Chemia na papierze - część 1. Obrazy, które same się malują
Od kilku stuleci papier jest też pełnoprawnym el-mentem pracowni chemicznej, służącym nie tylko do zapisywania notatek (dziennik laboratoryjny to obowiązkowy dokument, będący prawdziwą skarbnicą wiedzy każdego chemika, zachęcam cię do jego założenia i systematycznego notowania obserwacji z wykonywanych eksperymentów), ale także do czynności ściśle laboratoryjnych, np. sączenia. Zanim przejdziesz do doświadczeń z wykorzystaniem papieru, najpierw nieco o jego historii (a także historii chemii użytkowej) oraz właściwościach, które sprawiają, że stał się niezbędnym „sprzętem” laboratoryjnym.
Historia papieru w skrócie
Do Europy papier dotarł około X–XI wieku, poprzednio pisano na pergaminie (cienko wyprawione skóry zwierząt, np. owiec) i egipskim papirusie. Dostęp do nowego nośnika informacji zawdzięczamy Arabom, którzy z kolei sekrety jego produkcji przejęli od Chińczyków. W roku 105 naszej ery cesarski urzędnik Cai Lun opisał proces technologiczny: drewno, korę i resztki tkanin ubijano z dodatkiem wody na miazgę, czerpano sitem, prasowano na arkusze, suszono na słońcu i wygładzano. Jako surowca używano również starego, zapisanego papieru - znany był już więc recykling makulatury.
Pierwsze europejskie papiernie powstawały w XII wieku, w Polsce zaś w końcu XV wieku na przedmieściach Krakowa. Technologia produkcji w ogólnych zarysach nie zmieniła się do dziś, oczywiście większość papieru dostarczana jest już nie przez rzemieślników, lecz przez wielkie wytwórnie. Światowa produkcja przekracza obecnie 400 mln ton, z czego około 70% stanowi papier przeznaczony na opakowania. Nie będzie zaskoczeniem, że i w tej dziedzinie globalnym liderem są Chiny, czyli sytuacja na rynku nie zmieniła się od prawie 2000 lat.
W ciągu wieków powstało wiele rodzajów papieru, np. tektura, karton czy bibuła. Oprócz celulozowych włókien w jego skład wchodzą również inne substancje stosownie do przeznaczenia: wypełniacze poprawiające właściwości papieru (kaolin, gips, kreda), barwniki czy klej. Użytkownicy chętnie kupują biały papier, ponieważ druk jest na nim lepiej widoczny. Papiernie wybielają więc chemicznie niektóre swoje produkty (np. chlorem). Jednak taka procedura nie wystarcza i otrzymany w ten sposób papier nadal wydaje się pożółkły. Wrażenie jest spowodowane pochłanianiem fal z niebieskiej części widma światła białego, w rezultacie czego w świetle odbitym przez kartkę papieru dominują fale z zakresu żółtego i czerwonego. W celu uzupełnienia brakujących długości fal do masy papierowej wprowadza się heliofory (rozjaśniacze optyczne, stosowane także np. w proszkach do prania), czyli substancje, które pochłaniają niewidzialne promieniowanie ultrafioletowe, a wydzielają fale z niebieskiego zakresu widma (różnica energii rozpraszana jest w postaci ciepła). Tak „poprawione” widmo światła odbitego powoduje wrażenie lśniącej bieli. Jeżeli dysponujesz testerem do banknotów emitującym promieniowanie UV, możesz sprawdzić obecność helioforów w papierze. W ciemnym pomieszczeniu skieruj włączony tester na kartkę papieru do drukarki, a zobaczysz, jak jasno zaświeci (1). Ciekawe, w jakich innych rodzajach papieru (i nie tylko jego) wykryjesz obecność helioforów?
Cienkie rurki
Przygotuj stanowisko pracy: do zlewki lub słoika nalej wody i zabarw ją dla lepszej widoczności, np. wrzucając kryształek nadmanganianu potasu (bądź ostrożny, posługując się tym związkiem, ponieważ pozostawia on brunatne plamy, swoją „aparaturę” ustaw więc na tacy). Nad naczyniem zawieś skręcony w sznurek pasek papierowego ręcznika kuchennego i jego koniec zanurz w roztworze. Już po chwili zauważysz, że papier nasiąknie cieczą, a po powierzchni zacznie przesuwać się zabarwiona strefa. Wynik doświadczenia nie jest dla ciebie zaskoczeniem, wszak każdy wie, że papierowe ręczniki pochłaniają wodę, taki jest zresztą cel ich stosowania. Za efekt eksperymentu odpowiada pierwsza z własności istotnych dla zastosowania papieru w pracowni chemicznej - włoskowatość.
Papier zbudowany jest z gęsto ułożonych włókien celulozy, pomiędzy którymi znajdują się mikroskopijnej średnicy rurki - kapilary (z łaciny capillus = włos, stąd włoskowatość). Woda w tak małych rurkach ulega wznoszeniu tym wyżej, im średnica przewodu jest mniejsza (w temperaturze pokojowej na 28 cm przy średnicy wynoszącej 0,1 mm, ale już na 280 cm dla średnicy 0,01 mm, itd.). Zjawiska kapilarne odpowiadają m.in za zawilgocenie murów, transport wody w glebie, nasiąkanie tkanin i papieru, a także za wznoszenie się cieczy w naczyniach roślin i przepływ krwi przez naczynia włosowate (2).
po prawej to efekt reakcji nadmanganianu potasu z substancjami organicznymi papieru)
I jeszcze jeden eksperyment. Skręconym paskiem papieru połącz zlewkę z roztworem oraz puste naczynie (całość, jak poprzednio, ustaw na tacy tak, aby zapobiec zalaniu stołu). Po pewnym czasie zaobserwujesz, że papier nasiąka cieczą, która jest transportowana do drugiego naczynia (proces będzie trwał, dopóki poziomy wody w obu pojemnikach się nie wyrównają). Jednak ciecz w drugiej zlewce nie jest zabarwiona tak, jak w pierwszej - wizualnie to czysta woda. Zaobserwowałeś efekt spowodowany przez drugą ważną dla chemika właściwość papieru, czyli zdolność do adsorpcji (zatrzymywania na powierzchni, w przypadku papieru - na powierzchni włókien celulozy) substancji rozpuszczonych (3). Obie cechy (włoskowatość i adsorpcję) wykorzystasz w dalszych doświadczeniach.
przez papier (ponownie widoczna barwa będąca efektem reakcji
nadmanganianu potasu z substancjami organicznymi papieru)
Obrazy pana Rungego
Niemiecki chemik Friedlieb Ferdinand Runge był zręcznym eksperymentatorem (4). Odkrył fizjologiczne działanie atropiny, a swoją biegłością podczas pokazu zachwycił samego Johanna Wolfganga von Goethe (ówcześni „celebryci”, a wraz z nimi i zwykli śmiertelnicy, interesowali się nauką, burzliwie rozwijającą się w początkach XIX wieku). Poeta podarował mu paczkę wyśmienitej kawy, żartując, że warto przeprowadzić jej analizę chemiczną. Runge zbadał prezent, odkrywając kofeinę (zidentyfikował także m.in. anilinę, chininę i fenol). Runge jako pierwszy opisał również reakcje chemiczne przeprowadzane na bibule (w tamtych czasach powszechnie pisano atramentem, bibuła służyła do osuszania pisma i usuwania kleksów). Z obecnego punktu widzenia uczony zajmował się chromatografią bibułową, ale oficjalnie została ona „wymyślona” pół wieku później (o niej w następnym odcinku). Cóż, to nie pierwszy tego rodzaju przypadek w historii nauki, wszak nawet i odkrycia muszą przyjść w porę. W swojej pracy z roku 1855 Runge opisał obrazy, które same się malują (selbstständig gewachsene Bilder), które zaraz samodzielnie wytworzysz (5).
Zaopatrz się w bibułę, mogą to być sączki używane w pracowni chemicznej lub też bibuła do osuszania atramentu (nadal pisze się wiecznymi piórami, poszukaj jej w sklepie papierniczym). Niestety nie wystarczy zwykły papier do drukarki (jego powierzchnia jest zabezpieczona przed rozlewaniem się tuszu) ani papierowe ręczniki (te z kolei są zbyt chłonne i po zwilżeniu mało odporne na rozdar-cie), możesz za to spróbować z filtrami do ekspresów do kawy. Arkusz bibuły lub sączek powlecz kilkuprocentowym roztworem siarczanu(VI) miedzi(II) CuSO4. Kartkę połóż np. na ceramicznej płytce i równomiernie zwilż pędzelkiem. Unikaj nadmiaru roztworu, a po powleczeniu bibuły pozwól jej wyschnąć. W tym czasie przygotuj kilkuprocentowy roztwór heksacyjanożelazianu(II) potasu K4[Fe(CN)6]. Potoczna nazwa odczynnika to żelazocyjanek potasu, związek tworzy żółtawe kryształy, których nie pomyl z czerwono zabarwionymi kryształami żelazicyjanku potasu K3[Fe(CN)6] (inaczej doświadczenie się nie uda). Potrzebna ci będzie również woda amoniakalna, czyli handlowy roztwór amoniaku o stężeniu około 25%.
Wysuszoną bibułę umieść na płytce pochylonej pod pewnym kątem i całość ustaw na tacy tak, aby nie zalać stołu. Na środek kartki powoli, za pomocą pipety lub zakraplacza, upuszczaj po kropli roztwór żelazocyjanku. Powstają brunatne plamy słabo rozpuszczalnego związku miedzi, które rozchodzą się na wszystkie strony (pochylenie płytki zapobiega powstawaniu jednej plamy, odczynnik spływa w dół kartki). Gdy plamy będą zajmować dość duży obszar arkusza, zmień pipetę (pamiętaj, aby nie używać tej samej pipety do pobierania roztworu innego odczynnika, dopóki jej dobrze nie wypłuczesz) i zacznij kroplami podawać wodę amoniakalną. Tym razem plamy mają wyraźnie niebieski kolor i przenikają się z poprzednio utworzonymi. Gratulacje - właśnie powtórzyłeś eksperyment pana Rungego (6)!
W doświadczeniu skorzystałeś z dwóch wcześniej zaobserwowanych właściwości papieru: włoskowatości, która zapewniła rozchodzenie się na wszystkie strony wody wraz z zawartymi w niej substancjami oraz zdolności do adsorpcji tych substancji przez celulozę. Dodatkowo zatrzymywanie zachodzi w różnym stopniu dla obu powstających związków, co umożliwiło rozdzielenie barwnych plam (jak się przekonasz w kolejnym odcinku, jest to podstawa chromatografii).
W poszczególnych rodzajach papieru udział włoskowatości i adsorpcji zależy od zawartych dodatków, przygotowania powierzchni i innych szczegółów produkcji. Bibuła akurat najlepiej nadaje się do naszego celu - przewodzenie wody jest dobre, ale nie nadmierne (możesz wykonać także próby na papierze do drukarki oraz papierowym ręczniku i porównać wyniki) (7). Stosując inne nachylenie płytki, stężenia roztworów czy też kolejność ich dodawania, otrzymasz odmienne obrazy, ale nawet przy zachowaniu takich samych warunków pracy nigdy dwa obrazy nie będą identyczne. Pamiętaj, że dopóki kartka jest wilgotna, plamy nadal się przemieszczają. Jeżeli zatem zależy ci na utrwaleniu swojego dzieła, wysusz bibułę suszarką.
Jony miedzi(II) zostały wybrane do wykonania eksperymentu, ponieważ dają akurat barwne produkty reakcji z żelazocyjankiem i amoniakiem. Nic jednak nie stoi na przeszkodzie, abyś wykonał doświadczenia także z innymi odczynnikami. Ciekawe wyniki uzyskasz, na przykład traktując bibułę nasączoną roztworem wodorotlenku sodu za pomocą roztworów wskaźników pH, a także z solami żelaza(III) (8). Sam zresztą poszukaj barwnych reakcji i stań się autorem niepowtarzalnego obrazu.
Krzysztof Orliński
