko­nać się o ter­mo­ch­ro­mo­wych wła­ści­wo­ściach otrzy­ma­nej soli oło­wiu naj­le­piej wsy­pać nieco tej sub­stan­cji do pro­bówki (Fot.7A).

Ilustracja:

Kliknij, aby powiększyć

Fot.7 – Ter­mo­ch­ro­mia jodku oło­wiu(II); A – tem­pe­ra­tura poko­jowa, B – tem­pe­ra­tura pod­wyższona

Próbówkę należy następ­nie deli­kat­nie ogrze­wać pal­ni­kiem. Bar­dziej odpo­wiedni wydaje się w tym przy­padku raczej pal­nik spi­ry­tu­sowy niż gazowy, ponie­waż w zbyt wyso­kiej tem­pe­ra­tu­rze sub­stan­cja ule­gnie po pro­stu sto­pie­niu. Tak czy ina­czej już po chwili ogrze­wa­nia barwa oma­wia­nego jodku zmie­nia się z żółtej na czer­wono-poma­rańczową (Fot.7B). Po och­ło­dze­niu sub­stan­cja staje się na pow­rót jaskra­wo­żółta.

W przy­padku wspom­nia­nych związ­ków rtęci i oło­wiu zmiany barwy były spo­wo­do­wane fak­tem, że sub­stan­cje te mogą ist­nieć w różn­ych for­mach o odmien­nych wła­ści­wo­ściach fizycz­nych (w tym przy­padku m.in. o innej bar­wie). Formy te są ter­mo­dy­na­micz­nie sta­bilne w różn­ych tem­pe­ra­tu­rach. Tak więc przy zmia­nach tem­pe­ra­tury możemy obser­wo­wać prze­ksz­tałc­a­nie się form sta­bil­nych w tem­pe­ra­tu­rze poko­jo­wej w formy sta­bilne w tem­pe­ra­tu­rze pod­wyższone i  vice versa.

Czy ist­nieją jed­nak jakieś jesz­cze bez­piecz­niej­sze w wyko­rzy­sta­niu związki ter­mo­ch­ro­mowe? Oka­zuje się, że tak. Jed­nym z nich jest tle­nek cynku ZnO, nazy­wany często bielą cyn­kową [7].

Tle­nek cynku sto­so­wany jest jako doda­tek do farb i lakie­rów, w kosme­tyce, cera­mice oraz jako wypełn­iacz w pro­duk­cji gumy, kau­czuku i two­rzyw sztucz­nych. Został wpro­wa­dzony w malar­stwie jako pig­ment w XVIII wieku. Wyko­rzy­stuje się go także jako pro­szek dak­ty­lo­sko­pijny. Tle­nek cynku jest sto­so­wany w lecz­nic­twie z racji deli­kat­nego dzia­ła­nia anty­bak­te­ryj­nego – ma pozy­tywny wpływ na pro­ces goje­nia się ran. Jest sto­so­wany jako skład­nik różn­ego rodzaju maści i zasy­pek lecz­ni­czych.

W nor­mal­nych warun­kach tle­nek cynku jest biały (Fot.8).

Ilustracja:

Kliknij, aby powiększyć

Fot.8 – Tle­nek cynku w tem­pe­ra­tu­rze poko­jo­wej

Teraz trzeba tle­nek cynku pod­grzać do dosyć wyso­kiej tem­pe­ra­tury – w tym przy­padku z pew­no­ścią pal­nik spi­ry­tu­sowy będzie nie­wy­star­cza­jący. Koniecz­ność osiągnięcia tem­pe­ra­tury powy­żej 400°C wymaga uży­cia pal­nika gazo­wego.

Po ogrza­niu do odpo­wied­niej tem­pe­ra­tury tle­nek staje się wyraźnie żółty (Fot.9). W lite­ra­tu­rze często przyj­muje się, że tem­pe­ra­tura zmiany barwy wynosi tutaj około 425°C.

Ilustracja:

Kliknij, aby powiększyć

Fot.9 – Tle­nek cynku po odgrza­niu

Także i w tym przy­padku zmiana barwy jest całk­o­wi­cie odw­ra­calna i można dla danej próbki sub­stan­cji prze­pro­wa­dzać ją wie­lo­krot­nie. Mecha­nizm zja­wi­ska jest jed­nak odmienny niż dla soli rtęci i oło­wiu. Wiemy, że wraz ze wzro­stem tem­pe­ra­tury wzra­sta inten­syw­ność drgań cząstek upo­rząd­ko­wa­nych w sieci kry­sta­licz­nej. W kry­sta­licz­nym tlenku cynku - przy odpo­wied­nio wyso­kiej tem­pe­ra­tu­rze - powo­duje to pow­sta­nie tzw. cen­trów barw­nych (cen­trów F). Są to defekty sieci kry­sta­licz­nej, pole­ga­jące na tym, że część miejsc nor­mal­nie zaj­mo­wa­nych przez jon ujemny zostaje obsa­dzone przez jeden lub więcej nie­spa­ro­wa­nych elek­tro­nów. Fizycz­nie ozna­cza to, iż w pro­ce­sie ogrze­wa­nia z krysz­tału ZnO „wygo­to­wy­wany” jest tlen, pozo­sta­wia­jący w sieci kry­sta­licz­nej elek­trony z ory­gi­nal­nych anio­nów tlen­ko­wych O2- . Nie jest przy tym wyklu­czone, że odpo­wied­nia część jonów Zn2+ ulega wtedy reduk­cji do stop­nia utle­nie­nia +1. Pow­sta­wa­nie takich defek­tów pociąga za sobą zmianę zdol­no­ści absorp­cji okre­ślo­nych dłu­go­ści pro­mie­nio­wa­nia z zakresu widzial­nego, a więc i barwy świa­tła odbi­tego [8].

Inny jest mecha­nizm zmiany barwy hydra­tów (soli uwod­nio­nych) pod wpły­wem ogrze­wa­nia. By prze­a­na­li­zo­wać to zagad­nie­nie posłu­żymy się przy­kła­dem już wyko­rzy­sty­wa­nego przez nas pen­ta­hy­dratu siar­czanu(VI) mie­dzi(II). W nor­mal­nych warun­kach sub­stan­cja ta ma postać krysz­ta­łów o pięk­nej nie­bie­skiej bar­wie (Fot.10).

Ilustracja:

Kliknij, aby powiększyć

Fot.10 – Pen­ta­hy­drat siar­czanu(VI) mie­dzi(II)

W wyniku ogrze­wa­nia powy­żej tem­pe­ra­tury 197°C w wyglądzie związku zacho­dzi dosyć dra­styczna zmiana – krysz­tały roz­sy­pują się na śnieżn­o­biały, bez­po­sta­ciowy pro­szek (Fot.11)

Ilustracja:

Kliknij, aby powiększyć

Fot.11 – Sól mie­dzi po ogrza­niu

Tym razem jed­nak po och­ło­dze­niu nie pow­raca nie­bie­ska barwa związku. Jaki jest powód takiego stanu rze­czy?

By odpo­wie­dzieć na to pyta­nie należy zwa­żyć nie­bie­ski związek, a następ­nie – dosyć szybko po wypra­że­niu, ale już po osty­gnięciu do tem­pe­ra­tury poko­jo­wej – także pow­stałą z niego białą sub­stan­cję. W moim przy­padku wyko­rzy­sta­łem 10,1g nie­bie­skiej sub­stan­cji, z której otrzy­ma­łem 6,7g bia­łego pro­duktu. Ozna­cza to całk­iem spory, bo ponad 36% uby­tek masy! Czyżby więc w przy­padku tej sub­stan­cji pod­grza­nie nie tylko spo­wo­do­wało zmianę barwy, ale także naru­sze­nie prawa zacho­wa­nia masy? Może tak się wyda­wać, ale prawda jest oczy­wi­ście inna.

Oka­zuje się, że pod­czas ogrze­wa­nia hydra­tów w odpo­wied­nio wyso­kiej tem­pe­ra­tu­rze woda może uwol­nić się z wiążącej ją sieci kry­sta­licz­nej. W przy­padku siar­czanu(VI) mie­dzi(II) wła­śnie w tem­pe­ra­tu­rze 197°C uwol­niona zostaje cała związana woda. Opi­suje to następu­jące rów­na­nie reak­cji:

CuSO4 · 5H2O → CuSO4 + 5H2O↑

Woda w takich warun­kach opusz­cza układ w postaci pary wod­nej. Przyj­mu­jąc, że masy molowe formy uwod­nio­nej i bez­wod­nej wyno­szą odpo­wied­nio 249,61g/mol i 159,61g/mol można łatwo obli­czyć, że z  10,1g hydratu powinno pow­stać około 6,5g pro­duktu. Wynik ten jest zbli­żony do otrzy­ma­nego eks­pe­ry­men­tal­nie – war­tość rze­czy­wi­sta była nieco więk­sza od wyli­czo­nej teo­re­tycz­nie naj­praw­do­po­dob­niej z powodu nie­całk­o­wi­tego usu­nięcia wody lub ponow­nego jej poch­ło­nięcia z powie­trza przez waże­niem.

Tak czy ina­czej z pew­no­ścią możemy stąd wysnuć wnio­sek, że bez­po­śred­nim powo­dem zmiany barwy było usu­nięcie z sieci kry­sta­licz­nej uwięzio­nych w jej struk­tu­rze cząste­czek wody. Jed­nak ogrza­nie było tutaj konieczne, ponie­waż poni­żej tem­pe­ra­tury 197°C bar­dziej sta­bilna ter­mo­dy­na­micz­nie jest forma uwod­niona. Można więc powie­dzieć, że zmiana barwy jest uza­leżn­iona od tem­pe­ra­tury.

Dodat­ko­wym potwier­dze­niem opi­sa­nych fak­tów może być kolejne pro­ste doświad­cze­nie. Do pro­bówki należy wsy­pać nieco och­ło­dzo­nej do tem­pe­ra­tury poko­jo­wej bez­wod­nej (bia­łej) formy siar­czanu (Fot.12A), a następ­nie dodać do niej kilka kro­pli wody. Barwa biała zostaje natych­miast zajęta przez nie­bie­ską (Fot.12B). Pro­ces ten jest sil­nie egzo­ter­miczny, o czym można się prze­ko­nać doty­ka­jąc pro­bówkę.

Ilustracja:

Kliknij, aby powiększyć

Fot.12 – Zmiany barwy pod­czas uwad­nia­nia siar­czanu(VI) mie­dzi(II); A – forma bez­wodna, B – pen­ta­hy­drat pow­stały po doda­niu kilku kro­pli wody

Kolejną sub­stan­cją o podob­nych wła­ści­wo­ściach jest chlo­rek kobaltu(II) CoCl2. Bez­wodna postać tej sub­stan­cji jest inten­syw­nie nie­bie­ska, krysz­tały jej dihy­dratu CoCl2 · 2H2O są różowe, zaś hek­sa­hy­dratu ciem­no­czer­wone CoCl2 · 6H2O (Fot.13)

Ilustracja:

Kliknij, aby powiększyć

Fot.13 – Hek­sa­hy­drat chlorku kobaltu(II)

Przy­go­tujmy nie­zbyt stężony roz­twór wspom­nia­nej sub­stan­cji. Ma on różową barwę (Fot.14).

Ilustracja:

Kliknij, aby powiększyć

Fot.14 – Roz­cieńczony roz­twór chlorku kobaltu(II)

Roz­tworu tego można użyć jako atra­mentu sym­pa­tycz­nego. Wystar­czy nim nakre­ślić jakieś sym­bole, naj­le­piej na bla­do­różo­wym papie­rze. Tak pow­stałe znaki są całk­o­wi­cie nie­wi­doczne po wysch­nięciu (Fot.15).

Ilustracja:

Kliknij, aby powiększyć

Fot.15 – Nie­wi­doczne pismo

Łatwo się domy­ślić, że spo­so­bem na uwi­docz­nie­nie atra­mentu jest deli­katne pod­grza­nie papieru, np. poprzez pra­so­wa­nie go żelaz­kiem (Fot.16).

Ilustracja:

Kliknij, aby powiększyć

Fot.16 – Pismo uwi­docz­nione poprzez ogrza­nie

Prze­sta­wione tu zmiany barwy tłu­ma­czy się często pro­stym przy­łącza­niem wody, ale dokład­niej­sze opra­co­wa­nia wska­zują, że są one spo­wo­do­wane prze­su­wa­niem się stanu rów­no­wagi pomiędzy różn­ymi jonami kom­plek­so­wymi:

CoCl42- + 6 H2O ↔ Co(H2O)62+ + 4Cl-

Barwę nie­bie­ską wyka­zuje tu kom­pleks chlor­kowy, zaś czer­wono-różową akwa­kom­pleks [9]. Reak­cja zacho­dząca w prawo wiąże się z wydzie­le­niem ener­gii na spo­sób cie­pła. Dzięki temu ogrze­wa­nie powo­duje prze­su­nięcie rów­no­wagi w kie­runku two­rze­nia nie­bie­skiego pro­duktu, zaś och­ła­dza­nie w kie­runku czer­wo­nego. Można się o tym prze­ko­nać wyko­nu­jąc cie­kawe doświad­cze­nie.

Należy przy­go­to­wać bar­dziej stężony niż poprzed­nio roz­twór chlorku kobaltu, a następ­nie dodać do niego tyle chlorku sodu NaCl (soli kuchen­nej), by otrzy­mać roz­twór nasy­cony. Na dnie naczy­nia może pozo­stać nieco nie­roz­pusz­czo­nej soli sodu (Fot.17).

Ilustracja:

Kliknij, aby powiększyć

Fot.17 – Gotowy roz­twór chlor­ków: kobaltu i sodu

Doda­tek chlorku sodu pełni bar­dzo ważną rolę. Otóż w roz­two­rze wod­nym w nor­mal­nych warun­kach za pomocą ogrze­wa­nia nie jest możl­iwe prze­su­nięcie stanu rów­no­wagi opi­sa­nej uprzed­nio reak­cji w stronę kom­pleksu chlor­ko­wego na tyle, by można było zaob­ser­wo­wać jego nie­bie­ską barwę. Doda­tek jonów chlor­ko­wych Cl- pocho­dzących z soli sodu prze­suwa tę rów­no­wagę jed­nak także w kie­runku pro­duktu nie­bie­skiego. Połącze­nie obu efek­tów pozwala zaob­ser­wo­wać opi­sy­wane zja­wi­sko.

Przy­go­to­wany uprzed­nio roz­twór jest różowo-czer­wony w tem­pe­ra­tu­rze poko­jo­wej (Fot.18A). W cza­sie ogrze­wa­nia barwa w spo­sób płynny prze­cho­dzi w gra­na­towo-nie­bie­ską (Fot.18B). Przy och­ła­dza­niu można zaob­ser­wo­wać odw­rotne przej­ścia barwne [10]. Wystar­czy wyko­nać barwną skalę porów­naw­czą i cie­kły che­miczny ter­mo­metr jest gotowy!

Ilustracja:

Kliknij, aby powiększyć

Fot.18 – Zmiany barwy roz­tworu; A – w tem­pe­ra­tu­rze poko­jo­wej, B – po ogrza­niu

Przy­pom­nijmy sobie kobal­towy atra­ment sym­pa­tyczny (vide Fot.15 i 16). Wiemy już, że poza wrażl­i­wo­ścią na tem­pe­ra­turę powi­nien on także być czuły na zmiany wil­got­no­ści powie­trza – za sprawą higro­sko­pij­no­ści samego chlorku kobaltu(II), a także celu­lozy wcho­dzącej w skład papieru. Dosyć łatwo to spraw­dzić zamy­ka­jąc szczel­nie papier z nie­wi­docz­nym sym­bo­lem w eksy­ka­to­rze lub innym naczy­niu zawie­ra­jącym śro­dek suszący, np. akty­wo­wane sita mole­ku­larne 4Å (Fot.19).

Ilustracja:

Kliknij, aby powiększyć

Fot.19 – Papier zamk­nięty w naczy­niu ze środ­kiem suszącym

Z racji bar­dzo sil­nego poch­ła­nia­nia wil­goci przez śro­dek suszący już po nie­zbyt dłu­gim cza­sie można zaob­ser­wo­wać pow­sta­nie nie­bie­skiego zabar­wie­nia nawet w tem­pe­ra­tu­rze poko­jo­wej (Fot.20).

Ilustracja:

Kliknij, aby powiększyć

Fot.20 – Pismo uwi­docz­nione

Jak widać, pasek papieru zaim­pre­gno­wany lub pokryty chlor­kiem kobaltu(II) może pełnić rolę swo­i­stego higro­me­tru.

Zau­ważmy, że w ter­mo­ch­ro­mii i innych podob­nych przy­pad­kach docho­dzi do zmiany barwy świa­tła odbi­tego od danej sub­stan­cji. Ist­nieje także jako­ściowo inne zja­wi­sko, nazy­wane flu­o­re­scen­cyjną ter­mo­ch­ro­mią. Tutaj od tem­pe­ra­tury zależy barwa świa­tła emi­to­wa­nego przez sub­stan­cję po wzbu­dze­niu np. świa­tłem ultra­fio­le­to­wym. Przy­kła­dem może być tutaj roz­twór mle­czanu eta­kry­dyny C18H21N3O4 (riva­nolu) w gli­ce­rolu C3H8O3 [11]. W tem­pe­ra­tu­rze poko­jo­wej taki roz­twór bar­dzo inten­syw­nie flu­o­ry­zuje jasno­zie­lo­nym świa­tłem (Fot.21A). Po och­ło­dze­niu zesta­lo­nym dwu­tlen­kiem węgla CO2, czyli suchym lodem barwa flu­o­re­scen­cji zmie­nia się na wyraźnie nie­bie­sko-zie­loną (Fot.21B). Można to wyja­śniać wpły­wem obni­że­nia tem­pe­ra­tury na reduk­cję strat ener­gii zacho­dzących w cza­sie bez­pro­mie­ni­stych przejść oscy­la­cyjno-rota­cyj­nych, a co za tym idzie zmniej­sze­niem tzw. prze­su­nięcia Sto­kesa.

Ilustracja:

Kliknij, aby powiększyć

Fot.21 – Flu­o­re­scen­cyjna ter­mo­ch­ro­mia, A – tem­pe­ra­tura poko­jowa, B – tem­pe­ra­tura około -78,5°C

Możl­i­wo­ści i zasto­so­wa­nia

Sub­stan­cje ter­mo­ch­ro­mowe są często zali­czane do grupy tzw. mate­ria­łów inte­li­gent­nych (ang. smart mate­rials), tzn. takich które zmie­niają swoje wła­ści­wo­ści w okre­ślony spo­sób w reak­cji na spe­cy­ficzny bodziec z oto­cze­nia. Można więc powie­dzieć, że mate­riał taki łączy w swo­jej struk­tu­rze wła­sno­ści czuj­nika i efek­tora, czyli układu lub ele­mentu wyko­naw­czego.

Ist­nie­nie sub­stan­cji wyka­zu­jących zja­wi­sko ter­mo­ch­ro­mi­zmu umożl­i­wia wygodne – a także zdalne – moni­to­ro­wa­nie tem­pe­ra­tury np. wiru­jących ele­men­tów maszyn. W tych przy­pad­kach pomiar innymi meto­dami mógłby być utrud­niony. War­stwę tego rodzaju barw­nika nanosi się też na niek­tóre naczy­nia kuchenne, jak choćby patel­nie. Zmiana barwy wska­zuje, że naczy­nie osiągnęło odpo­wied­nią do przy­go­to­wa­nia potrawy tem­pe­ra­turę.

Bar­dzo wdzięczną klasą mate­ria­łów ter­mo­ch­ro­mo­wych są niek­tóre rodzaje cie­kłych krysz­ta­łów. W opar­ciu o te sub­stan­cje możl­iwe jest wytwo­rze­nie mate­ria­łów zmie­nia­jących barwę w odpo­wied­niej tem­pe­ra­tu­rze. Na tej zasa­dzie oparte jest dzia­ła­nie np. ela­stycz­nych ter­mo­me­trów pasko­wych (Fot.22).

Ilustracja:

Kliknij, aby powiększyć

Fot.22 – Paskowy ter­mo­metr cie­kło­kry­sta­liczny, A – tem­pe­ra­tura około 29°C, B – tem­pe­ra­tura około 20°C

Ter­mo­ch­ro­mizm bywa także wyko­rzy­sty­wany w mar­ke­tingu – wystar­czy tu wspom­nieć możl­i­wość pro­duk­cji różn­ego rodzaju gadże­tów zmie­nia­jących barwę. Pro­du­kuje się też odzież bar­wioną sub­stan­cjami ter­mo­ch­ro­mo­wymi oraz różn­ego rodzaju farby i pig­menty.

Opi­sane przy­kłady nie wyczer­pują oczy­wi­ście wszyst­kich zasto­so­wań tego rodzaju sub­stan­cji – możl­i­wo­ści są bar­dzo sze­ro­kie. Jest to także jeden z powo­dów, dla których chciałbym zachęcić Czy­tel­nika do wła­snych eks­pe­ry­men­tów.

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

Jako doda­tek do powyższego arty­kułu pro­po­nuję film uka­zu­jący w cza­sie rze­czy­wi­stym zmianę barwy oma­wia­nego roz­tworu ter­mo­ch­ro­mo­wego:

Marek Ples

Aa