Atramenty sympatyczne
Atramenty sympatyczne to substancje służące do ukrywania informacji, używane w technikach steganografii (wyjaśnienie w ramce). Zapisana za ich pomocą wiadomość pozostaje niewidoczna dla postronnego obserwatora, a ujawnia się dopiero po potraktowaniu odpowiednim czynnikiem. Warunkiem powodzenia jest barwa atramentu sympatycznego ? nie może dać odróżnić się koloru podłoża. Czynniki, które pozwalają wywołać utajnioną informację, to: chemikalia dające barwne połączenia z użytym atramentem, światło ultrafioletowe lub wysoka temperatura.
Najczęściej stosowane są atramenty sympatyczne, które ujawniają się w wyniku reakcji z wywoływaczem. Sporządźmy zatem rozcieńczony (1?2%) roztwór kwasu salicylowego C6H4(OH)COOH. W zamian można użyć również spirytusu salicylowego dostępnego w każdej aptece środka dezynfekcyjnego, który jest etanolowym roztworem tego kwasu. Następnie na kartce białego papieru wykonujemy napis (za pomocą pędzelka, wykałaczki czy stalówki) i suszymy arkusz. Jako wywoływacza użyjemy roztworu chlorku żelaza(III) FeCl3 o stężeniu ok. 5%. Płatek bawełniany lub wacik zwilżamy roztworem soli żelaza i pocieramy nim kartkę papieru.
Dobrym rozwiązaniem będzie także użycie zraszacza do roślin lub atomizera do lakieru. W wyniku reakcji tworzenia barwnego połączenia ukryty napis ujawnia się od razu w postaci ciemnofioletowych liter.
Fenole (związki zawierające grupę -OH połączoną bezpośrednio z pierścieniem benzenowym; ten fragment struktury można wyróżnić także w cząsteczce kwasu salicylowego) tworzą z jonami żelaza(III) połączenia o ciemnym zabarwieniu, co od dawna wykorzystywano w produkcji atramentów. Początkowo do ich wytwarzania stosowano kwas galusowy, występujący w galasach ? naroślach na liściach dębu i buka, wywołanych przez obronną reakcję rośliny na uszkodzenia przez owady.
W kolejnym doświadczeniu jako atramentu użyjemy roztworów octanu ołowiu(II) (CH3COO)2Pb oraz jodku potasu KI jako wywoływacza (oba roztwory o stężeniach 3 5%). Napis na kartce papieru wykonujemy tak samo, jak w poprzednim eksperymencie. Suszenie i wywoływania również przebiega w identyczny sposób, zaś napis ujawnia się w postaci żółtych liter utworzonych przez trudno rozpuszczalny osad jodku ołowiu(II):
Następne doświadczenie oparte jest na zmianach zabarwienia wskaźników kwasowo-zasadowych. Roztworem o odczynie zasadowym (np. wodorotlenku sodu NaOH, wodorotlenku potasu KOH albo węglanu sodu Na2CO3) i stężeniu 3-5% wykonujemy napis lub rysunek na kartce papieru. Jako wywoływacza użyjemy alkoholowego roztworu fenoloftaleiny o stężeniu ok. 1%, który (o czym z pewnością wiemy) zabarwi się na malinowo w kontakcie z zasadą i w ten sposób ujawni ukrytą treść. Gdy zamiast zasady zechcemy użyć kwasu, najlepszy będzie kwas fosforowy H3PO4, zaś jako wywoływacz ? roztwór oranżu metylowego (lub innego wskaźnika zmieniającego barwę w roztworze o odczynie kwaśnym, np. błękitu bromotymolowego).
Czytelnicy zapewne zorientowali się już, jak bogaty jest świat atramentów sympatycznych - praktycznie każda reakcja chemiczna, przebiegająca z wytworzeniem barwnego połączenia, może służyć do przeprowadzenia eksperymentu. Nawet początkujący chemik bez trudu poda wiele przykładów. Szukajmy więc nowych kombinacji odczynników!
Na zakończenie prezentacji atramentów wywoływanych w wyniku oddziaływania innego związku ? reakcja dwukolorowa. Sporządzamy zatem roztwory o kilkuprocentowych stężeniach:
- rodanku potasu KNCS lub rodanku amonu NH4NCS;
- heksacyjanożelazianu(II) potasu K4[Fe(CN)6], zwanego zwyczajowo żelazocyjankiem potasu (związek tworzy żółte kryształy w odróżnieniu od czerwono zabarwionego żelazicyjanku potasu, w którym żelazo występuje na +III stopniu utlenienia ? jeśli pomylimy substancje, doświadczenie nie uda się);
- chlorku żelaza(III) FeCl3 jako wywoływacza.
Na arkuszu papieru wykonujemy rysunek za pomocą dwóch pierwszych roztworów (do tego celu używamy różnych pędzelków tak, aby nie doszło do zmieszania oraz zanieczyszczenia odczynników), a po ich wyschnięciu zraszamy powierzchnię kartki roztworem wywoływacza. Rysunek ujawnia się w dwóch kolorach: czerwonym i niebieskim. Za efekt odpowiadają następujące reakcje:
Powstaje związek o krwistoczerwonej barwie. W zależności od stężenia reagentów tworzą się identycznie zabarwione połączenia kompleksowe o wzorach od [Fe(NCS)]2+ aż do [Fe(NCS)6]3-.
Powstaje ciemnoniebieski osad tzw. błękitu pruskiego (używanego jako pigment).
Napisy wykonane tuszami ujawnianymi za pomocą promieniowania ultrafioletowego stosowane są do niewidocznego znakowania przedmiotów w celu ułatwienia ich rozpoznania w przypadku kradzieży. Obecnie bez problemu można się zaopatrzyć w specjalny pisak oraz lampkę UV (rolę tę spełni również tester banknotów). My jednak przeprowadzimy eksperyment wywoływania ukrytego tekstu za pomocą światła słonecznego. Sporządzamy zatem roztwory azotanu(V) srebra AgNO3 i chlorku sodu NaCl o stężeniach ok. 5% (w tym miejscu chyba wszyscy już Czytelnicy domyślają się, jak dalej przebiegnie próba). Po napisaniu tekstu za pomocą roztworu lapisu i wyschnięciu kartki zraszamy ją roztworem soli kuchennej i wystawiamy na działanie światła słonecznego. Po kilkunastu minutach ujawniają się ciemno zabarwione litery tekstu. Reakcje, które odpowiadają za taki właśnie przebieg eksperymentu, są następujące:
Wytrącanie białego osadu chlorku srebra; niewidocznego na równie białej kartce papieru.
Rozkład chlorku srebra pod wpływem światła; wydzielony metal jest w stanie dużego rozdrobnienia i ma ciemne zabarwienie.
Ostatnia grupa atramentów sympatycznych ujawnia swoją obecność pod wpływem ogrzewania. Klasycznym przykładem jest rozcieńczony (stężenie 3-5%) wodny roztwór chlorku kobaltu(II) CoCl2. Napisany za pomocą owego roztworu tekst jest praktycznie niewidoczny (bladoróżowy), po podgrzaniu staje się zaś ciemnoniebieski, a po schłodzeniu papieru ponownie znika. Za owe zmiany odpowiedzialny jest stopień uwodnienia chlorku kobaltu(II). Po napisaniu tekstu związek występuje w postaci dwuhydratu CoCl2?2H2O o bladoróżowej barwie. Ogrzanie powoduje odparowanie wody krystalizacyjnej ? powstaje sól bezwodna o ciemnoniebieskim zabarwieniu. Ponowne ochłodzenie umożliwia wiązanie wilgoci przez odwodnioną sól, co skutkuje ponowną zmianą zabarwienia na bladoróżowe.
W kolejnej próbie użyjemy soku z cytryny. Po wykonaniu napisu i wyschnięciu arkusza ostrożnie ogrzewamy go nad płomieniem palnika kuchenki gazowej (lub po prostu nad świeczką). Już po chwili zaczynają pojawiać się ukryte litery, ciemniejące z każdą chwilą. Mechanizmem procesu jest termiczny rozkład (zwęglanie) związku organicznego ? kwasu cytrynowego. Podobny efekt możemy uzyskać, używając do napisania wiadomości roztworu cukru (pod wpływem ogrzewania tworzy się karmel), mleka (karmelizuje cukier mleczny ? laktoza), soku owocowego (zawiera kwasy organiczne, m.in. cytrynowy) i wielu innych produktów spożywczych. W odróżnieniu od roztworu chlorku kobaltu(II) atramenty ?spożywcze? są jednorazowe ? nie ma możliwości powrotu do pierwotnej, niewidocznej postaci napisu.
Efektownym doświadczeniem jest wywołanie ukrytego rysunku, wykonanego za pomocą roztworu azotanu(V) potasu KNO3 lub chloranu(V) potasu KClO3. Jednym ze sporządzonych roztworów piszemy lub rysujemy na kartce pilnie bacząc, aby wszystkie elementy naszego dzieła były ze sobą połączone (w przeciwnym razie doświadczenie się nie uda). Po wyschnięciu kartki rozgrzewamy w płomieniu palnika gazowego główkę gwoździa i od razu przykładamy go do ?punktu startowego? naszego rysunku (który warto zaznaczyć w możliwie dyskretny sposób). Rozpoczyna się szybkie zwęglanie papieru, zachodzące tylko we fragmentach pokrytych roztworem KNO3 lub KClO3. Po kilku minutach (w zależności od rozmiarów rysunku bądź napisu) ujawnia się ukryta treść. Azotan(V) lub chloran(V) potasu są silnymi utleniaczami, w podwyższonej temperaturze powodującymi zwęglanie papieru. Doświadczenie jest efektowne, pamiętajmy jednak o dwóch ważnych rzeczach. Po pierwsze: nie stosujmy zbyt skoncentrowanego roztworu substancji utleniającej (wystarczy stężenie wynoszące ok. 5%), ponieważ w przypadku nadmiaru saletry lub chloranu istnieje niebezpieczeństwo zapłonu. Nie chcemy chyba w ten sposób ?uatrakcyjnić? pokazu ? BHP jest najważniejsze. I po drugie: warunkiem udanego przeprowadzenia próby jest wykonanie napisu lub rysunku tak, aby wszystkie narysowane linie łączyły się ze sobą, inaczej część naszego dzieła nie zostanie ujawniona.
Pokazy z użyciem atramentów sympatycznych są doskonałym przykładem doświadczeń, w których ciekawe efekty możemy otrzymać praktycznie z niczego (odczynniki są dostępne wprost na wyciągnięcie ręki w naszym otoczeniu, np. w kuchni). Owe eksperymenty są również doskonałym wabikiem, którym można zainteresować chemią (przedmiotem cieszącym się bardzo umiarkowaną popularnością choć nam, zapaleńcom trudno w to uwierzyć) wielu młodych ludzi i w przyszłości zmienić nastawienie społeczeństwa do tej dziedziny nauki.
Steganografia jest techniką ukrywania informacji. Jej skuteczność opiera się na braku podejrzeń wobec wiadomości, która, choć przekazana całkowicie jawnie, zawiera tajną treść. Steganografię wykorzystującą atramenty sympatyczne stosowano już w starożytności. W obecnych czasach wiadomości mogą być również ukrywane w plikach graficznych lub dźwiękowych (tu wykorzystuje się niedoskonałości ludzkiego wzroku i słuchu, które to zmysły nie są czułe na pewne zmiany odcieni barw oraz niektóre częstotliwości dźwięku).
Chemia w sieci
Początek roku szkolnego to nie tylko początek nauki, lecz również start zmagań we wszelkiego rodzaju konkursach (w tym i chemicznych). Nawet jeśli nie planujemy swojego udziału w zawodach, warto zapoznać się z zadaniami, które się na nich pojawiają.
Najważniejszymi zawodami dla młodych chemików z całego kraju jest oczywiście Olimpiada Chemiczna, której 58. edycja odbędzie się w tym roku szkolnym. Strona internetowa, na której możemy zapoznać się z wymogami startu w zawodach oraz pobrać zadania z lat ubiegłych, mieści się pod adresem: http://www.olchem.edu.pl/. Z tej samej witryny pobierzemy również zadania z Międzynarodowych Olimpiad Chemicznych.
Informacje o pozostałych ogólnopolskich konkursach chemicznych można znaleźć pod poniższymi adresami (witryny zawierają również zadania do pobrania):
- http://www.chem.uni.torun.pl/zaklady_pracownie/dyd/konkurs_chemiczny.html ? Ogólnopolski Konkurs Chemiczny im. prof. Antoniego Swinarskiego organizowany przez Wydział Chemii Uniwersytetu Mikołaja Kopernika w Toruniu.
- http://www.ch.pw.edu.pl/~elfed/konkurs/ ? Konkurs Chemiczny Politechniki Warszawskiej.
- http://www.chemia.amu.edu.pl/konkurs/index.htm ? Konkurs Chemicznym dla Uczniów Szkół Ponadgimnazjalnych organizowany przez Wydział Chemii Uniwersytetu im. Adama Mickiewicza w Poznaniu.
Na zdjęciach do artykułu powtarza się hasło ?Chemia ? nasza przyszłość, nasze życie?. Jest to motto Międzynarodowego Roku Chemii 2011 (International Year of Chemistry 2011) odbywającego się pod patronatem IUPAC (International Union of Pure and Applied Chemistry) oraz UNESCO. Jednym z celów obchodów jest uczczenie 100 rocznicy przyznania Nagrody Nobla z chemii Marii Skłodowskiej-Curie. Informacje o IYC2011 i towarzyszących mu imprezach można uzyskać pod następującymi adresami internetowymi:
- http://www.chemistry2011.org/ ? oficjalna strona internetowa IYC2011
- http://www.komchem.pan.pl/ ? strona Komitetu Chemii PAN
