Weird Science

Zimnolubny kameleon

Poniższy arty­kuł został opu­bli­ko­wany pier­wot­nie w cza­so­pi­śmie Anto­cy­jan (3/2017):

Ilustracja

Ples M., Zim­no­lubny kame­leon, Anto­cy­jan, 3 (2017), por­tal Bio­mist (www.bio­mist.pl), str. 5-9

Che­mia jest jedną z nauk przy­rod­ni­czych, czyli takich, które zaj­mują się bada­niem świata mate­rial­nego, naj­czę­ściej z zasto­so­wa­niem apa­ratu mate­ma­tycz­nego, przy wyko­rzy­sta­niu wła­ści­wej sobie meto­do­lo­gii.

Podob­nie jak nau­kowcy innych dzie­dzin che­micy powinni zaw­sze zacho­wy­wać rów­no­wagę między teo­rią, a empi­rią. Należy to zwy­kle rozu­mieć w ten spo­sób, że doświad­cze­nie i opi­su­jący je model mate­ma­tyczny muszą się wza­jem­nie uzu­pełn­iać pro­wa­dząc do efektu, jakim jest posze­rze­nie zasobu naszej wie­dzy.

W edu­ka­cyj­nej prak­tyce szkol­nej, a w mniej­szej mie­rze także w uczel­nia­nej, nie­stety kła­dzie się coraz więk­szy nacisk na aspekty teo­re­tyczne zanied­bu­jąc przy tym często prak­tykę. Powody mogą być różn­o­rodne: od nie­do­fi­nan­so­wa­nia pra­cowni przed­mio­to­wych, poprzez brak chęci dużej czę­ści śro­do­wi­ska nau­czy­ciel­skiego i ucz­niow­skiego, pro­ble­ma­tyczne roz­wiąza­nia w zakre­sie pro­gra­mów nau­cza­nia, aż do spraw związa­nych z regu­la­cjami w dzie­dzi­nie bez­pie­czeńs­twa i higieny pracy.

Chciałbym jed­nak zazna­czyć, że sprawa nie jest bez­na­dziejna. Możl­iwe jest w dal­szym ciągu opra­co­wa­nie oraz zapre­zen­to­wa­nie cie­ka­wych, a przy tym pro­stych doświad­czeń. Mogą one zain­te­re­so­wać ucz­niów i tym samym pomóc im w wej­ściu na drogę do zro­zu­mie­nia cza­sem nawet skom­pli­ko­wa­nych zja­wisk, a także zna­le­zie­nia w tym przy­jem­no­ści.

Z przed­sta­wio­nych wyżej powo­dów chciałbym opi­sać pro­ste i efek­towne doświad­cze­nie, które pomaga w zro­zu­mie­niu praw rządzących prze­mia­nami ener­gii na pozio­mie mole­ku­lar­nym. Myślę, że po prze­czy­ta­niu cało­ści Sza­nowny Czy­tel­nik nie będzie miał już wąt­pli­wo­ści dla­czego nazwa­łem je imie­niem tego sym­pa­tycz­nego zwie­rzątka, które posia­dło zdol­ność zmiany swego ubar­wie­nia.

Doświad­cze­nie

Do wyko­na­nia doświad­cze­nia potrze­bu­jemy nie­wiel­kiej ilo­ści riwa­nolu w for­mie sta­łej. W apte­kach bywa on dostępny w for­mie table­tek lub rza­dziej proszku. Jedną z postaci han­dlo­wych tej sub­stan­cji jest też nisko­pro­cen­towy roz­twór wodny – odpa­ro­wu­jąc go w niskiej tem­pe­ra­tu­rze można uzy­skać wystar­cza­jące do doświad­cze­nia ilo­ści riwa­nolu.

Che­miczny wzór struk­tu­ralny riwa­nolu przed­sta­wia Rys.1. Z che­micz­nego punktu widze­nia jest to mle­czan eta­kry­dyny o wzo­rze suma­rycz­nym C18H21N3O4. Jest wyko­rzy­sty­wany jako śro­dek odka­ża­jący.

Ilustracja
Rys.1 – Wzór struk­tu­ralny riwa­nolu

Trzeba pamiętać, że w więk­szych ilo­ściach związek ten może dzia­łać tok­sycz­nie na orga­nizm, a po zwil­że­niu pozo­sta­wia na skórze trudne do usu­nięcia plamy. Należy zacho­wać ostrożn­ość.

Riwa­nol jest w tem­pe­ra­tu­rze poko­jo­wej kry­sta­licz­nym cia­łem sta­łym o bar­wie żółtej (Fot.1A). Oma­wiana sub­stan­cja dobrze roz­pusz­cza się w wodzie, a jej tem­pe­ra­tura top­nie­nia wynosi 226°C.

Ilustracja:

Kliknij, aby powiększyć

Fot.1 – Riwa­nol; A – wygląd sub­stan­cji przy oświe­tle­niu świa­tłem widzial­nym, B – wygląd sub­stan­cji przy oświe­tle­niu świa­tłem UV

Cie­kawą rzecz zaob­ser­wu­jemy nato­miast po oświe­tle­niu krysz­ta­łów riwa­nolu świa­tłem ultra­fio­le­to­wym. Zaczy­nają one wtedy flu­o­ry­zo­wać bar­dzo jasno, a barwa emi­to­wa­nego świa­tła jest jasno­zie­lona (Fot.1B).

Także wodne roz­twory wyka­zują bar­dzo jasne świe­ce­nie pod wpły­wem UV nawet przy bar­dzo niskich stęże­niach – riwa­nol jest bar­dzo wydaj­nym barw­ni­kiem flu­o­re­scen­cyj­nym (Fot.2). Dostrze­galną gołym okiem flu­o­re­scen­cję można zaob­ser­wo­wać nawet przy stęże­niach rzędu 0,000001%, co odpo­wiada roz­pusz­cze­niu 100mg (jed­nej tabletki) riwa­nolu w 10 tonach wody [1].

Ilustracja:

Kliknij, aby powiększyć

Fot.2 – Wodny roz­twór riwa­nolu o stęże­niu 0,0001%; wyraźnie widoczna zie­lona flu­o­re­scen­cja

No dobrze - wiemy już, że roz­twory riwa­nolu flu­o­ry­zują pod wpły­wem świa­tła UV. Obie­cy­wa­łem jed­nak eks­pe­ry­ment, który na razie z nie­zbyt jasnych powo­dów nazwa­łem zim­no­lub­nym kame­le­o­nem.

By przy­go­to­wać to doświad­cze­nie musimy spo­rządzić roz­twór riwa­nolu w gli­ce­rolu (gli­ce­ry­nie) C3H8O3. Gli­ce­rol jest trój­hy­drok­sy­lo­wym alko­ho­lem i można go kupić w aptece. Ważne jest jed­nak, by sub­stan­cja ta zawie­rała jak najm­niej­szy doda­tek wody, ponie­waż jej nad­miar utrud­nia zaob­ser­wo­wa­nie inte­re­su­jącego nas efektu.

Następ­nie do pew­nej ilo­ści gli­ce­rolu należy dodać dosłow­nie odro­binę barw­nika. W takich warun­kach riwa­nol roz­pusz­cza się sto­sun­kowo powoli – pro­ces można przy­spie­szyć dzięki mie­sza­niu. Powin­ni­śmy w ten spo­sób uzy­skać lekko zie­lon­kawy roz­twór (Fot.3). Ważne jest aby nie był on zbyt stężony.

Ilustracja:

Kliknij, aby powiększyć

Fot.3 – Roz­twór riwa­nolu w gli­ce­rolu

Teraz musimy się zatrosz­czyć o chło­dze­nie i to dosyć wydajne. Dobrze spraw­dzi się tutaj suchy lód czyli zesta­lony dwu­tle­nek węgla CO2, który sub­li­mu­jąc zacho­wuje tem­pe­ra­turę około -78°C. Oczy­wi­ście jest tu konieczna ostrożn­ość, ponie­waż tak niska tem­pe­ra­tura może z łatwo­ścią spo­wo­do­wać głębo­kie i trudno gojące się odm­ro­że­nia.

Suchy lód naj­le­piej prze­cho­wy­wać w odpo­wied­nich pojem­ni­kach ter­mo­i­zo­la­cyj­nych wyko­na­nych np. ze sty­ro­pianu.

Zaciem­nia­jąc pomiesz­cze­nie i oświe­tla­jąc w tem­pe­ra­tu­rze poko­jo­wej próbkę gli­ce­ro­lo­wego roz­tworu riwa­nolu świa­tłem UV można zau­wa­żyć jaskra­wo­zie­loną i bar­dzo jasną flu­o­re­scen­cję (Fot.4A). Jeśli jed­nak sch­ło­dzimy ciecz do tem­pe­ra­tury suchego lodu (np. zamy­ka­jąc ją na jakiś czas w pojem­niku z tą sub­stan­cją) to barwa flu­o­re­scen­cji roz­tworu wyraźnie się zmieni – sta­nie się nie­bie­sko­zie­lona (Fot.4B).

Ilustracja:

Kliknij, aby powiększyć

Fot.4 – Flu­o­re­scen­cja roz­tworu riwa­nolu w gli­ce­rolu; A – tem­pe­ra­tura poko­jowa (ok. 20°C), B – tem­pe­ra­tura suchego lodu (ok.-78°C)

Różn­ica barw jest wyraźna i można ją zade­mon­stro­wać nawet przed dosyć dużym audy­to­rium. Dobrze jest przy tym umożl­i­wić porów­na­nie próbki sch­ło­dzo­nej z zacho­waną w tem­pe­ra­tu­rze poko­jo­wej.

Po sch­ło­dze­niu i sil­nym naświe­tle­niu ultra­fio­le­tem można też dostrzec krót­k­o­tr­wałą fos­fo­re­scen­cję roz­tworu. Jest ona znacz­nie lepiej widoczna po sch­ło­dze­niu próbki do tem­pe­ra­tury wrzącego w warun­kach nor­mal­nych azotu, tj. do -196°C.

Wyja­śnie­nie

Wiemy, że zja­wi­sko flu­o­re­scen­cji opiera się na wzbu­dze­niu cząstek barw­nika [2]. W celu zobra­zo­wa­nia mecha­ni­zmów rządzących tym feno­me­nem szcze­gól­nie przy­datne są tzw. dia­gramy Jabłońs­kiego [3]. Odpo­wied­nie w oma­wia­nym przy­padku uprosz­czone dia­gramy przed­sta­wia Rys.2.

Ilustracja
Rys.2 – Uprosz­czony dia­gram Jabłońs­kiego; A – tem­pe­ra­tura poko­jowa (ok. 20°C), B – tem­pe­ra­tura obni­żona

Natu­ral­nie przez więk­szość czasu cząstka znaj­duje się w sta­bil­nym sta­nie pod­sta­wo­wym, tzn. o naj­niższej ener­gii. Sytu­a­cja może się jed­nak zmie­nić po poch­ło­nięciu odpo­wied­niej por­cji ener­gii w postaci świa­tła ultra­fio­le­to­wego UV - następuje wtedy przej­ście do stanu wzbu­dzo­nego o wyższej ener­gii, np. 3.

Część ener­gii wzbu­dze­nia zostaje jed­nak pra­wie natych­miast roz­pro­szona na dro­dze przej­ścia wibra­cyj­nego VR. Z tego powodu cząstka prze­cho­dzi na niższy stan wzbu­dzony (1 lub 2).

Pamiętajmy jed­nak, że sta­bilny jest stan o możl­i­wie naj­niższej ener­gii. Dla­tego bar­dzo szybko zacho­dzi kolejny prze­skok, tym razem do stanu pod­sta­wo­wego. Różn­ica ener­gii ΔE zgod­nie z zasadą zacho­wa­nia zostaje oddana do śro­do­wi­ska w postaci pro­mie­nio­wa­nia elek­tro­ma­gne­tycz­nego o odpo­wied­niej dłu­go­ści fali. Pro­mie­nio­wa­nie emi­to­wane z powodu strat ma niższą ener­gię niż pro­mie­nio­wa­nie wzbu­dza­jące - zja­wi­sko to nazy­wamy prze­su­nięciem Sto­kesa.

Roz­ważmy jed­nak wpływ tem­pe­ra­tury na opi­sy­wane zja­wi­ska. Wiemy, że cząstki w tem­pe­ra­tu­rach wyższych od zera abso­lut­nego inten­syw­nie drgają. Ampli­tuda owych drgań rośnie wraz z tem­pe­ra­turą. Dla­tego w sytu­a­cji A (w wyższej tem­pe­ra­tu­rze) pod­czas przej­ścia wibra­cyj­nego VR zosta­nie roz­pro­szona więk­sza ilość ener­gii niż w przy­padku B. Co logiczne, w wyniku VR cząstka w sytu­a­cji A przyj­mie niższy stan ener­ge­tyczny niż w B (1 w A, 2 w B). Pod­czas pow­rotu do stanu pod­sta­wo­wego różn­ica ener­gii ΔE1 ma mniej­szą war­tość niż ΔE2. Dłu­gość fali emi­to­wa­nego świa­tła, a więc i jego barwa jest związana z ener­gią fali elek­tro­ma­gne­tycz­nej. Różn­ica ener­gii ΔE1 odpo­wiada więc świa­tłu zie­lo­nemu, zaś ΔE2 nie­bie­sko­zie­lo­nemu.

Opi­sane zja­wi­sko jest całk­o­wi­cie odw­ra­calne – po ogrza­niu do tem­pe­ra­tury poko­jo­wej pow­raca zie­lona barwa flu­o­re­scen­cji.

Lite­ra­tura:

Wszyst­kie foto­gra­fie i rysunki 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. Mająt­kowe prawa autor­skie pozo­stały w tym przy­padku po stro­nie autora.

Marek Ples

Aa