Кольца или слои Лизеганга – это самоорганизующиеся системы, проявляющиеся как концентрические кольца или чередующиеся полосы, возникающие в результате периодического осаждения каких-либо соединений при диффузии* в гелевых средах. Структуры названы в честь первого исследователя явления — немецкого химика и предпринимателя Рафаэля Лизеганга.
Диффузия — проникновение частиц одного вещества между частицами другого.
Работая в химической лаборатории фотофабрики, принадлежавшей отцу, в 1896 году Лизеганг обнаружил, что капля раствора нитрата серебра AgNO3 на фотопластинке*, покрытой слоем желатина, который содержит дихромат калия К2Сr2О7, образуются мелкие кристаллы дихромата серебра Ag2Cr2O7, располагающиеся в среде в виде концентрических колец, напоминающих годичные кольца на спиле дерева. Лизеганг увлекся этим явлением и почти полвека занимался его исследованием, став одним из основоположников учения о самоорганизации в неравновесных системах.
Фотопластинка — пластинка, состоящая из вещества, меняющего свои свойства при попадаии на неё света (физики словом «свет» обобщают все электромагнитные волны, среди которых УФ, ИК, оптическое и рентгеновское излучения).
Для получения гелевой среды для проведения опытов по получению колец Лизеганга обычно используют желатин, агар-агар или силикагель. Роль геля сводится к предотвращению перемешивания, что приводит к равномерности диффузии молекул, ионов или коллоидных частиц. Равномерность диффузии приводит к образованию ровных колец.
Структуры Лизеганга могут быть получены и без желирующего вещества, если эксперимент проводится в капилляре, где конвекция* не мешает их формированию. Также слоистые структуры образуются при определенных условиях в газовой среде при взаимодействии аммиака NH3 и хлороводорода HCl. Образование колец возможно и в твердых телах: так, полосы из серебра были получены путем погружения силикатного стекла (на основе соединений кремния Si и кислорода O) в расплавленный AgNO3 в течение длительного периода времени.
Конвекция — термин, описывающий перенос вещества в среде.
В случае с гелевой средой эксперименты обычно проводятся либо в пробирке, либо в чашке Петри. В первом случае один из реагентов первоначально растворяют в геле и помещают в пробирку. Затем поверх наливается раствор другого реагента большей концентрации. В результате в области разделения фаз* начинается образование осадка в форме полос, параллельных диффузионному фронту, разделенных свободными от осадка промежутками. В чашке Петри, как правило, образуются концентрические кольца осадка, если концентрированный раствор одного их исходных веществ вносится в центр чашки, уже содержащей гель другого вещества. В этих условиях волна химической реакции движется от центра к периферии чашки в результате диффузии внесенного вещества, оставляя позади себя четко разделенные кольца осадка. Осадок может располагаться не только в виде концентрированных колец, но и в виде сегментов, радиальных образований и спиральных структур.
Граница раздела фаз — граница между двумя средами. В данном случае — граница между раствором первого реагента в геле и раствором второго реагента.
Для изучения явления на протяжении десятилетий было использовано огромное количество реакций осаждения, показан его общий характер. Структуры Лизеганга получены для хроматов, галогенидов, гидроксидов металлов, карбонатов и сульфидов свинца, меди, серебра, ртути и др.
Примеры используемых химических реакций приведены ниже:
- HCl + AgNO3 → AgCl↓ + HNO3;
- 2KI + Pb(NO3)2 → PbI2↓ + 2KNO3;
- MgSO4 + 2NH3 + 2H2O → Mg(OH)2↓ + (NH4)2SO4.
Исчерпывающей теории, объясняющей механизм периодического образования осадка, в настоящее время нет. Делались различные предположения, например, что кольца Лизеганга возникают в результате периодического пересыщения раствора (В. Оствальд, 1897г). В соответствии с этой гипотезой раствор, образующий дисперсионную среду*, вблизи первоначальной области образования осадка обедняется вступающими в реакцию веществами, в результате чего возникает «пустая» зона.
Дисперсионная среда — среда, в которой находятся частицы растворенного вещества. Используют при описании коллоидных растворов. Отличается от термина «растворитель», так как процесс получения коллоидных растворов намного сложнее, чем получение обычных растворов.
Избыток реагента, оставшийся внутри осадка, постепенно диффундирует внутрь геля по всем радиальным направлениям. Навстречу ему идёт другой поток диффузии – из молекул или ионов реагента, входящего в дисперсионную среду. Встречаясь, оба диффундирующих вещества вступают в реакцию, в результате чего после достижения в данной области произведения растворимости возникает новый слой осадка. Области геля, примыкающие к нему с обеих сторон, вновь обедняются осадком.
Если в области первоначального пятна осадка сохраняется избыток непрореагировавшего вещества, оно будет продолжать диффундировать, проходя последовательно первую «пустую» зону, первое кольцо осадка и вторую «пустую» зону, постепенно распространяясь до встречи с другими потоком диффузии, в результате чего образуется второе кольцо осадка и т. д.
Открытое явление нашло практическое применение при изучении различных процессов в физике и химии, в прикладном искусстве. С образованием слоев Лизеганга связывают послойную окраску дорогих ювелирных минералов (агата, яшмы, малахита, мраморного оникса).
Агат состоит из чистой кремниевой кислоты с небольшой примесью оксида железа. Так как образование зон осадка в гелях, из которых затем получаются агаты, происходит, как правило, в замкнутых полостях неправильной формы, кольца Лизеганга при этом получаются не круглыми. Происхождение агатов до сих пор окончательно не выяснено. Предполагается, что агаты медленно формировались в условиях, обеспечивающих протекание периодических процессов, связанных с диффузией истинных растворов и их пересыщением.
Полосато-слоистую структуру имеют конкременты (камни) в органах животных и человека, некоторые биологические ткани, например поперечнополосатые мышцы. Важен процесс образования описанных структур и для понимания путей образования болезненных образований в организме - камней в почках, мочевом и жёлчном пузырях.
Также похожие на кольца Лизеганга образования возникают в слоистой структуре тонкопористых пород при процессах выветривания. Таковы, например, ритмические кольца, полосы, гиперболы, окрашенные бурыми гидроксидами железа, в известняках, мелкозернистых песчаниках и других породах.
Явления самоорганизации в неживой природе (образования кристаллов, упорядоченных наноструктур, периодических осадков) − одна из приоритетных областей исследования новой нынче науки − синергетики. А для любителя науки, такого как Вы, мой читатель, это просто невероятно красиво!
Источники информации:
- Сумм Б. Д., Иванова Н. И. Объекты и методы коллоидной химии в нанохимии //Успехи химии. – 2000. – Т. 69. – №. 11. – С. 995-1008.
- https://kommunikaru268121494.wordpress.com/2018/08/25/пояснение-1-к-термодинамическим-основ/
- Самоорганизация коллоидных структур: https://studfile.net/preview/8174093/
АВТОР СТАТЬИ:
Вера Погудина - студентка Санкт-Петербургского политехнического университета Петра Великого