Pierścienie Lieseganga ? fascynujące twory natury
"Czarci krąg"Proszę spojrzeć na kilka fotografii przedstawiających organizmy żywe oraz okazy przyrody nieożywionej: kolonię bakterii na agarowej pożywce, pleśń rozwijającą się na owocach, grzyby na miejskim trawniku oraz minerały - agat, malachit, piaskowiec. Co łączy wszystkie obiekty? Jest to ich struktura, złożona z (mniej lub bardziej wyraźnie zarysowanych) koncentrycznych kręgów. Chemicy nazwą je pierścieniami Lieseganga.
Nazwa owych struktur pochodzi od nazwiska odkrywcy ? Raphaela Eduarda Lieseganga, chociaż nie on pierwszy je opisał. Dokonał tego już w roku 1855 Friedlieb Ferdinand Runge, który zajmował się m.in. przeprowadzaniem reakcji chemicznych na bibule filtracyjnej. Wytworzone przez niemieckiego chemika ?samoczynnie wyrosłe obrazy? (?selbstständig gewachsene Bilder?) z pewnością można uważać za pierwsze uzyskane pierścienie Lieseganga, zaś metodę ich otrzymywania - za chromatografię bibułową. Jednak odkrycie nie zostało dostrzeżone w świecie nauki ? Runge dokonał go o pół wieku za wcześnie (powszechnie uznanym wynalazcą chromatografii jest rosyjski botanik Michaił Siemionowicz Cwiet, pracujący w początkach XX wieku w Warszawie). Cóż, to nie pierwszy tego rodzaju przypadek w historii nauki; wszak nawet odkrycia muszą ?przyjść w porę?.
[caption id="attachment_1156" align="alignleft" width="150"]
Raphael Eduard Liesegang (1869-1947) ? niemiecki chemik i przedsiębiorca w branży fotograficznej. Jako naukowiec zajmował się chemią koloidów oraz materiałów fotograficznych. Rozgłos przyniosło mu odkrycie struktur zwanych pierścieniami Lieseganga.[/caption]
Sławę odkrywcy zdobył R. E. Liesegang, któremu pomógł przypadek (również nie pierwszy raz w dziejach nauki?). W roku 1896 upuścił kryształek azotanu(V) srebra AgNO3 na płytkę szklaną pokrytą roztworem dichromianu(VI) potasu K2Cr2O7 w żelatynie (Liesegang interesował się fotografią, a dichromiany do dzisiaj są używane w tzw. szlachetnych technikach klasycznej fotografii, np. technice gumy i bromoleju). Powstałe wokół kryształka lapisu koncentryczne kręgi brunatnego osadu chromianu(VI) srebra Ag2CrO4 zainteresowały niemieckiego chemika. Uczony rozpoczął systematyczne zaobserwowanego zjawiska badania i dlatego pierścienie ostatecznie nazwano jego nazwiskiem.
Reakcja, którą zaobserwował Liesegang, przebiegała według równania (zapisanego w skróconej postaci jonowej):
W roztworze dichromianu (lub chromianu) ustala się równowaga pomiędzy anionami
, zależna od odczynu środowiska. Ponieważ chromian(VI) srebra jest trudniej rozpuszczalny od dichromianu tego metalu, ulega wytrąceniu.
Pierwszą próbę wytłumaczenia zaobserwowanego zjawiska podjął Wilhelm Friedrich Ostwald (1853-1932), laureat Nagrody Nobla z chemii z 1909 roku. Niemiecki fizykochemik stwierdził, że do wytrącenia osadu potrzebne jest przesycenie roztworu umożliwiające utworzenie zarodków krystalizacji. Powstawanie pierścieni związane jest natomiast ze zjawiskiem dyfuzji jonów w środowisku utrudniającym ich ruch (żelatyna). Związek chemiczny z warstwy wodnej przenika w głąb warstwy żelatynowej. Do utworzenia osadu zużywane są jony reagenta ?uwięzionego? w żelatynie, co prowadzi do zubożenia obszarów przylegających bezpośrednio do osadu (jony dyfundują w kierunku malejącego stężenia).
[caption id="attachment_1154" align="alignleft" width="150"]
Pierścienie Lieseganga w probówce[/caption]
Z powodu niemożności szybkiego wyrównywania stężeń na drodze konwekcji (mieszania roztworów) odczynnik z warstwy wodnej napotyka kolejny obszar o dostatecznie dużej koncentracji jonów zawartych w żelatynie dopiero w pewnej odległości od już utworzonej warstwy ? zjawisko powtarza się periodycznie. Pierścienie Lieseganga powstają więc w wyniku reakcji wytrącania osadów, prowadzonej w warunkach utrudnionego mieszania reagentów. W analogiczny sposób można wytłumaczyć tworzenie warstwowej struktury niektórych minerałów ? dyfuzja jonów zachodzi w gęstym środowisku stopionej magmy.
Również twory świata ożywionego o pierścieniowej budowie są efektem ograniczonej dostępności zasobów. ?Czarci krąg? złożony z grzybów (przez wieki uważany za ślad działań ?siły nieczystej?) powstaje w prosty sposób. Grzybnia rozrasta się na wszystkie strony (pod ziemią; na powierzchni obserwujemy tylko owocniki). Po pewnym czasie dochodzi do wyjałowienia gleby w punkcie centralnym ? grzybnia zamiera, pozostając jedynie na obrzeżach i tworząc kolistą strukturę. Zużywaniem zasobów pokarmowych w pewnych strefach pożywki można wytłumaczyć również pierścieniową budowę kolonii bakteryjnych i grzybów pleśniowych.
Eksperymenty z pierścieniami Lieseganga możliwe są do wykonania w warunkach domowych (przykładowe doświadczenie opisane zostało w artykule; ponadto w numerze 8/2006 Młodego Technika pan Stefan Sękowski zaprezentował oryginalny eksperyment Lieseganga). Warto jednak zwrócić uwagę eksperymentatorów na kilka zagadnień. Teoretycznie pierścienie Lieseganga mogą powstać w dowolnej reakcji strąceniowej (większości z nich nie opisano w literaturze, możemy więc stać się odkrywcami!), jednak nie każda z nich prowadzi do pożądanego efektu i w praktyce trzeba wypróbować wszelkie możliwe kombinacje odczynników w żelatynie i roztworze wodnym (zaproponowane przez autora doświadczenie uda się na pewno).
[caption id="attachment_1155" align="alignleft" width="150"]
Należy pamiętać, iż żelatyna jest białkiem i ulega degradacji pod wpływem niektórych odczynników (nie utworzy się wtedy warstwa żelu). Wyraźniej zaznaczone pierścienie otrzymujmy używając probówek o jak najmniejszych średnicach (można stosować również zasklepione rurki szklane). Podstawą jest jednak cierpliwość, ponieważ niektóre doświadczenia trwają naprawdę długo (ale warto poczekać; dobrze wykształcone pierścienie są po prostu? ładne!).
Chociaż zjawisko tworzenia pierścieni Lieseganga może wydać się nam jedynie chemiczną ciekawostką (nie wspomina się o nim w szkołach), w przyrodzie jest bardzo rozpowszechnione. Wspomniany w artykule fenomen, to przykład znacznie szerszego zjawiska ? chemicznych reakcji oscylacyjnych, podczas których zachodzą okresowe zmiany stężeń substratów. Pierścienie Lieseganga są efektem owych wahań zachodzących w przestrzeni. Reakcje wykazujące oscylacje koncentracji w czasie trwania procesu są równie ciekawe, np. okresowe zmiany stężeń reagentów procesu glikolizy to najprawdopodobniej podstawa zegara biologicznego organizmów żywych.
Zobacz doświadczenie: tworzenie pierścieni Lieseganga
Chemia w sieci
?Otchłań? Internetu zawiera wiele stron, które mogą zainteresować chemika. Jednak coraz większym problemem jest nadmiar zamieszczonych danych, niekiedy także ich wątpliwa jakość. Nie ?od rzeczy? będzie przytoczenie tu genialnych przewidywań Stanisława Lema, który już ponad 40 lat temu w swojej książce ?Summa Technologiae? głosił, że powiększanie się zasobów informacji ogranicza równocześnie ich dostępność.
Dlatego też w kąciku chemicznym pojawia się rubryka, w której będą publikowane adresy i opisy najciekawszych stron ?chemicznych?. W nawiązaniu do dzisiejszego artykułu ? adresy prowadzące do witryn opisujących pierścienie Lieseganga.
Oryginalna praca F. F. Runge w postaci cyfrowej (sam plik PDF jest do pobrania pod skróconym adresem: http://tinyurl.com/38of2mv):
http://edocs.ub.uni-frankfurt.de/volltexte/2007/3756/.
Witryna o adresie http://www.insilico.hu/liesegang/index.html to prawdziwe kompendium wiedzy o pierścieniach Lieseganga ? historia odkrycia, teorie powstawania i wiele zdjęć.
A na koniec coś wyjątkowego ? film obrazujący tworzenie się pierścieni osadu Ag2CrO4, dzieło polskiego ucznia, rówieśnika czytelników MT. Zamieszczone oczywiście w serwisie YouTube:
Warto również skorzystać z wyszukiwarki (zwłaszcza grafiki) wpisując w niej odpowiednie słowa kluczowe: ?Liesegang rings?, ?Liesegang bands?, czy też po prostu ?pierścienie Lieseganga?.
W roztworze dichromianu (lub chromianu) ustala się równowaga pomiędzy anionami
i , zależna od odczynu środowiska. Ponieważ chromian(VI) srebra jest trudniej rozpuszczalny od dichromianu tego metalu, ulega wytrąceniu.
Pierwszą próbę wytłumaczenia zaobserwowanego zjawiska podjął Wilhelm Friedrich Ostwald (1853-1932), laureat Nagrody Nobla z chemii z 1909 roku. Niemiecki fizykochemik stwierdził, że do wytrącenia osadu potrzebne jest przesycenie roztworu umożliwiające utworzenie zarodków krystalizacji. Powstawanie pierścieni związane jest natomiast ze zjawiskiem dyfuzji jonów w środowisku utrudniającym ich ruch (żelatyna). Związek chemiczny z warstwy wodnej przenika w głąb warstwy żelatynowej. Do utworzenia osadu zużywane są jony reagenta ?uwięzionego? w żelatynie, co prowadzi do zubożenia obszarów przylegających bezpośrednio do osadu (jony dyfundują w kierunku malejącego stężenia). Z powodu niemożności szybkiego wyrównywania stężeń na drodze konwekcji (mieszania roztworów) odczynnik z warstwy wodnej napotyka kolejny obszar o dostatecznie dużej koncentracji jonów zawartych w żelatynie dopiero w pewnej odległości od już utworzonej warstwy ? zjawisko powtarza się periodycznie. Pierścienie Lieseganga powstają więc w wyniku reakcji wytrącania osadów, prowadzonej w warunkach utrudnionego mieszania reagentów. W analogiczny sposób można wytłumaczyć tworzenie warstwowej struktury niektórych minerałów ? dyfuzja jonów zachodzi w gęstym środowisku stopionej magmy.
Również twory świata ożywionego o pierścieniowej budowie są efektem ograniczonej dostępności zasobów. ?Czarci krąg? złożony z grzybów (przez wieki uważany za ślad działań ?siły nieczystej?) powstaje w prosty sposób. Grzybnia rozrasta się na wszystkie strony (pod ziemią; na powierzchni obserwujemy tylko owocniki). Po pewnym czasie dochodzi do wyjałowienia gleby w punkcie centralnym ? grzybnia zamiera, pozostając jedynie na obrzeżach i tworząc kolistą strukturę. Zużywaniem zasobów pokarmowych w pewnych strefach pożywki można wytłumaczyć również pierścieniową budowę kolonii bakteryjnych i grzybów pleśniowych.
Eksperymenty z pierścieniami Lieseganga możliwe są do wykonania w warunkach domowych (przykładowe doświadczenie opisane zostało w artykule; ponadto w numerze 8/2006 Młodego Technika pan Stefan Sękowski zaprezentował oryginalny eksperyment Lieseganga). Warto jednak zwrócić uwagę eksperymentatorów na kilka zagadnień. Teoretycznie pierścienie Lieseganga mogą powstać w dowolnej reakcji strąceniowej (większości z nich nie opisano w literaturze, możemy więc stać się odkrywcami!), jednak nie każda z nich prowadzi do pożądanego efektu i w praktyce trzeba wypróbować wszelkie możliwe kombinacje odczynników w żelatynie i roztworze wodnym (zaproponowane przez autora doświadczenie uda się na pewno). Należy pamiętać, iż żelatyna jest białkiem i ulega degradacji pod wpływem niektórych odczynników (nie utworzy się wtedy warstwa żelu). Wyraźniej zaznaczone pierścienie otrzymujmy używając probówek o jak najmniejszych średnicach (można stosować również zasklepione rurki szklane). Podstawą jest jednak cierpliwość, ponieważ niektóre doświadczenia trwają naprawdę długo (ale warto poczekać; dobrze wykształcone pierścienie są po prostu? ładne!).
Chociaż zjawisko tworzenia pierścieni Lieseganga może wydać się nam jedynie chemiczną ciekawostką (nie wspomina się o nim w szkołach), w przyrodzie jest bardzo rozpowszechnione. Wspomniany w artykule fenomen, to przykład znacznie szerszego zjawiska ? chemicznych reakcji oscylacyjnych, podczas których zachodzą okresowe zmiany stężeń substratów. Pierścienie Lieseganga są efektem owych wahań zachodzących w przestrzeni. Reakcje wykazujące oscylacje koncentracji w czasie trwania procesu są równie ciekawe, np. okresowe zmiany stężeń reagentów procesu glikolizy to najprawdopodobniej podstawa zegara biologicznego organizmów żywych.
