Weird Science

Wulkan - groźna natura

Poniższy arty­kuł został opu­bli­ko­wany pier­wot­nie w cza­so­pi­śmie dla nau­czy­cieli Che­mia w Szkole (5/2021):

Ilustracja

Ples M., Wul­kan - groźna natura, Che­mia w Szkole, 5 (2021), Agen­cja AS Józef Szew­czyk, str. 44-56

Aktyw­no­ścią wul­ka­niczną, czy też wul­ka­ni­zmem nazy­wamy ogół pro­ce­sów geo­lo­gicz­nych związa­nych z wydo­by­wa­niem się lawy i innych mate­ria­łów z głębi litos­fery, na sku­tek ruchów magmy pod powierzch­nią. Prze­ja­wami wul­ka­ni­zmu są między innymi takie zja­wi­ska jak pow­sta­wa­nie i aktyw­ność wul­ka­nów, występo­wa­nie eks­ha­la­cji, a także two­rze­nie się skał wul­ka­nicz­nych. Z wul­ka­ni­zmem wiążą się także pro­cesy hydro­ter­malne [1].

Wul­ka­nizm, obok zja­wisk tek­to­nicz­nych (tj. związa­nych z prze­miesz­cza­niem się płyt litos­fe­rycz­nych), jest odpo­wie­dzialny za pow­sta­nie wielu masy­wów gór­skich. Naj­dłuższymi pasmami gór­skimi na całej naszej pla­ne­cie są tak zwane grz­biety śródo­ce­a­niczne, poło­żone na dnie oce­a­nów i utwo­rzone przez aktyw­ność wul­ka­niczną prze­ja­wia­jącą się szcze­gól­nie wyraźnie w miej­scach styku płyt tek­to­nicz­nych.

Naj­więcej wul­ka­nów znaj­duje się w tak zwa­nym Pacy­ficz­nym Pier­ście­niu Ognia wzdłóż wybrzeży Oce­anu Spo­koj­nego. Jeśli cho­dzi o Europę, to naj­bar­dziej aktyw­nymi wul­ka­nicz­nie obsza­rami są Wło­chy, gdzie możemy tra­fić na takie wul­kany jak Wezu­wiusz, Etna, Strom­boli i Vul­cano, a także na Islan­dii (m.in. Eyja­fjal­la­jökull, Hekla i Katla).

Wul­ka­nizm występuje nie tylko na Ziemi, ale także na niek­tórych innych cia­łach naszego Układu Sło­necz­nego. Bar­dzo aktywny wul­ka­nicz­nie jest obec­nie Io - jeden z wiel­kich księży­ców Jowi­sza (tzw. Księży­ców Gali­le­u­szo­wych, możl­i­wych do zaob­ser­wo­wa­nia nawet przez lor­netkę). Z dużym praw­do­po­do­bieńs­twem podobne zja­wi­ska zacho­dzą także na Wenus. Dzięki obser­wa­cjom powierzchni wiemy też, że w prze­szło­ści wul­ka­nizm występo­wał na Mar­sie, gdzie znaj­dują się wyga­słe dziś wul­kany tar­czowe - jed­nym z nich jest Olym­pus Mons, naj­więk­szy wul­kan w całym Ukła­dzie Sło­necz­nym o wyso­ko­ści prze­kra­cza­jącej 21km licząc od śred­niej powierzchni pla­nety, a nawet 27km, jeśli weźm­iemy pod uwagę ota­cza­jącą go rów­ninę. Zwy­kle przyj­muje się, że jego ostat­nie erup­cje miały miej­sce 100-200 milio­nów lat temu, ale wyniki niek­tórych badań wydają się wska­zy­wać, że wul­kan był aktywny jesz­cze przed 2 milio­nami lat [2] [3]. Aktywny wul­ka­nicz­nie w prze­szło­ści był także Mer­kury i nasz ziem­ski Księżyc, na którym pow­stały w ten spo­sób rów­niny nazy­wane morzami księży­co­wymi [4].

Lodowe księżyce Jowi­sza, Saturna, Urana oraz Nep­tuna także prze­ja­wiają aktyw­ność wul­ka­niczną (tzw. krio­wul­ka­nizm). Różni się ona jed­nak od aktyw­no­ści typu ziem­skiego, ponie­waż rolę magmy pełni tam cie­kła woda i inne sub­stan­cje cie­kłe lub gazowe w warun­kach ziem­skich.

Aktyw­ność wul­ka­niczna wiąże się z dużymi zaso­bami wew­nętrz­nej ener­gii ciepl­nej. Chcąc zde­fi­nio­wać czym jest wul­kan możemy stwier­dzić, że mia­nem tym okre­śla się miej­sce, gdzie wydo­by­wają lub wydo­by­wały się spod powierzchni Ziemi pro­dukty wul­ka­niczne. Wul­kany występują poje­dyn­czo lub w więk­szych gru­pach i mogą dawać początek całym pasmom gór­skim.

Groźne piękno wul­ka­nów fascy­no­wało wielu arty­stów i pisa­rzy. Należy tu wspom­nieć o Tol­kie­nie, który opi­sał we "Władcy Pier­ścieni" kra­inę Mor­dor wła­śnie jako miej­sce zacho­dze­nia gwałt­ow­nych zja­wisk wul­ka­nicz­nych:

Sam widział przed sobą Oro­dru­inę, Górę Ognia. Wieczne, nie­wy­czer­pane ogni­ska, zagrze­bane głęboko pod stożk­iem popio­łów, roz­pa­lały się wciąż na nowo, wzbie­rały i z łosko­tem wyrzu­cały potoki spie­nio­nej skały przez pęk­nięcia i szcze­liny zie­jące na zbo­czach. Jedne z nich spły­wały ku Barad-Durowi sze­ro­kimi kana­łami, inne wiły się toru­jąc sobie drogę przez kamie­ni­stą rów­ninę, aż wresz­cie och­ło­dzone zasty­gały w dziwne ksz­tałty, niby potworne smoki wyplute z głębi udręczo­nej ziemi.

J.R.R. Tol­kien: Władca Pier­ścieni - Pow­rót Króla

tłum: Maria Skib­niew­ska

Erup­cje rze­czy­wi­stych wul­ka­nów często przy­bie­rały roz­miary kata­kli­zmu. Wybuch indo­ne­zyj­skiego Kra­ka­tau z 27 sierp­nia 1883 roku jest naj­więk­szą odno­to­waną w histo­rii erup­cją. Huk był sły­szalny z odle­gło­ści pra­wie 4500 kilo­me­trów, słup dymu osiągnął 27 kilo­me­trów wyso­ko­ści. Pow­stała fala sej­smiczna kil­ku­krot­nie obie­gła całą pla­netę. Ilość ofiar sza­cuje się dziś na około 40 tysięcy. Znane są też mniej­sze erup­cje, jak choćby Wezu­wiusz, którego wybuch znisz­czył w 79 roku Pom­peje, Her­ku­la­num i inne rzym­skie mia­sta.

Jako che­micy, możemy w naszym labo­ra­to­rium przy­go­to­wać nie­wielką imi­ta­cję wul­kanu. Będzie ona dużo bez­piecz­niej­sza od obser­wa­cji z bez­po­śred­niej odle­gło­ści erup­cji praw­dzi­wego wul­kanu, ale na pewno też zapewni nam odpo­wied­nią dawkę emo­cji.

Ilustracja
ani­ma­cja: doda­tek autora

Czego potrze­bu­jemy?

Musimy się zao­pa­trzyć w odczyn­niki:

Dich­ro­mian(VI) amonu w warun­kach nor­mal­nych jest poma­rańczo­wym cia­łem kry­sta­licz­nym (Fot.1). Jest to amo­nowa sól kwasu dich­ro­mo­wego. Należy pamiętać, że dich­ro­mian amonu, podob­nie jak i pozo­stałe dich­ro­miany, wyka­zuje dzia­ła­nie rako­twór­cze oraz tok­syczne [5] [6].

Ilustracja:

Kliknij, aby powiększyć

Fot.1 – Dich­ro­mian amonu

Kolejną potrzebną nam sub­stan­cją jest meta­liczny magnez. Magnez jest sre­brzy­sto­bia­łym meta­lem, który staje się kowalny w wyso­kiej tem­pe­ra­tu­rze. Jest dość aktywny che­micz­nie, przez łatwo utle­nia się na powie­trzu, ale podob­nie jak w przy­padku glinu, pro­ces koro­zji jest w pew­nym stop­niu hamo­wany przez pasy­wa­cję. W naszym doświad­cze­niu musimy wyko­rzy­stać magnez roz­drob­niony do drob­nych opiłków lub wręcz proszku – w takiej postaci barwa magnezu jest ciem­no­szara (Fot.2).

Ilustracja:

Kliknij, aby powiększyć

Fot.2 – Pro­szek meta­licz­nego magnezu

Ace­ton jest bar­dzo lotną i łatwo­palną cie­czą. Posłuży nam do ini­cja­cji ter­micz­nego roz­kładu dich­ro­mianu.

Jak zaw­sze, pod­czas prze­pro­wa­dza­nia doświad­cze­nia lub pokazu musimy pamiętać o bez­pie­czeńs­twie. Dich­ro­mian amonu, jak już wspom­niano, jest tok­syczny, nato­miast ace­ton łatwo­palny. W doświad­cze­niu występuje wysoka tem­pe­ra­tura i może docho­dzić do roz­pry­sku gorących rea­gen­tów. Konieczne jest sto­so­wa­nie środ­ków och­rony oso­bi­stej takich jak odpo­wied­nie oku­lary, far­tuch, ręka­wiczki. Eks­pe­ry­ment należy pro­wa­dzić na wol­nym powie­trzu lub pod spraw­nie dzia­ła­jącym wyciągiem.

Pokaz

Przy­go­to­wa­nie doświad­cze­nia nie jest skom­pli­ko­wane; naj­pierw musimy odwa­żyć kilka gra­mów sprosz­ko­wa­nego dich­ro­mianu amonu. Odmie­rzoną ilość sub­stan­cji usy­pu­jemy na ognio­tr­wa­łej płytce w postaci nie­wiel­kiego kop­czyka. Można zasto­so­wać płytkę cera­miczną, azbe­stową lub meta­lową. Następ­nie na szczyt kop­czyka wkra­plamy z pipety pasteu­row­skiej kilka kro­pli ace­tonu (Fot.3). Należy go użyć tyle by tylko zwil­żyć sub­stan­cję. Potem (zanim wypa­ruje ace­ton) zapa­lamy sub­stan­cję.

Ilustracja:

Kliknij, aby powiększyć

Fot.3 – Przy­go­to­wa­nia do doświad­cze­nia

Lokalne pod­nie­sie­nie tem­pe­ra­tury dich­ro­mianu powo­duje roz­po­częcie się jego roz­kładu. Pow­stają żółt­o­czer­wone iskry i duże ilo­ści ciem­no­zie­lo­nego popiołu. Objętość popiołu two­rzącego sto­żek jest wie­lo­krot­nie więk­sza od objęto­ści uży­tego sub­stratu. Efekt rze­czy­wi­ście przy­po­mina minia­tu­rową erup­cję. Kolejne etapy pow­sta­wa­nia minia­tu­ro­wego wul­kanu można zoba­czyć na Fot.4.

Ilustracja:

Kliknij, aby powiększyć

Fot.4 – Etapy eks­pe­ry­mentu; A – tuż po zapło­nie, B – po 3s, C – po 6s, D – po 9 sekun­dach
Ilustracja
ani­ma­cja: doda­tek autora

Kiedy reak­cja usta­nie, możemy podzi­wiać pra­wie dosko­nałą imi­ta­cję stożka wul­ka­nicz­nego, wli­cza­jąc w to kra­ter na jego szczy­cie (Fot.5).

Ilustracja:

Kliknij, aby powiększyć

Fot.5 – Po usta­niu reak­cji

Chcąc uatrak­cyj­nić pokaz możemy zasto­so­wać pewną jego mody­fi­ka­cję. W tym celu warto zmie­szać dich­ro­mian amonu z 0,5-1% (wagowo) sprosz­ko­wa­nego magnezu. Nie wolno tego jed­nak robić przez żadne, nawet deli­katne ucie­ra­nie, ponie­waż taka mie­sza­nina (utle­niacz + reduk­tor) może się wtedy samo­czyn­nie zapa­lić lub nawet eks­plo­do­wać. Jedyną akcep­to­walną formą mie­sza­nia jest tu powolne prze­sy­py­wa­nie sprosz­ko­wa­nych uprzed­nio osobno sub­stan­cji na arku­szu papieru. Mie­sa­a­niny takiej nie wolno przy­go­to­wy­wać w ilo­ści więk­szej niż poje­dyn­cze gramy i nigdy na zapas! Myślę, że Czy­tel­nik wyba­czy mi te ostrze­że­nia, ale trzeba zaw­sze pamiętać, że zdro­wie i życie mamy tylko jedno.

Przy­go­to­wu­jąc zmo­dy­fi­ko­wane doświad­cze­nie należy usy­pać na nie­pal­nej i odpor­nej na wysoką tem­pe­ra­turę powierzchni nie­wielki kop­czyk z mie­sza­niny dich­ro­mianu z magne­zem, a następ­nie pokryć go war­stwą samego dich­ro­mianu, po czym zwil­żyć ace­to­nem jak to opi­sa­łem uprzed­nio. Całość powinna odpo­wia­dać sche­ma­towi z Rys.1.

Ilustracja

Rys.1 – Prze­krój przez kop­czyk sub­stan­cji; a – ognio­od­porna pod­stawa, b – mie­sza­nina dich­ro­mianu i magnezu, c – czy­sty dich­ro­mian, d – miej­sce zwil­że­nia ace­to­nem

Po zapło­nie miej­sce widocz­nych w poprzed­niej wer­sji poma­rańczo­wych iskier zaj­muje dużo więk­sza ilość iskier jaskra­wo­bia­łych, a sam pro­ces jest dużo bar­dziej ener­giczny (Fot.6).

Ilustracja:

Kliknij, aby powiększyć

Fot.6 – Erup­cja z bia­łymi iskrami
Ilustracja
ani­ma­cja: doda­tek autora

Opra­co­wa­łem też inny wariant tego doświad­cze­nia. Zaj­muje więcej czasu jeśli cho­dzi o przy­go­to­wa­nie, ale efekt jest nawet cie­kaw­szy. Odwa­żoną ilość dich­ro­mianu(VI) amonu umiesz­czamy w nie­wiel­kim naczy­niu ognio­tr­wa­łym. Dobrze nadaje się w tym celu meta­lowa zakrętka od butelki. To naczynko umiesz­czamy z kolei w dużo więk­szym pła­skim naczy­niu, które następ­nie wypełn­iamy suchym pia­skiem. Dich­ro­mian powi­nien być umiesz­czony bar­dzo płytko pod powierzch­nią pia­sku, ale tak, żeby nie było widać jego poma­rańczo­wej barwy. Powierzch­nię pia­sku należy następ­nie wygła­dzić (Fot.7).

Ilustracja:

Kliknij, aby powiększyć

Fot.7 – Przy­szły wul­kan ukryty pod powierzch­nią

Powierzch­nię pia­sku ponad zama­sko­wa­nym dich­ro­mia­nem trzeba zwil­żyć ace­to­nem i pod­pa­lić. Już po chwili na powierzch­nię zaczyna wydo­by­wać się popiół for­mu­jąc sto­żek wul­ka­niczny w mikro­skali (Fot.8). Ta wer­sja doświad­cze­nia wywo­łuje zwy­kle duży efekt zasko­cze­nia i cza­sami bywa nazy­wana przez widzów kop­cem kreta.

Ilustracja:

Kliknij, aby powiększyć

Fot.8 – Sto­żek wul­ka­niczny vel kopiec kreta
Ilustracja
ani­ma­cja: doda­tek autora

Pow­stały w cza­sie reak­cji zie­lony tle­nek chromu(III) o wzo­rze Cr2O3 (Fot.9) warto zebrać, ponie­waż może być przy­datny przy innych doświad­cze­niach.

Ilustracja:

Kliknij, aby powiększyć

Fot.9 – Tle­nek chromu(III)

Tle­nek ten można wyko­rzy­stać do che­micz­nego odw­zo­ro­wa­nia widoku robacz­ków święto­jańs­kich w czerw­cową noc – wystar­czy wsy­pać nieco wstęp­nie pod­grza­nego tlenku do dużego naczy­nia wypełn­io­nego gazo­wym amo­nia­kiem NH3(g). W takich warun­kach na powierzchni tlenku chromu(III) docho­dzi do kata­li­tycz­nego roz­kładu amo­niaku przy udziale atmos­fe­rycz­nego tlenu w myśl reak­cji:

4NH3 + 3O2 → 2N2↑ + 6H2O↑

Reak­cja jest tak sil­nie egzo­ter­miczna, że dro­biny tlenku ule­gają roz­ża­rze­niu i pola­tują świe­cąc poma­rańczowo we wnętrzu naczy­nia (Fot.10) [7].

Ilustracja:

Kliknij, aby powiększyć

Fot.10 – Che­miczne „świe­tliki” na foto­gra­fii o wydłu­żo­nej eks­po­zy­cji; widoczne tory lotu roz­ża­rzo­nych cząstek tlenku chromu(III)

Warto wspom­nieć także, że tle­nek chromu(III) jest także dosko­na­łym pig­men­tem, nie blak­nącym pod wpły­wem pro­mie­nio­wa­nia sło­necz­nego.

Wyja­śnie­nie

Dich­ro­mian(VI) amonu łatwo ulega ter­micz­nej reak­cji roz­kładu według przed­sta­wio­nego niżej rów­na­nia:

(NH4)2Cr2O7 → Cr2O3 + N2↑ + 4H2O↑

Pow­stały zie­lony tle­nek chromu(III) ma o wiele więk­szą objętość niż użyty dich­ro­mian(VI). Z tego powodu obser­wu­jemy for­mo­wa­nie pseu­do­wul­ka­nicz­nego stożka. Pow­stały tle­nek jest nie­roz­pusz­czalny w wodzie i nie­tok­syczny – może jed­nak zawie­rać nie­wiel­kie ilo­ści nie­prze­re­a­go­wa­nego dich­ro­mianu, dla­tego przed ewen­tu­al­nym dal­szym wyko­rzy­sta­niem warto go dokład­nie prze­myć i wysu­szyć.

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