Weird Science

Krystaloluminescencja chlorku sodu

Poniższy arty­kuł został opu­bli­ko­wany pier­wot­nie w cza­so­pi­śmie dla nau­czy­cieli Fizyka w szkole (3/2014):

Ilustracja

Ples M., Kry­sta­lo­lu­mi­ne­scen­cja chlorku sodu, Fizyka w szkole, 3 (2014), Wydaw­nic­two Edu­press, str. 36-37

Ciała kry­sta­liczne są cia­łami sta­łymi, których cząstki są uło­żone w ści­śle upo­rząd­ko­wany prze­strzen­nie spo­sób. W zależn­o­ści od rodzaju krysz­tału, jego sieć kry­sta­liczna może skła­dać się z cząste­czek, ato­mów lub jonów.

Krysz­tały, z racji upo­rząd­ko­wa­nej i cha­rak­te­ry­stycz­nej budowy, często bywają postrze­gane jako sym­bol geo­me­trycz­nego piękna. Escher, zna­ko­mity malarz i gra­fik holen­der­ski, wie­lo­krot­nie to pod­kre­ślał. Pisał on, że "krysz­tały wyro­sły w sko­ru­pie ziem­skiej wiele, wiele wcze­śniej, zanim poja­wił się czło­wiek. Późn­iej przy­szedł dzień, kiedy czło­wiek pierw­szy raz dostrzegł jeden z takich cudow­nych okru­chów pra­wi­dło­wej budowy. Możl­iwe, że odkru­szył go swoim kamien­nym topo­rem, krysz­tał upadł u jego stóp. Czło­wiek pod­niósł go, z uwagą obej­rzał i zadu­mał się" [1].

Ciała kry­sta­liczne były z pew­no­ścią inspi­ra­cją do wielu jego gra­fik. Można to zau­wa­żyć na poniższym drze­wo­ry­cie z 1949 roku, zaty­tu­ło­wa­nym "Podwójna pla­ne­to­ida" (Ryc.1).

Ilustracja
Ryc. 1

źródło: http://aixa.ugr.es/escher/table.html [dostęp: 17.04.2014]

Krysz­tały wyka­zują wiele inte­re­su­jących wła­ści­wo­ści, jak choćby pie­zo­e­lek­trycz­ność, czy ter­mo­lu­mi­ne­scen­cja.

Innym cie­ka­wym zja­wi­skiem jest kry­sta­lo­lu­mi­ne­scen­cja. Feno­men ten polega na emi­sji świa­tła zacho­dzącej pod­czas wzro­stu krysz­tału. Można to zaob­ser­wo­wać nawet w przy­padku tak pow­szech­nie zna­nej sub­stan­cji, jaką jest chlo­rek sodu.

Pew­nym pro­ble­mem jest jed­nak to, że podobne doświad­cze­nia, wyko­ny­wane według opi­sów z daw­niej­szych książek, bar­dzo często kończą się nie­po­wo­dze­niem. Cho­ciaż zja­wi­sko po raz pierw­szy opi­sał Ernest Ban­drow­ski już w 1894 roku, to odpo­wied­nie warunki, pozwa­la­jące na bar­dziej pow­ta­rzalne obser­wa­cje, wska­zał dopiero pra­wie 120 lat późn­iej Andrew J. Ale­xan­der. Przed­sta­wione poni­żej doświad­cze­nie bazuje na opi­sa­nej przez niego pro­ce­du­rze [2].

Przy­go­to­wa­nia

By prze­pro­wa­dzić doświad­cze­nie musimy posa­dać sub­stan­cje z poniższej listy:

Ostrze­że­nie: Należy zacho­wać ostrożn­ość przy pracy z kwa­sem chlo­ro­wo­do­ro­wym HCl, który jest żrący. Ulat­nia­jący się z niego chlo­ro­wo­dór jest drażn­iący, a w więk­szych stęże­niach wyka­zuje dzia­ła­nie tok­syczne. Azo­tan(V) sre­bra i siar­czan(VI) mie­dzy(II) są tru­jące, podob­nie jak pozo­stałe sole metali ciężk­ich. Nie należy dopu­ścić do kon­taktu soli sre­bra ze skórą - pod wpły­wem świa­tła pow­stają wtedy trudne do usu­nięcia, czarne plamy.

Naj­ła­twiej­szy do zdo­by­cia jest chlo­rek sodu NaCl, ponie­waż związek ten jest wyko­rzy­sty­wany w pra­wie czy­stej postaci jako sól kuchenna. Chlo­rek ten two­rzy piękne, sze­ścienne krysz­tały (Ryc. 2).

Ilustracja:

Kliknij, aby powiększyć

Ryc. 2

Han­dlowa sól zawiera często bar­dzo nie­wielki doda­tek związ­ków jodu, by chro­nić kon­su­men­tów przed cho­ro­bami, takimi jak wole. Może to być pewną przesz­kodą, dla­tego należy sto­so­wać pro­dukty naj­tańsze, nie­jo­do­wane.

Do przy­go­to­wa­nia wszyst­kich roz­two­rów należy użyć wody desty­lo­wa­nej! Trzeba ści­śle prze­strze­gać poda­nych war­to­ści stężeń. By doświad­cze­nie miało szansę powo­dze­nia należy koniecz­nie uży­wać czy­stych naczyń.

Naj­pierw musimy spo­rządzić odpo­wied­nie roz­twory. Roz­twór A przy­go­to­wu­jemy poprzez roz­pusz­cze­nie w 100cm3 wody takiej ilo­ści chlorku sodu, by uzy­skać roz­twór nasy­cony w tem­pe­ra­tu­rze poko­jo­wej, a następ­nie doda­nie do niego 5cm3 0,07M roz­tworu azo­tanu(V) sre­bra AgNO3. Pod­czas przy­go­to­wy­wa­nia roz­tworu docho­dzi do wytrące­nia bia­łego osadu chlorku sre­bra (Ryc. 3).

Ilustracja:

Kliknij, aby powiększyć

Ryc. 3

O ile chlo­rek sre­bra AgCl jest w czy­stej wodzie prak­tycz­nie nie­roz­pusz­czalny, to w stężo­nych roz­two­rach chlorku sodu roz­pusz­cza się sto­sun­kowo dobrze, co pro­wa­dzi do pow­sta­nia kom­plek­sów chlor­ko­wych: AgCl2-, AgCl32- i AgCl43-. Można się o tym prze­ko­nać wytrząsa­jąc opi­sany roz­twór - po chwili osad znik­nie, a ciecz sta­nie się kla­rowna (Ryc. 4).

Ilustracja:

Kliknij, aby powiększyć

Ryc. 4

Roz­twór B przy­go­to­wu­jemy doda­jąc 0,5cm3 0,05M roz­tworu pięcio­wod­nego siar­czanu(VI) mie­dzi(II) CuSO4·5H2O do 100cm3 kwasu chlo­ro­wo­do­ro­wego HCl o stęże­niu 24%. Roz­twór przyj­muje barwę zie­lon­kawą (Ryc. 5), co jest spo­wo­do­wane pow­sta­niem kom­plek­sów chlor­ko­wych mie­dzi(II).

Ilustracja:

Kliknij, aby powiększyć

Ryc. 5

Roz­twory po przy­go­to­wa­niu muszą zostać pozo­sta­wione pod przy­kry­ciem do odsta­nia na kilka godzin, tak by ewen­tu­alne zanie­czysz­cze­nia stałe miały szansę opaść na dno.

Doświad­cze­nie

W celu prze­pro­wa­dze­nia doświad­cze­nia należy pobrać do osob­nych, nie­wiel­kich zle­wek równe objęto­ści roz­two­rów A i B (np. 10-15cm3). Ważne jest by roz­twory były czy­ste - obec­ność choćby nie­wiel­kich krysz­tałków nie­roz­pusz­czo­nych sub­stan­cji lub pyłków może unie­możl­i­wić obser­wa­cję ocze­ki­wa­nego efektu! Następ­nie należy zaciem­nić pomiesz­cze­nie i po przy­zwy­cza­je­niu oczu do ciem­no­ści wlać nie­zbyt szyb­kim stru­mie­niem roz­twór A do roz­tworu B po ściance prze­chy­lo­nej zlewki. Spo­sób wle­wa­nia i mie­sza­nia sub­stan­cji ma duże zna­cze­nie, zanim osiągnie się zado­wa­la­jące efekty może być konieczny tre­ning. Eks­pe­ry­ment jest nieco kapry­śny - jeśli za pierw­szym razem się nie uda nie należy się zra­żać, a tylko spróbo­wać ponow­nie.

Jeśli wszystko przy­go­tu­jemy popraw­nie, to po kilku sekun­dach dostrze­żemy jasno­nie­bie­skie bły­ski, szcze­gól­nie w pobliżu dna naczy­nia. Bły­ski świa­tła trwają bar­dzo krótko, ale są sto­sun­kowo łatwe do zau­wa­że­nia. Całe zja­wi­sko trwa zwy­kle kil­ka­dzie­siąt sekund.

Kry­sta­lo­lu­mi­ne­scen­cja jest możl­iwa do zare­je­stro­wa­nia na foto­gra­fii (Ryc. 6) o wydłu­żo­nym cza­sie eks­po­zy­cji (ISO­400, 60s).

Ilustracja:

Kliknij, aby powiększyć

Ryc. 6

Można zau­wa­żyć, że kry­sta­lo­lu­mi­ne­scen­cja jest rze­czy­wi­ście widoczna jako poje­dyn­cze, roz­ło­żone przy­pad­kowo w objęto­ści cie­czy bły­ski świa­tła. W dal­szej czę­ści arty­kułu zosta­nie wyja­śnione, że każde zda­rze­nie emi­sji świa­tła jest tutaj powiązane z pow­sta­niem nie­wiel­kiego krysz­tału chlorku sodu, co można zau­wa­żyć obser­wu­jąc mie­sza­ninę na świe­tle. Są wtedy widoczne mikro­sko­pijne krysz­tałki chlorku sodu, powoli opa­da­jące na dno zlewki (Ryc. 7).

Ilustracja:

Kliknij, aby powiększyć

Ryc. 7

Wyja­śnie­nie

Po zmie­sza­niu kwasu chlo­ro­wo­do­ro­wego HCl i nasy­co­nego roz­tworu chlorku sodu NaCl docho­dzi do zmniej­sze­nia roz­pusz­czal­no­ści tego ostat­niego. Jest to spo­wo­do­wane wzro­stem stęże­nia jonów chlor­ko­wych Cl-. Chlo­rek sodu wytrąca się wtedy z roz­tworu w postaci krysz­ta­łów.

W przy­padku, kiedy w roz­two­rze nie występują zarodki kry­sta­li­za­cji, jak na przy­kład nie­roz­pusz­czona sól, pęche­rzyki powie­trza czy pyłki kurzu, pro­ces kry­sta­li­za­cji pro­wa­dzi do nagłego pow­sta­nia wielu nie­wiel­kich krysz­ta­łów.

Ener­gia naprężeń pow­sta­łych w sieci kry­sta­licz­nej two­rzących się krysz­ta­łów zostaje oddana do śro­do­wi­ska czę­ściowo w postaci pro­mie­nio­wa­nia elek­tro­ma­gne­tycz­nego - świa­tła nie­bie­skiego i ultra­fio­le­to­wego. Sprzy­jają temu defekty sieci kry­sta­licz­nej pow­sta­jących krysz­ta­łów. Pow­sta­nie takich defek­tów pro­wo­ku­jemy tutaj przez wpro­wa­dze­nie do sieci nie­wiel­kiej ilo­ści domie­szek, takich jak jony mie­dzi Cu2+ czy sre­bra Ag+. W przy­padku czy­stego chlorku sodu NaCl nie zaob­ser­wo­wa­li­by­śmy efektu, lub byłby on dużo słab­szy i trud­niej­szy do zau­wa­że­nia.

Biblio­gra­fia:

Życzę miłej i pou­cza­jącej zabawy:)

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