§8. Изучение колец Лизеганга

Кольца Лизеганга  — концентрические кольца или ритмически перемежающиеся полосы, возникающие в результате периодического осаждения каких-либо соединений при диффузии в гелевых средах. Названы в честь первооткрывателя явления — немецкого химика  Р. Лизеганга.

Рафаэль Эдуард Лизеганг
Дата рождения:	1 ноября 1869
Дата смерти:	13 ноября 1947 (78 лет)
Известен как:	первооткрыватель «колец Лизеганга», основоположник бумажной хроматографии

Рис.12

Рафаэль Лизеганг, работая в химической лаборатории фотофабрики, принадлежавшей отцу, обнаружил, что капля раствора нитрата серебра AgNO₃ на фотопластинке, покрытой слоем желатина (агар-агара), который содержит хромпик K₂Cr₂O₇, образуются агрегаты мелких аморфных кристаллов Ag₂Cr₂O₇ в виде концентрических колец, напоминающих годичные кольца на спиле дерева. [7]

Рис. 13

Слои Лизеганга в пробирках (рис. 13)

Структуры Лизеганга обычно получают при диффузии одного из исходных веществ через гель, содержащий другое вещество, способное с первым образовывать нерастворимый осадок.

На протяжении десятилетий огромное количество реакций осаждения было использовано для изучения явления, показав его общий характер. Структуры Лизеганга получены для хроматов, галогенидов, гидроксидов металлов, карбонатов и сульфидов свинца, меди, серебра, ртути и др.

Примеры используемых для этого химических реакций:

• HCl + AgNO₃ → AgCl↓ + HNO₃;

• 2KI + Pb(NO₃)₂ → PbI₂↓ + KNO₃;

• MgSO₄ + 2NH₃ + 2H₂O → Mg(OH)₂↓ + (NH₄)₂SO₄.

Для получения среды используются, как правило, желатин, агар-агар или силикагель. Структуры Лизеганга могут быть получены и без желирующего вещества, если эксперимент проводится в капилляре, где конвекция среды не мешает их формированию. Аналогичное явление происходит не только в гелях, но и в уплотнённых инертных порошках (кварца,кизельгура и т. п.), пропитанных раствором соответствующего реагента.

Их получение возможно и в отсутствии жидкой среды. Например, слоистые структуры образуются при определенных условиях в газовой среде при взаимодействии аммиака и хлороводорода. Образование колец возможно и в твердых телах: так, полосы из серебра были получены путем погружения силикатного стекла в расплавленный AgNO₃ в течение длительного периода времени.

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. Также возможно образование более сложных структур: таких, как спиральные структуры и «кольца Сатурна» (в пробирке) и дислокации колец (в чашке Петри). [6]

Описание эксперимента.

Данные опыты также удалось провести в лаборатории.

Цель опыта: показать в действии явление самоорганизации в химической системе.

В стакан наливают 30 мл дистиллированной воды (с солесодержанием 4 мг/л), добавляю 0,015 г хлорида натрия и 1,5 г гранул пищевого желатина и оставляю в холодильнике на одни сутки, для того, чтобы желатин набух. Осторожно нагревают смесь до 60°С, слабо помешиваю. После того, как желатин образует однородный раствор, выливают его в чашку Петри и ставят застывать в холодильник. Приготавливают концентрированный раствор нитрата серебра (концентрация 0,9 моль/л): в 1 мл дистиллированной воды растворяют 0,153 г. нитрата серебра и несколько капель этого раствора капаю 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. В начальный момент времени, когда капля раствора только коснулась желатина, раствор в капле был прозрачный, но затем наблюдается опалесценция капли в результате выпадения коллоидных частиц хлорида серебра. В ходе постепенной диффузии раствора нитрата серебра получается структура, напоминающая кольца. 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, окраска которых становится более равномерною и менее интенсивною. На рисунке 14 заметно движение жидкой фазы во внутренней части структуры Лизеганга.

Рис. 14

В ходе экспериментальных исследований были синтезированы новые концентрационные структуры. В данных система вещества разделились по плотностным характеристикам, при дальнейшем отстаивании образуется одноцветная геле видная смесь. При действии полученной структуры на гели клеящего характера наблюдается их застывание с образованием мелкокристаллической кремниевой кислоты. По технической значимости, данное вещество можно использовать в жизнедеятельности для быстрого застывания гелиевых клейстеров и для получения мелкокристаллической кремниевой кислоты. (Исследования технических характеристик и корректировки состава продолжаются)

Рис. 15

Структуры Лизеганга в пробирках (рис. 15)