Weird Science

Oscylacje in vitro

Poniższy arty­kuł został opu­bli­ko­wany pier­wot­nie w cza­so­pi­śmie dla nau­czy­cieli Che­mia w Szkole (2/2021):

Ilustracja

Ples M., Oscy­la­cje in vitro, Che­mia w Szkole, 2 (2021), Agen­cja AS Józef Szew­czyk, str. 36-38

Łaciński ter­min in vitro możemy prze­tłu­ma­czyć jako „w szkle” i tyczy się on głów­nie badań przy­rod­ni­czych. Ozna­cza pro­cesy bio­lo­giczne prze­pro­wa­dzane w warun­kach labo­ra­to­ryj­nych, poza orga­ni­zmem. Tyle, że tym razem mamy na myśli inne szkło – w nieco bar­dziej potocz­nym zna­cze­niu tego słowa.

Feno­men ist­nie­nia oscy­la­cyj­nych reak­cji che­micz­nych jest fascy­nu­jący. Nie jest więc dziwne, że rzuca swój urok na każd­ego przy­rod­nika, który się z nimi spot­kał. Pow­szech­ność tego typu pro­ce­sów w natu­rze - zarówno nie­o­ży­wio­nej, jak i w pro­ce­sach ksz­tałt­u­jących życie orga­ni­zmów - jest tak wielka, że bada­nia nad nimi są przed­mio­tem zain­te­re­so­wa­nia che­mi­ków, fizy­ków oraz bio­lo­gów.

Odkry­cia z zakresu reak­cji oscy­la­cyj­nych nie od razu zostały doce­nione przez śro­do­wi­sko nau­kowe, czego potwier­dze­niem może byś smutny casus radziec­kiego che­mika Borysa Paw­ło­wi­cza Bie­ło­u­sowa. Chcąc opi­sać zaob­ser­wo­wane przez sie­bie oscy­la­cje w ukła­dzie zawie­ra­jącym kwasy orga­niczne i kata­li­zo­wa­nym przez związku ceru Ce napot­kał na nie­do­wie­rza­nie śro­do­wi­ska nau­ko­wego i pro­blemy z publi­ka­cją wyni­ków swo­ich prac [1][2]. W jed­nym z poprzed­nim nume­rów "Che­mii w Szkole" opi­sa­łem uprosz­czone pro­cesy oscy­la­cyjne oparte na podob­nym mecha­ni­zmie - są to roz­twory zmie­nia­jące okre­sowo swoją barwę (Fot.1) [3].

Ilustracja:

Kliknij, aby powiększyć

Fot.1 – Reak­cja oscy­la­cyjna kata­li­zo­wana cerem; A – faza bez­barw­nego roz­tworu, B – faza żółt­ego roz­tworu

Na szczę­ście w ostat­nich deka­dach doce­niono donio­słość odkryć na tym polu i obec­nie nasza wie­dza o reak­cjach oscy­la­cyj­nych notuje szybki roz­wój [4].

Znane nam współcze­śnie reak­cje oscy­la­cyjne możemy podzie­lić na zacho­dzące w ukła­dach jed­no­rod­nych i nie­jed­no­rod­nych. Te z kolei dzielą się na oscy­la­cje cza­sowe, prze­strzenne i prze­strzenno-cza­sowe. Wpro­wa­dza­nie do dydak­tyki eks­pe­ry­men­tów związa­nych z tego rodzaju, zda­wa­łoby się, egzo­tycz­nymi reak­cjami nie powinno budzić w nas lęku. Mimo często skom­pli­ko­wa­nego mecha­ni­zmu, pozwa­lają one na zacie­ka­wie­nie tema­tyką kine­tyki che­micz­nej, która jest zwy­kle uwa­żana za trudną i (szcze­gól­nie na początku edu­ka­cji z tego zakresu) mało inte­re­su­jącą dzie­dziną wie­dzy.

Opi­sane poni­żej doświad­cze­nie jest przy­kła­dem two­rze­nia się struk­tury cza­so­wej w for­mie pul­su­jące uwal­nia­nia gazu z jed­no­rod­nego układu reak­cyj­nego. Pierw­szy pro­ces tego typu zaob­ser­wo­wał naj­praw­do­po­dob­niej Mor­gan w 1916 roku pod­czas reak­cji kwasu mrów­ko­wego HCOOH z kwa­sem siar­ko­wym H2SO4, z okre­so­wym uwal­nia­niem tlenku węgla(II) CO [5]. Od tam­tej pory odkryto wiele innych reak­cji podob­nego rodzaju i chciałbym zapro­po­no­wać Czy­tel­ni­kom demon­stra­cję jed­nej z nich, którą – za jej auto­rami – prze­pro­wa­dzimy co prawda „w szkle”, ale będzie ono dosyć nie­ty­powe, jeśli wziąć pod uwagę naj­czę­ściej wyko­rzy­sty­wane naczy­nia labo­ra­to­ryjne.

Potrzebne sub­stan­cje

Do prze­pro­wa­dze­nia doświad­cze­nia potrze­bu­jemy sub­stan­cji z poniższej listy:

Szczęśli­wie dla nas, wszyst­kie mate­riały są sto­sun­kowo łatwo dostępne.

Musimy pamiętać, że zarówno kwas solny, jak i nad­tle­nek wodoru o wyso­kim stęże­niu (30% w postaci per­hy­drolu) są sil­nie żrące i mogą wywo­łać ciężkie opa­rze­nia skóry, a w przy­padku tego dru­giego także zmiany mar­twi­cze i białe, nie­zmy­walne plamy. Ulat­nia­jący się z kwasu sol­nego gazowy chlo­ro­wo­dór HCl ma dzia­ła­nie drażn­iące, a w więk­szych stęże­niach jest tru­jący.

Bez­wodny chlo­rek mie­dzi występuje w warun­kach nor­mal­nych jako brązowe ciało stałe, nato­miast dihy­drat CuCl2•2H2O ma postać szma­rag­do­wo­zie­lo­nych krysz­ta­łów (Fot.2). W tej for­mie można spo­tyka się go w natu­rze jako rzadki mine­rał erio­chal­cyt [6]. Otrzy­mać go można poprzez roz­two­rze­nie węglanu mie­dzi(II) CuCO3 w kwa­sie chlo­ro­wo­do­ro­wym lub innymi dro­gami.

Ilustracja:

Kliknij, aby powiększyć

Fot.2 – Krysz­tały dwu­wod­nego chlorku mie­dzi(II)

Chlo­rek mie­dzi(II), podob­nie jak inne sole metali ciężk­ich, może wyka­zy­wać dzia­ła­nie szko­dliwe i rako­twór­cze.

Ponie­waż w tym pro­stym doświad­cze­niu korzy­stamy z nie­bez­piecz­nych sub­stan­cji, środki och­rony oso­bi­stej są konieczne, zresztą jak zaw­sze pod­czas pracy w labo­ra­to­rium.

Jako pierw­szy musimy przy­go­to­wać odpo­wiedni roz­twór soli mie­dzi w kwa­sie sol­nym. Do zlewki prze­no­simy w tym celu 10g dihy­dratu chlorku mie­dzi(II), 10cm3 wody desty­lo­wa­nej i 50cm3 stężo­nego kwasu sol­nego [7]. Wszyst­kie sub­stan­cje należy ostrożnie, ale dokład­nie wymie­szać. Pow­staje przy tym roz­twór o głębo­kiej ciem­no­zie­lo­nej bar­wie (Fot.3).

Ilustracja:

Kliknij, aby powiększyć

Fot.3 – Gotowy roz­twór

Ory­gi­nalna praca pro­po­nuje wyko­nać doświad­cze­nie w nie­ty­po­wym naczy­niu, którym jest kie­li­szek do szam­pana o cha­rak­te­ry­styczn­nie roz­sze­rza­jącym się ku górze ksz­tałcie. Naczy­nie musi być sta­ran­nie odtłusz­czone – można to zro­bić przez zala­nie go na kilka godzin roz­two­rem wodo­ro­tlenku sodu NaOH lub poprzez prze­płu­ka­nie ace­to­nem C3H6O. W obu przy­pad­kach naczy­nie musi zostać sta­ran­nie wysu­szone po tych zabie­gach.

Aby roz­po­cząć doświad­cze­nie, w zlewce umiesz­czamy razem po 10cm3 opi­sa­nego roz­tworu i per­hy­drolu (o tem­pe­ra­tu­rze poko­jo­wej), szybko mie­szamy i prze­le­wamy do kie­liszka, który warto na wszelki wypa­dek usta­wić w innym naczy­niu. Dobrym roz­wiąza­niem jest wyko­rzy­sta­nie szalki Petriego o odpo­wied­nich wymia­rach (Fot.4). Eks­pe­ry­ment należy pro­wa­dzić pod spraw­nie dzia­ła­jącym wyciągiem lub na zew­nątrz.

Ilustracja:

Kliknij, aby powiększyć

Fot.4 – Faza wstępna doświad­cze­nia

Począt­kowo nie obser­wu­jemy żad­nych zmian. Po chwili jed­nak roz­po­czyna się wydzie­la­nie gazu – na początku powolne, ale przy­spie­sza­jące z każdą sekundą. Roz­twór samo­rzut­nie roz­grzewa się do coraz wyższej tem­pe­ra­tury.

Faza wstępna, pod­czas której możemy zau­wa­żyć wzrost pręd­ko­ści pro­duk­cji pęche­rzy­ków gazu trwa zwy­kle 3-4 minuty. Po tym cza­sie tempo wydzie­la­nia się pro­duk­tów gazo­wych jest tak duże, że ponad powierzch­nią roz­tworu zaczyna się wytwa­rzać coraz grub­sza war­stwa zie­lo­nej piany. Wła­śnie wtedy możemy zaob­ser­wo­wać cie­kawe zja­wi­sko: wydzie­la­nie gazu zaczyna się odby­wać w spo­sób oscy­la­cyjny. Momenty burz­li­wej ewa­ku­a­cji pro­duk­tów gazo­wych (głów­nie tlenu, ale też pew­nych ilo­ści chlo­ro­wo­doru i pary wod­nej) i two­rze­nia gru­bej war­stwy piany są prze­dzie­lone chwi­lami, kiedy pro­ces ten zwal­nia, a piana wyraźnie opada (Fot.5).

Ilustracja:

Kliknij, aby powiększyć

Fot.5 – Oscy­la­cyjne wydzie­la­nie się gazu
Ilustracja
ani­ma­cja: doda­tek autora

Okres opi­sa­nych oscy­la­cji w moich doświad­cze­niach wyno­sił od kilku do kil­ku­na­stu sekund i wyraźnie zwięk­szał się pod koniec doświad­cze­nia.

Po wyczer­pa­niu więk­szo­ści dostęp­nego nad­tlenku wodoru reak­cja zwal­nia – piana opada i wydzie­la­nie pęche­rzy­ków gazu prak­tycz­nie ustaje. Co cie­kawe jed­nak, barwa gorącego roz­tworu bez­po­śred­nio po reak­cji jest dużo głęb­sza (Fot.6A) niż po osty­gnięciu (Fot.6B), kiedy staje się zbli­żona do barwy na początku pro­cesu.

Ilustracja:

Kliknij, aby powiększyć

Fot.6 – Zmiana barwy roz­tworu; A – tuż po zakończe­niu reak­cji, B – po osty­gnięciu

Reak­cję można też pro­wa­dzić w cylin­drze o odpo­wied­nio dobra­nych wymia­rach. Oscy­la­cje – o ile wystąpią – są wtedy bar­dzo łatwe do zau­wa­że­nia (Fot.7).

Ilustracja:

Kliknij, aby powiększyć

Fot.7 – Oscy­la­cje w cylin­drze
Ilustracja
ani­ma­cja: doda­tek autora

Wyja­śnie­nie

Pod względem czy­sto che­micz­nym w doświad­cze­niu mamy do czy­nie­nia z roz­kła­dem nad­tlenku wodoru w myśl rów­na­nia reak­cji:

2H2O2 → 2H2O + O2

Nad­tle­nek wodoru jest nie­tr­wa­łym indy­wi­duum che­micz­nym i spon­ta­nicz­nie ulega powol­nemu roz­kła­dowi - w przy­padku bar­dziej stężo­nych roz­two­rów (Cp60%) pro­ces ten może przy­bie­rać gwałt­owny cha­rak­ter. Reak­cja roz­kładu może być przy­spie­szana przez wiele różn­o­rod­nych czyn­ni­ków, takich jak świa­tło, kon­takt z meta­lami lub pew­nymi związ­kami che­micz­nymi, np. jod­kiem potasu KI. Bywa to wyko­rzy­sty­wane w efek­tow­nych doświad­cze­niach poka­zo­wych [9] [10].

W opi­sa­nym przy­padku roz­kład nad­tlenku wodoru jest kata­li­zo­wany przez roz­twór chlorku mie­dzi(II) w kwa­sie sol­nym, tak więc dzia­ła­nie kata­li­tyczne mogą wyka­zy­wać tak wolne jony mie­dzi(II) oraz chloru, jak i kom­pleksy chlor­kowe mie­dzi. Reak­cja pro­wa­dzi do pro­duk­cji wol­nego tlenu, który począt­kowo pozo­staje jed­nak roz­pusz­czony w roz­two­rze. Stęże­nie roz­pusz­czo­nego tlenu rośnie aż do gra­nicy nasy­ce­nia. W roz­two­rze bra­kuje zarod­ków wrze­nia, ale przed­sta­wiona sytu­a­cja mimo wszystko jest nie­tr­wała - wystar­czą drobne zawi­ro­wa­nia roz­tworu, lokalne zmiany gęsto­ści lub nie­jed­no­rod­no­ści ścia­nek naczy­nia, by pow­stały pierw­sze pęche­rzyki gazu. Następ­stwem jest lawi­nowe pow­sta­wa­nie nowych pęche­rzy­ków i na dro­dze ich łącze­nia powięk­sza­nie już ist­nie­jących, co obser­wu­jemy jako gwałt­owne pie­nie­nie się roz­tworu. Szybki wzrost powierzchni pęche­rzy­ków powo­duje, że cząsteczki pow­sta­jącego tlenu są tran­s­por­to­wane z roz­tworu do fazy gazo­wej szyb­ciej niż pow­stają w wyniku reak­cji roz­kładu – powo­duje to gwałt­owny spa­dek stęże­nia roz­pusz­czo­nego w cie­czy gazu poni­żej gra­nicy nasy­ce­nia. Widocz­nym efek­tem tego jest chwi­lowe uspo­ko­je­nie roz­tworu, po czym następuje kolejny cykl wzro­stu stęże­nia tlenu. Otrzy­ma­nie wyraźn­ych oscy­la­cji wymaga oczy­wi­ście zapew­nie­nia odpo­wied­nich warun­ków, głów­nie stężeń sub­stra­tów i tem­pe­ra­tury.

Zmianę barwy po och­ło­dze­niu roz­tworu pore­ak­cyj­nego można tłu­ma­czyć tym, że trwa­łość posz­cze­gól­nych kom­plek­sów chlor­ko­wych mie­dzi jest uza­leżn­iona od tem­pe­ra­tury.

Jak widzimy, przed­sta­wiony uprosz­czony mecha­nizm pow­sta­wa­nia opi­sa­nych oscy­la­cji jest przy­kła­dem inte­re­su­jącego fizyko-che­micz­nego sprzęże­nia zwrot­nego, co jest zresztą cha­rak­te­ry­styczne dla wielu prze­ja­wów zja­wi­ska samo­or­ga­ni­za­cji [11]. Mia­nem tym okre­śla się cały zbiór zja­wisk, w których ele­menty układu zło­żo­nego ule­gają spon­ta­nicz­nemu upo­rząd­ko­wa­niu. Obser­wuje się wtedy two­rze­nie zor­ga­ni­zo­wa­nych struk­tur prze­strzen­nych lub kore­la­cji prze­strzenno-cza­so­wych pod wpły­wem oddzia­ły­wań zacho­dzących pomiędzy ele­men­tami układu, oraz między ukła­dem a jego oto­cze­niem. Zja­wi­ska te mogą mieć cha­rak­ter fizyczny, che­miczny lub mie­szany [12].

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.

Marek Ples

Aa