Огромную роль в наносистемах играют процессы самоорганизации. Они позволяют контролируемо получать молекулярные структуры с заданной пространственной конфигурацией и свойствами. Одним из примеров самоорганизации в химических системах являются периодические структуры из концентрических окружностей.
Эти структуры впервые были получены в 1896 г. немецким химиком Р. Лизегангом, который экспериментируя с фотохимикатами, обнаружил, что если капнуть ляписом {Прим. ред.: аптекарский сплав солей - нитрата калия и нитрата серебра, используемый для дезинфекции, "прижигания" ран, как известно из классической литературы, вспомните Базарова :-) } на стеклянную пластину, покрытую желатином и содержащую хромпик {Прим. ред.: содержит хромат - ион, точнее, изополихроматы}, то продукт реакции, выпадая в осадок, располагается на пластинке концентрическими окружностями. Лизеганг увлекся этим явлением и почти полвека занимался его исследованием.
Открытое явление нашло практическое применение при изучении различных процессов в физике и химии, в прикладном искусстве, кольца Лизеганга использовали для украшения различных изделий с имитацией яшмы, малахита, агата и др. Лизеганг также предложил технологию изготовления искусственного жемчуга.
Возможный физический механизм, объясняющий образование структур Лизеганга, был впервые предложен Оствальдом в 1987 году [2]. Он основан на предположении о периодическом возникновении пересыщения в пространстве и времени и его влиянии на скорость зарождения твердой фазы. Оствальд позднее предложил механизм «обострения» осадка ("Ostwald ripening") – растворение малых и рост больших частиц [3]. Эти два механизма в настоящее время лежат в основе альтернативных подходов к теоретическому объяснению осадочных структур.
Описание эксперимента.
Цель данного опыта: показать в действии явление самоорганизации в химической системе.
В стакан налить 30 мл дистиллированной воды (с солесодержанием 4 мг./л), добавить 0,015 г хлорида натрия и 1,5 г гранул пищевого желатина и оставить в холодильнике на одни сутки, для того, чтобы желатин набух. Осторожно нагреть смесь до 60°С, слабо помешивая. После того, как желатин образует однородный раствор, вылить его в чашку Петри и поставить застывать в холодильник. Приготовить концентрированный раствор нитрата серебра (концентрация 0,9 моль/л): в 1 мл дистиллированной воды растворить 0,153 г. нитрата серебра и несколько капель этого раствора капнуть на поверхность желатина в чашке Петри. В местах контакта растворов хлорида натрия и нитрата серебра, начал выпадать осадок хлорида серебра, который и образовал структуры похожие на «годовые кольца дерева».
Результаты.
В ходе проведения опыта были получены ярко окрашенные кольца Лизеганга, разнообразная окраска которых объясняется оптической активностью соединений серебра (рис. 5, 6, 7, 8). В начальный момент времени, когда капля раствора только коснулась желатина, раствор в капле был прозрачный, но затем наблюдается опалесценция (рис. 1,3) капли в результате выпадения коллоидных частиц хлорида серебра. В ходе постепенной диффузии раствора нитрата серебра получается структура, напоминающая НЛО (рис. 2).
В ходе проведения работы было обнаружено явление выброса части раствора из кольца Лизеганга. Возможно, из-за осмотического повышения давления в областях структуры происходит разрыв оболочки и выброс части раствора из колец Лизеганга (рис. 4).
При более низких концентрациях (<0,9 моль/л) структура получается более плоской, чем при более высоких концентрациях, при этом, концентрические окружности с осадком образуют достаточно большие по ширине полосы (сравнить рис. 5 и 6), окраска которых становится более равномерною и менее интенсивною. На рис. 5 заметно движение жидкой фазы во внутренней части структуры Лизеганга.
Использованная литература.
- Полежаев А.А. Теория структур Лизеганга.
- Ostwald W. Lehrbuch der Allgemeinen Chemie (Engelmann, Leipzig, 1897).
- Kahlweit M. Adv. Colloid Interf. Sci. 5 (1975) 1.
