Pierścienie Lieseganga
Samoorganizacja
Fenomen tworzenia się pierścieni Lieseganga jest przykładem samoorganizacji. Samoorganizacja jest zjawiskiem, w których elementy układu złożonego ulegają spontanicznemu uporządkowaniu. Zachodzi wtedy tworzenie się zorganizowanych struktur przestrzennych lub korelacji w przestrzeni i czasie pod wpływem oddziaływań zachodzących pomiędzy elementami układu, oraz między układem i jego otoczeniem. Pierścienie Lieseganga są pierwszym odkrytym przykładem tego zjawiska. Reakcje te jako pierwszy opisał Runge, a dokładniej zbadał je na początku XX wieku Raphael Liesegang.
Trzeba zaznaczyć, że do dzisiaj nie udało się dokładnie wyjaśnić mechanizmu powstawania tych struktur. Dostępne są jednak bardziej ogólne wyjaśnienia. Podobne przykłady samoorganizacji są spotykane często w naturze.
Czego potrzebujemy?
By przygotować dzisiejszy eksperyment musimy zaopatrzyć się w substancje z poniższej listy:
- żelatyna spożywcza,
- chlorek kobaltu CoCl2,
- woda amoniakalna 25%.
Ostrzeżenie: Należy szczególnie uważać podczas operacji z chlorkiem kobaltu, ponieważ jest to sól metalu ciężkiego. Nie jest wykluczone działanie rakotwórcze tego związku. Należy stosować rękawiczki ochronne i nie dopuścić do zanieczyszczenia skóry! Z wody amoniakalnej uwalnia się gazowy amoniak, który działa w sposób drażniący na oczy i drogi oddechowe. W większych stężeniach amoniak jest trujący. Autor nie bierze jakiejkolwiek odpowiedzialności za wszelkie mogące powstać szkody. Robisz to na własne ryzyko!
Doświadczenie polega na wytworzeniu żelu, w którym jest zawarty jeden z reagentów. Drugi zostaje naniesiony na żel. Musimy zacząć od przygotowania żelu; w gorącej wodzie należy rozpuścić tyle żelatyny, by jej stężenie wyniosło około 4%. Następnie szybko (tak by roztwór nie zdążył ostygnąć) dodajemy chlorek kobaltu. Jego stężenie powinno być jak najbardziej zbliżone do 5%. Roztwór wlewamy do niewielkiej probówki, na przykład o średnicy 5-10mm. Probówkę chłodzimy, po jakimś czasie zawartość powinna zestalić się w żel. Otrzymany żel ma barwę różową. Następnie na powierzchnię zestalonego żelu nalewamy kilka cm3 wody amoniakalnej i probówkę pozostawiamy na kilka lub kilkanaście dni kontrolując od czasu do czasu zawartość. Wylot probówki zabezpieczamy korkiem lub zwitkiem waty. W tym czasie probówka nie powinna być poddawana silnym wstrząsom lub dużym wahaniom temperatury.
Doświadczenie jest nieco kapryśne i nie zawsze się udaje. Przyczyny tego faktu nie są jasne. Jednak w razie powodzenia efekt jest naprawdę interesujący. Poniżej przedstawiam zdjęcia uzyskanych przeze mnie pierścieni Lieseganga:
W tym wypadku powstawanie pierścieni trwało 5 dni w temperaturze 15 stopni Celsjusza.
Próba wyjaśnienia - przykłady z otoczenia
Dochodzi tutaj do reakcji między chlorkiem kobaltu, a amoniakiem i wodą. Jony kobaltowe są uwięzione w żelu, zaś amoniak dyfunduje z wody amoniakalnej w jego głąb. Dzięki dyfuzji powstaje gradient stężenia jonów amonowych w żelu. W wyniku reakcji powstaje nierozpuszczalny wodorotlenek kobaltu o barwie niebieskiej (w górnej części probówki dochodzi dodatkowo do reakcji z tlenem z powietrza, stąd zmiana barwy w tym miejscu). Ten osad tworzy pierścienie.
Dlaczego jednak powstają odrębne pierścienie, a nie po prostu zgodna z gradientem reagentu smuga? Jest to do dzisiaj obiektem badań naukowców. Najprawdopodobniej zjawisko to jest spowodowane lokalnym wyczerpywaniem się substratów w obszarach położonych bezpośrednio w pobliżu miejsca zachodzenia reakcji. Utrudniony przez żelową konsystencję środowiska reakcji przepływ substancji daje w efekcie powstanie pierścieniowatych struktur. Fenomen ten jest obiektem badań między innymi termodynamiki chemicznej.
Czy jest to jedynie ciekawostka? Ze strukturami analogicznymi do pierścieni Lieseganga spotykamy się na każdym kroku w środowisku naturalnym. Jednym z tego przykładów są tak zwane czarcie kręgi. Są to łukowate lub koliste struktury utworzone najczęściej przez owocniki grzybów. Któregoś poranka trafiłem w swoim ogrodzie właśnie na taką interesującą strukturę:
Ich powstanie wiąże się z wyjaławianiem przez grzybnię obszaru wewnątrz kręgu. Dzięki temu powstaje krąg utworzony przez grzybnię; z zewnątrz jest on ograniczony frontem wzrostu, od wewnątrz zaś przez wyjałowioną przez nią glebę. W ten sposób powstaje zorganizowana struktura w kształcie kręgu. Innym przykładem może być wzrost koloni bakterii na pożywce lub choćby grzybów pleśniowych porastających rozkładające się owoce:
Lokalizacja koloni grzybów przyjmuje kształt charakterystycznych pierścieni. Zjawiska samoorganizacji wydają się być uniwersalne, zarówno dla materii ożywionej, jak i nieożywionej.
Innym przykładem samoorganizacji są oscylacje w reakcji Biełousowa-Żabotyńskiego-Winfree, reakcji Briggsa-Rauschera i uproszczonym procesie oscylacyjnym.
Życzę miłej i pouczającej zabawy:)
Literatura dodatkowa
- Epstein I.R., Pojman J.A., An introduction to nonlinear chemical dynamics: oscillations, waves, patterns, and chaos, Oxford University Press, 1998, str. 3
- Espenson J.H., Chemical Kinetics and Reaction Mechanisms, McGraw-Hill, 2002, str. 190
- Liesegang R.E., Ueber einige Eigenschaften von Gallerten, Naturwissenschaftliche Wochenschrift, 1896, 11(30), str. 353-362
Marek Ples