Weird Science

Dendryty miedzi. Prawie jak żywe

Poniższy arty­kuł został opu­bli­ko­wany pier­wot­nie w cza­so­pi­śmie dla nau­czy­cieli Che­mia w Szkole (1/2019):

Ilustracja

Ples M., Den­dryty mie­dzi - pra­wie jak żywe, Che­mia w Szkole, 1 (2019), Agen­cja AS Józef Szew­czyk, str. 14-15

Nauki przy­rod­ni­cze, jak zresztą ich nazwa wska­zuje, ist­nieją w nie­ro­zer­wal­nym związku z ota­cza­jącym nas świa­tem. Nie­stety często się o tym zapo­mina, także w nau­cza­niu. Poza innymi przy­czy­nami – cza­sem jedy­nie leni­stwem niek­tórych dydak­ty­ków – ist­nieje tutaj pewna przy­czyna obiek­tywna. Otóż spe­cja­li­za­cja i zaa­wan­so­wa­nie w ramach nauk przy­rod­ni­czych zwięk­szyły się do tego stop­nia, że wiele zja­wisk jest całk­o­wi­cie nie­zro­zu­mia­łych dla odbiorcy nie­za­zna­jo­mio­nego z tema­tem. Dla­tego pro­blemy, z którymi spo­ty­kają się nau­kowcy mogą się wyda­wać ogółowi spo­łe­czeńs­twa całk­o­wi­cie oder­wane od rze­czy­wi­sto­ści. Jedną z ról nau­czy­ciela czy wykła­dowcy powinno być więc uka­za­nie w przy­stępny spo­sób świata i rządzących nim praw (opi­sy­wa­nych przez naukę) jako cało­ści, ponie­waż nawet zda­wa­łoby się odle­głe od sie­bie zja­wi­ska ujaw­niają często bar­dzo inte­re­su­jące związki. Jed­nym z feno­me­nów, których przy­bli­że­nie może być przy­datne w tym celu jest tzw. samo­or­ga­ni­za­cja.

Ilustracja
Wzrost krysz­ta­łów mie­dzi
ani­ma­cja: doda­tek autora

Samo­or­ga­ni­za­cję można okre­ślić jako duży zbiór zja­wisk, w których ele­menty układu zło­żo­nego ule­gają spon­ta­nicz­nemu upo­rząd­ko­wa­niu. Obser­wuje się wtedy pow­sta­wa­nie zor­ga­ni­zo­wa­nych struk­tur prze­strzen­nych lub kore­la­cji cza­so­wych na sku­tek oddzia­ły­wań zacho­dzących pomiędzy ele­men­tami układu, a także między ukła­dem i jego oto­cze­niem. Jed­nym z prze­ja­wów samo­or­ga­ni­za­cji jest ist­nie­nie tzw. che­micz­nych reak­cji oscy­la­cyj­nych [1]. Możemy tu wymie­nić choćby reak­cję Bie­ło­u­sowa-Żabo­tyńs­kiego, Briggsa-Rauch­sera, czy bar­dziej kla­sycz­nie pow­sta­wa­nie tzw. pier­ścieni Lie­se­ganga [2].

O samo­or­ga­ni­za­cji w aspek­cie wzro­stu pięk­nych den­dry­tycz­nych krysz­ta­łów sre­bra Ag (Fot.1) pisa­łem w jed­nym z daw­niej­szych nume­rów Che­mii w Szkole [3]. Omówi­łem tam dokładny mecha­nizm tego zja­wi­ska, który jest (poza wyko­rzy­sta­nym meta­lem) wła­ści­wie iden­tyczny w tym przy­padku. Dla­tego po dokład­niej­sze infor­ma­cje w tym zakre­sie odsy­łam do wspom­nia­nego tek­stu – tutaj zosta­nie umówiony jedy­nie pro­ces elek­tro­che­miczny odpo­wie­dzialny za wydzie­le­nie metalu z roz­tworu.

Ilustracja:

Kliknij, aby powiększyć

Fot.1 – Krysz­tały meta­licz­nego sre­bra

Rozu­miem, że koszt związ­ków sre­bra bywa dosyć duży, a poza tym niek­tóre z nich (jak wła­śnie wyko­rzy­stany we wspom­nia­nym doświad­cze­niu azo­tan(V) sre­bra AgNO3) mogą być postrze­gane jako kło­po­tliwe z racji np. bar­wie­nia skóry nie­o­strożn­ego eks­pe­ry­men­ta­tora na czarno. Plamy takie pow­stają z roz­drob­nio­nego meta­licz­nego sre­bra i trudno je usu­nąć.

Chcąc wyjść naprze­ciw Sza­now­nemu Czy­tel­ni­kowi chciałbym w niniej­szym arty­kule – który powi­nien być trak­to­wany jako swego rodzaju doda­tek – przed­sta­wić podobne doświad­cze­nie. Tym razem wyho­du­jemy jed­nak krysz­tały mie­dzi Cu, wyko­rzy­stu­jąc tanie i łatwo dostępne sub­stan­cje.

Doświad­cze­nie

W celu hodowli krysz­ta­łów meta­licz­nej mie­dzi potrze­bu­jemy odpo­wied­niego źródła jonów mie­dzi(II) Cu2+. Dobrym roz­wiąza­niem jest uży­cie siar­czanu(VI) mie­dzi(II) CuSO4, występu­jącego naj­czę­ściej jako pen­ta­hy­drat for­mu­jący piękne, nie­bie­skie krysz­tały (Fot.2). Sól nie jest sil­nie tok­syczna, ale trzeba uni­kać bez­po­śred­niego jej kon­taktu z naszym cia­łem.

Ilustracja:

Kliknij, aby powiększyć

Fot.2 – Krysz­tały siar­czanu(VI) mie­dzi(II)

Musimy spo­rządzić roz­twór soli mie­dzi w wodzie. W przy­padku wspom­nia­nego siar­czanu wystar­czy w kil­ku­dzie­sięciu cen­ty­me­trach sze­ścien­nych wody desty­lo­wa­nej roz­pu­ścić kilka nie­wiel­kich krysz­tałków. Stęże­nie roz­tworu nie powinno być zbyt duże – musi on pozo­stać bez­barwny lub ewen­tu­al­nie wyka­zy­wać led­wie uch­wytne nie­bie­skie zabar­wie­nie.

Teraz musimy przy­go­to­wać pro­sty przy­rząd, którego sche­mat przed­sta­wia Rys.1. Na mikro­sko­po­wym szkiełku pod­sta­wo­wym a zostały umiesz­czone rów­no­le­gle dwa cien­kie prze­wod­niki mie­dziane b, których śred­nica wynosi około 0,4mm. Są one umo­co­wane do szkiełka za pomocą pasków taśmy elek­tro­i­zo­la­cyj­nej c (można wyko­rzy­stać też biu­rową taśmę kle­jącą). Na prze­wod­ni­kach jest umiesz­czone szkiełko nakryw­kowe d.

Ilustracja
Rys.1 – Sche­mat układu elek­tro­li­tycz­nego; opis w tek­ście

Pod szkiełko wpro­wa­dzamy kilka kro­pli roz­tworu soli mie­dzi, tak by prze­wod­niki mie­dziane były w nim zanu­rzone. Poma­gają w tym zja­wi­ska kapi­larne. Ważne jest, aby pod szkiełk­iem nie zamk­nąć pęche­rzy­ków powie­trza.

Następ­nie do prze­wod­ni­ków pod­łączamy źródło sta­łego prądu elek­trycz­nego o napięciu kil­ku­na­stu wol­tów - nie więk­szym, ponie­waż nie chcemy ryzy­ko­wać możl­i­wo­ści pora­że­nia. Wzrost struk­tur naj­le­piej śle­dzić przez szkło powięk­sza­jące. Z racji spe­cy­ficz­nej budowy układu doświad­czal­nego całe szkiełko można umie­ścić też w zaci­skach sto­lika mikro­skopu i za jego pomocą pro­wa­dzić obser­wa­cje. Krysz­tały roz­po­czy­nają swój wzrost od prze­wod­nika połączo­nego z ujem­nym bie­gu­nem źródła zasi­la­nia i kie­rują się do prze­ciw­nej elek­trody. Prąd należy wyłączyć zanim krysz­tały dotrą do elek­trody dodat­niej, ponie­waż może to spo­wo­do­wać zwar­cie. Przy wspom­nia­nym napięciu wzrost struk­tur jest bar­dzo szybki i dosko­nale widoczny gołym okiem. Już po kil­ku­na­stu – kil­ku­dzie­sięciu sekun­dach możemy podzi­wiać piękne struk­tury zbu­do­wane z meta­licz­nej mie­dzi o czym świad­czy dobit­nie ich czer­wo­nawy kolor (Fot.3). Uzy­skane struk­tury do złu­dze­nia przy­po­mi­nają rośliny: papro­cie, trawy czy nawet drzewa. Ich pseu­do­or­ga­niczna forma spra­wia nie­sa­mo­wite wra­że­nie, szcze­gól­nie jeśli uwzględ­nimy w jak pro­sty spo­sób je uzy­ska­li­śmy.

Ilustracja:

Kliknij, aby powiększyć

Fot.3 – Mie­dziane struk­tury

Mody­fi­ka­cja warun­ków doświad­cze­nia pozwala na uzy­ska­nie odmien­nych rezul­ta­tów. Jeśli zasto­su­jemy niższe napięcie, to wzrost struk­tur będzie zde­cy­do­wa­nie wol­niej­szy, ale będą one też bar­dziej roz­ga­łęzione. Foto­gra­fia 4 przed­sta­wia efekt uzy­skany przy napięciu 4V, zasto­so­wano też cieńsze prze­wod­niki.

Ilustracja:

Kliknij, aby powiększyć

Fot.4 – Mie­dziane struk­tury pow­stałe przy niższym napięciu elek­trycz­nym

Pow­stałe w ten spo­sób krysz­tały metalu można trak­to­wać z pew­nym przy­bli­że­niem jako struk­tury frak­talne – wyka­zują one np. samo­po­do­bieńs­two. Obja­wia się to tym, że obie­ra­jąc nie­wielki frag­ment obiektu i powięk­sza­jąc go uzy­sku­jemy obraz podobny do cało­ści [4]. Łatwo to zau­wa­żyć porów­nu­jąc widok spod mikro­skopu (Fot.5) z poprzed­nim zdjęciem. Zwraca uwagę też wielka sub­tel­ność, a według mnie także swo­i­ste piękno wyho­do­wa­nych den­dry­tów.

Ilustracja:

Kliknij, aby powiększyć

Fot.5 – Den­dryty mie­dzi pod mikro­sko­pem

Przy obser­wa­cjach trzeba pamiętać, że każdy mniej deli­katny ruch czy wstrząs może usz­ko­dzić hodo­wane struk­tury. Po doświad­cze­niu układ elek­tro­li­tyczny należy umyć w wodzie desty­lo­wa­nej, pozo­sta­ło­ści wytrąco­nej mie­dzi usu­nąć papie­ro­wym ręcz­ni­kiem i całość wysu­szyć.

Wyja­śnie­nie

Pod­czas prze­pływu prądu elek­trycz­nego przez roz­twór na kato­dzie (elek­tro­dzie ujem­nej) docho­dzi do reduk­cji obec­nych w roz­two­rze katio­nów mie­dzi(II) Cu2+ dzięki ciągłemu dopły­wowi elek­tro­nów:

Cu2+ + 2e- → Cu↓

Na elek­tro­dzie dodat­niej czyli ano­dzie mate­riał elek­tro­dowy jest utle­niany:

Cu → Cu2+ + 2e-

W kon­cen­tra­cja jonów mie­dzio­wych w roz­two­rze pozo­staje na sta­łym pozio­mie – miedź z anody ulega roz­two­rze­niu w roz­two­rze, nato­miast na kato­dzie zostaje wydzie­lona z roz­tworu.

Wydzie­lona meta­liczna miedź for­muje obser­wo­wane struk­tury. Za ich fan­ta­zyjny ksz­tałt odpo­wiada między innymi zja­wi­sko agre­ga­cji ogra­ni­czo­nej dyfu­zją.

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 wzrost den­dry­tów.

Marek Ples

Aa