» » Структуры Лизеганга

Структуры Лизеганга

Структуры Лизеганга

На фото — результат химической реакции дихромата калия (хромпика; K2Cr2O7) и нитрата серебра (AgNO3) в чашке Петри, запечатленный доцентом Западного университета Тимишоары Габриэлем Келеменом (Gabriel Kelemen). Этот кадр — часть серии, демонстрирующей формирование так называемых колец Лизеганга — прекрасного примера процесса самоорганизации.

Кольцами Лизеганга называют плоские периодические структуры, образующиеся при выпадении в осадок продукта химической реакции, обычно протекающей в гелевой среде. На главном фото вы можете наблюдать их в виде тонких темно-оранжевых линий, окружающих крупные капли субстрата в синем геле. Эти капли также обрамлены широкими оранжевыми полосами — первым слоем осадка, образовавшемся при реакции капель субстрата с гелем; именно с этих полос начинается образование колец Лизеганга. Отдельные оранжевые вкрапления на заднем плане, совсем непохожие на кольца, — тоже часть осадочного образования, опускающегося ко дну чашки Петри, поэтому в общем случае правильнее называть его не «кольцами», а «структурами» Лизеганга.

Это явление обязано своим названием немецкому химику Рафаэлю Лизегангу, который, работая в далеком 1896 году в фотолаборатории своего отца, обнаружил интересный эффект. Если капнуть раствором нитрата серебра на фотопластинку, покрытую слоем желатина с содержанием сильного окислителя хромпика, то в результате химической реакции выпадет осадок, который внешне напоминает годичные кольца на спиле дерева. Это явление оказалось настолько интригующим, что сам Лизеганг провел почти полвека за его изучением.

Но даже за 125 лет изучения структур Лизеганга так и не было создано общепринятой теории, объясняющей их формирование. Более того, спорной остается и физическая природа механизма, заставляющего осадок складываться в такие причудливые формы. На данный момент существует несколько принципиально разных моделей явления, которые, однако, все опираются на следующее базовое описание.

Прежде всего, для образования периодических структур требуется, чтобы в реакции участвовало два вещества: одно из них должно быть растворено в геле и иметь низкую концентрацию (на главном фото это хромпик), а второе (нитрат серебра) — помещаться в гель в виде раствора высокой концентрации и в гораздо меньшем количестве. Тогда второй субстрат, медленно диффундируя сквозь гель, реагирует с первым и образует нерастворимый осадок. К тому же, гель обладает некоторыми свойствами, присущими твердым телам — в частности, отсутствием текучести и способностью сохранять свою форму — из-за чего выпавший осадок практически не движется сквозь него и остается в тех областях, где был образован.

В зависимости от сосуда, в котором протекает химическая реакция, формируются структуры разного вида. Если гель с первым реагентом содержится в чашке Петри, то второй реагент помещается в ее центр в виде небольшой капли и, распространяясь, образует кольца, аналогичные тем, что мы видели на главном фото. Если же гель находится в пробирке, то раствор второго реагента наливают сверху, и тот под действием силы тяжести и в результате диффузии опускается ко дну, попутно формируя так называемые слои Лизеганга. Однако «слои» и «кольца» — очень упрощенные названия для структур, которые наблюдаются в экспериментах. В зависимости от концентрации реагирующих веществ, формы капли первого реагента, температуры среды, ее плотности, действия сторонних сил и других условий, структура Лизеганга значительно видоизменяется: могут возникать спирали, разрывы, дополнительные кольца или, напротив, области однородного осаждения.


Структуры Лизеганга

Слои Лизеганга из гидроксида магния, получены при добавлении раствора аммиака в агаровый гель. фото © Jacopo Werther с сайта commons.wikimedia.org


Для описания разных вариаций этого явления используются различные модели, которые можно разделить на два типа в зависимости от того, когда в соответствии с ними формируется периодичность структуры — до или после выпадения осадка.

Первая группа моделей — post-nucleation (см. Гетерогенная нуклеация) — предполагает, что в реакции изначально образуется однородный осадок, состоящий из крупных и мелких частиц, который затем эволюционирует: крупные частицы растут за счет малых, а малые частицы — растворяются. С их помощью можно описать формирование хаотических структур в системах без перепадов концентрации и эволюцию уже сформированных периодических систем, но не получится объяснить, почему из осадка появляются слои и кольца.

Вторая группа моделей — pre-nucleation — основана на теории Вильгельма Оствальда, лауреата Нобелевской премии по химии 1909 года. В ней предполагается, что при добавлении реагента в гель в нем возникает и распространяется волна пересыщения: осадка образуется так много, что реакция замедляется или прекращается вовсе. В моделях pre-nucleation процесс образования осадка можно рассматривать по-разному. В некоторых из них считается, что изначально в реакции образуются так называемые «зародыши» твердой фазы, на которых оседают выделяющиеся в дальнейшем продукты реакции. Отличие этих моделей от моделей post-nucleation состоит в том, что только от волны пересыщения, но не от размера образующихся частиц зависит то, сколько зародышей возникает в каждой точке пространства и с какой скоростью на них осаждаются молекулы продукта. Эксперименты показывают, что такие модели — наиболее полные и точные, однако используемый в них математический аппарат достаточно сложен, из-за чего их полномасштабное исследование пока не проводилось.

Некоторые модели типа pre-nucleation подходят к рассмотрению процесса с другой стороны: в них вводятся понятия пороговых концентраций осадка, при которых реакция начинается, останавливается или как-то изменяет свое течение. Грубо говоря, в начальный момент времени на границе соприкосновения двух реагентов происходит реакция, в результате которой выделяется и оседает некоторое количество осадка. При этом расходуется реагент, растворенный в близлежащих областях геля, вследствие чего эти области оказываются обедненными, и второй реагент (имеющий, как мы помним, более высокую концентрацию), диффундирует сквозь них, не вступая в химическую реакцию. Когда он достигает областей, где первый реагент содержится в пороговой концентрации, процесс повторяется: снова образуется и оседает некоторое количество продукта реакции, а окружающие области обедняются и становятся проницаемыми для первого реагента, который диффундирует дальше. Таким образом формируются периодические структуры в виде колец или слоев, в зависимости от симметрии сосуда (соотношения высоты и ширины). Подобные модели достаточно хорошо описывают простые регулярные структуры, наблюдаемые в эксперименте.

Однако в природе формируются гораздо более сложные структуры, предсказать вид которых не так просто. Рассмотрим другую фотографию Габриэля Келемена:


Структуры Лизеганга

Кольца Лизеганга, полученные в результате химической реакции дихромата калия и нитрата серебра. фото © Gabriel Kelemen с сайта behance.net


На ней четко видны радиальные дислокации колец — то есть вместо того, чтобы быть округлыми и плавно изогнутыми, кольца деформированы, имеют ступенчатую форму и кое-где разрываются. Скорее всего, причина тому — отклонение от идеально круглой формы исходной капли реагента. Трудность изучения таких колец состоит в том, что это отклонение обычно настолько незначительно, что в эксперименте его зафиксировать не удается, а между тем оно кардинально меняет модельную форму колец. На этом изображении можно заметить сразу несколько характерных особенностей колец Лизеганга — например, крохотные круглые пятнышки синего цвета демонстрируют, что осадок может находиться не только в полосах, но и в промежутках между ними. Но самая, пожалуй, интересная особенность связана не столько с природой колец, сколько с общими принципами самоорганизации — явления, при котором элементы внутри одной системы упорядочиваются без специального внешнего воздействия, за счет внутренних факторов. Это взаимодействие между двумя наборами колец, распространяющимися от разных источников. Взгляните на левую часть снимка: кажется, что там набегают друг на друга две волны, исходящие из разных точек. Но, в отличие от волн на воде, при встрече они не интерферируют, а гасят друг друга — на границе области соприкосновения волны как бы сливаются, а посередине вместо интерференционной картины наблюдается темное пятно: в нем осадок не образуется. Это отличительная черта автоволновых процессов самоорганизации, протекающих в активных средах. В отличие от пассивных сред, переносящих возмущение из точки в точку в неизменном состоянии, активные среды вносят в возмущение свой энергетический вклад.


Структуры Лизеганга

Слева — взаимодействие автоволн (нелинейных волн, которые сами себя поддерживают и распространяются в активных средах) в реакции Белоусова-Жаботинского (это колебательная реакция, параметры которой изменяются периодически). При встрече волны гасят друг друга. фото из хранилища медиа-файлов МГУ media.msu.ru. Справа — взаимодействие двух волн на поверхности воды. Формируется интерференционная картина. фото с сайта freeimg.ru


В зависимости от начальных условий структуры Лизеганга могут принимать еще более причудливые очертания. Так, в пробирке, если исходная капля имеет определенную специфическую форму и расположена вблизи стенок сосуда, иногда удается получить вместо обычных слоев расширяющуюся книзу спираль. Если же пороговые концентрации реакции немного отличаются вблизи стенок пробирки и в ее середине, то могут возникнуть «кольца Сатурна», у которых слой является неоднородным: в центре находится плоский плотный диск, похожий на ядро, а снаружи — широкое кольцо, отделенное от ядра пустым пространством. Очень напоминает Сатурн, не так ли?


Структуры Лизеганга

Слева — спиралевидная структура, образующаяся в пробирке вместо слоев Лизеганга. Реакция йодида калия с нитратом свинца. Длина масштабного отрезка — 1 см. Изображение из статьи D. S. Chernavskii, A. A. Polezhaev, S. C. Muller, 1991. A model of pattern formation by precipitation. Справа — «кольцо Сатурна» в пробирке (указано стрелкой). В нижней части фотографии после четких сформированных колец можно увидеть области однородного осаждения. Изображение из статьи A. A. Polezhaev, S. C. Muller, 1994. Complexity of precipitation patterns: Comparison of simulation with experiment


Подобные фигуры воспроизводятся в экспериментах в практически идентичных условиях и всё равно сильно отличаются друг от друга — настолько незначительные изменения начальных параметров влияют на формирование структур. Представьте себе, какое разнообразие форм создает природа вне лаборатории! В этом нетрудно убедиться самостоятельно. Возьмите в руки агат или яшму и рассмотрите его срез. На нем отчетливо видно, какие удивительные узоры складываются из структур Лизеганга в процессе сотворения камня.


Структуры Лизеганга

Агат в разрезе. Существует несколько версий того, почему его срез имеет подобную раскраску, и многое говорит в пользу того, что разноцветные кольца на нем являются именно структурами Лизеганга. По крайней мере, реакции с образованием структур Лизеганга используются для украшения ювелирных изделий с имитацией яшмы, агата, малахита и жемчуга. фото с сайта bibliotekalevokumka.blogspot.com


фото с сайта behance.net.

Анна Мухина

24 август 2021 /
  • Не нравится
  • 0
  • Нравится

Похожие новости

Пропеллеры Сатурна

На этом снимке, напоминающем помехи на экране старого телевизора, запечатлена небольшая область...

Фараонова змея

На фото — так называемая «фараонова змея», результат реакции разложения тиоцианата (роданида) ртути(II) (Hg(NCS)2)...

Кольца Сатурна

Избранные фото, полученные зондом «Кассини». Начиная с XVII века человек по крупицам собирал информацию о кольцах Сатурна, странном образовании, окружающим вторую по величине планету Солнечной

Система Сатурна. Январь 2012

Cнимки Сатурна и его спутников, опубликованные в январе 2012 года. Далекая система Сатурна включает в себя не только газовый гигант с роскошными кольцами, но и более шестидесяти лун. Спутники,

Система Сатурна: лучшие фотографии, опубликованные весной 2014 года

До Сатурна свыше миллиарда километров. Станция «Кассини» продолжает работать на орбите газового гиганта и передавать на Землю прекрасные снимки далекой планеты. За десять лет работы «Кассини» на

Система Сатурна: лучшие фотографии, опубликованные осенью 2014 года

Холодные и прекрасные пейзажи далекой планеты и некоторых ее спутников, сфотографированные космическим аппаратом «Кассини», продолжают вызывать любопытство и удивление. Автоматическая межпланетная
Комментарии

НАПИСАТЬ КОММЕНТАРИЙ

Ваше Имя:
Ваш E-Mail:
Код:
Кликните на изображение чтобы обновить код, если он неразборчив
Введите код:
Популярные новости
Удивительные животные из воздушных шаров японского художника Масаеси МацумотоУченый Роберт Ланца объяснил, почему смерти не существуетИстория эволюции электромобилейКак Репин Айвазовскому Пушкина нарисовать помогНевероятно реалистичная скульптура «Путешественник»Это самые быстрые серийные мотоциклы в миреВ 2023 году NASA запустит в космос новый луноход VIPER. Чем он займется?Ядерная ракета Vasimr доставит людей на Марс за один месяц. Опасна ли она?