ASPress - czasopisma pedagogiczne

 Prawie jak żywe

Fot. 1 - Kryształy metalicznego srebra

  Nauki przyrodnicze, jak zresztą ich nazwa wskazuje, istnieją w nierozerwalnym związku z otaczającym nas światem. Niestety często się o tym zapomina, także w nauczaniu. Poza innymi przyczynami – czasem jedynie lenistwem niektórych dydaktyków – istnieje tutaj pewna przyczyna obiektywna. Otóż specjalizacja i zaawansowanie w ramach nauk przyrodniczych zwiększyły się do tego stopnia, że wiele zjawisk jest całkowicie niezrozumiałych dla odbiorcy niezaznajomionego z tematem. Dlatego problemy, z którymi spotykają się naukowcy mogą się wydawać ogółowi społeczeństwa całkowicie oderwane od rzeczywistości. Jedną z ról nauczyciela czy wykładowcy powinno być więc ukazanie w przystępny sposób świata i rządzących nim praw (opisywanych przez naukę) jako całości, ponieważ nawet zdawałoby się odległe od siebie zjawiska ujawniają często bardzo interesujące związki. Jednym z fenomenów, których przybliżenie może być przydatne w tym celu jest tzw. samoorganizacja.

Samoorganizację można określić jako duży zbiór zjawisk, w których elementy układu złożonego ulegają spontanicznemu uporządkowaniu. Obserwuje się wtedy powstawanie zorganizowanych struktur przestrzennych lub korelacji czasowych na skutek oddziaływań zachodzących pomiędzy elementami układu, a także między układem i jego otoczeniem. Jednym z przejawów samoorganizacji jest istnienie tzw. chemicznych reakcji oscylacyjnych [1]. Możemy tu wymienić choćby reakcję Biełousowa-Żabotyńskiego, Briggsa-Rauchsera, czy bardziej klasycznie powstawanie tzw. pierścieni Lieseganga [2].

O samoorganizacji w aspekcie wzrostu pięknych dendrytycznych kryształów srebra Ag (Fot. 1) pisałem w jednym z dawniejszych numerów Chemii w Szkole [3]. Omówiłem tam dokładny mechanizm tego zjawiska, który jest (poza wykorzystanym metalem) właściwie identyczny w tym przypadku. Dlatego po dokładniejsze informacje w tym zakresie odsyłam do wspomnianego tekstu – tutaj zostanie umówiony jedynie proces elektrochemiczny odpowiedzialny za wydzielenie metalu z roztworu.

Rozumiem, że koszt związków srebra bywa dosyć duży, a poza tym niektóre z nich (jak właśnie wykorzystany we wspomnianym doświadczeniu azotan(V) srebra AgNO₃) mogą być postrzegane jako kłopotliwe z racji np. barwienia skóry nieostrożnego eksperymentatora na czarno. Plamy takie powstają z rozdrobnionego metalicznego srebra i trudno je usunąć.

Chcąc wyjść naprzeciw Szanownemu Czytelnikowi chciałbym w niniejszym artykule – który powinien być traktowany jako swego rodzaju dodatek – przedstawić podobne doświadczenie. Tym razem wyhodujemy jednak kryształy miedzi Cu, wykorzystując tanie i łatwo dostępne substancje.

Doświadczenie

W celu hodowli kryształów metalicznej miedzi potrzebujemy odpowiedniego źródła jonów miedzi(II) Cu²⁺. Dobrym rozwiązaniem jest użycie siarczanu(VI) miedzi(II) CuSO₄, występującego najczęściej jako pentahydrat formujący piękne, niebieskie kryształy (Fot. 2). Sól nie jest silnie toksyczna, ale trzeba unikać bezpośredniego jej kontaktu z naszym ciałem.

Fot. 2 Kryształy siarczanu(VI) miedzi (II)

Musimy sporządzić roztwór soli miedzi w wodzie. W przypadku wspomnianego siarczanu wystarczy w kilkudziesięciu centymetrach sześciennych wody destylowanej rozpuścić kilka niewielkich kryształków. Stężenie roztworu nie powinno być zbyt duże – musi on pozostać bezbarwny lub ewentualnie wykazywać ledwie uchwytne niebieskie zabarwienie.

Rys. 1 Schemat układu elektrolitycznego

Teraz musimy przygotować prosty przyrząd, którego schemat przedstawia Rys. 1. Na mikroskopowym szkiełku podstawowym a zostały umieszczone równolegle dwa cienkie przewodniki miedziane b, których średnica wynosi około 0,4 mm. Są one umocowane do szkiełka za pomocą pasków taśmy elektroizolacyjnej c (można wykorzystać też biurową taśmę klejącą). Na przewodnikach jest umieszczone szkiełko nakrywkowe d.

Pod szkiełko wprowadzamy kilka kropli roztworu soli miedzi, tak by przewodniki miedziane były w nim zanurzone. Pomagają w tym zjawiska kapilarne. Ważne jest, aby pod szkiełkiem nie zamknąć pęcherzyków powietrza.

Następnie do przewodników podłączamy źródło stałego prądu elektrycznego o napięciu kilkunastu woltów, nie większego, ponieważ nie chcemy ryzykować możliwości porażenia! Wzrost struktur najlepiej śledzić przez szkło powiększające. Z racji specyficznej budowy układu doświadczalnego całe szkiełko można umieścić też w zaciskach stolika mikroskopu i za jego pomocą prowadzić obserwacje. Kryształy rozpoczynają swój wzrost od przewodnika połączonego z ujemnym biegunem źródła zasilania i kierują się do przeciwnej elektrody. Prąd należy wyłączyć zanim kryształy dotrą do elektrody dodatniej, ponieważ może to spowodować zwarcie. Przy wspomnianym napięciu wzrost struktur jest bardzo szybki i doskonale widoczny gołym okiem. Już po kilkunastu – kilkudziesięciu sekundach możemy podziwiać piękne struktury zbudowane z metalicznej miedzi o czym świadczy dobitnie ich czerwonawy kolor (Fot. 3). Uzyskane struktury do złudzenia przypominają rośliny: paprocie, trawy czy nawet drzewa. Ich pseudoorganiczna forma sprawia niesamowite wrażenie, szczególnie jeśli uwzględnimy w jak prosty sposób je uzyskaliśmy.

Fot. 3 - Miedziane struktury

Modyfikacja warunków doświadczenia pozwala na uzyskanie odmiennych rezultatów. Jeśli zastosujemy niższe napięcie, to wzrost struktur będzie zdecydowanie wolniejszy, ale będą one też bardziej rozgałęzione. Fotografia 4 przedstawia efekt uzyskany przy napięciu 4V, zastosowano też cieńsze przewodniki.

Fot. 4 - Miedziane struktury powstałe przy niższym napieciu elektrycznym

Powstałe w ten sposób kryształy metalu można traktować z pewnym przybliżeniem jako struktury fraktalne – wykazują one np. samopodobieństwo. Objawia się to tym, że obierając niewielki fragment obiektu i powiększając go uzyskujemy obraz podobny do całości [4]. Łatwo to zauważyć porównując widok spod mikroskopu (Fot. 5) z poprzednim zdjęciem. Zwraca uwagę też wielka subtelność, a według mnie także swoiste piękno wyhodowanych dendrytów.

Fot.5 - Dendryty miedzi pod mikroskopem

Przy obserwacjach trzeba pamiętać, że każdy mniej delikatny ruch czy wstrząs może uszkodzić hodowane struktury. Po doświadczeniu układ elektrolityczny należy umyć w wodzie destylowanej, pozostałości wytrąconej miedzi usunąć papierowym ręcznikiem i całość wysuszyć.

Wyjaśnienie

Podczas przepływu prądu elektrycznego przez roztwór na katodzie (elektrodzie ujemnej) dochodzi do redukcji obecnych w roztworze kationów miedzi(II) Cu²⁺ dzięki ciągłemu dopływowi elektronów:

Cu²⁺ + 2e^- → Cu↓

Na elektrodzie dodatniej, czyli anodzie materiał elektrodowy jest utleniany:

Cu → Cu²⁺ + 2e^-

Stężenie jonów miedziowych w roztworze pozostaje na stałym poziomie – miedź z anody ulega roztworzeniu w roztworze, natomiast na katodzie zostaje wydzielona z roztworu.

Wydzielona metaliczna miedź formuje obserwowane struktury. Za ich fantazyjny kształt odpowiada między innymi zjawisko agregacji ograniczonej dyfuzją.

mgr Marek Ples

Zakład Ichtiobiologii i Gospodarki Rybackiej,

Polska Akademia Nauk

marek.ples@o2.pl

www.weirdscience.eu

Wszystkie fotografie i rysunki zostały wykonane przez autora.

Orlik M., Reakcje oscylacyjne – porządek i chaos, Wydawnictwa Naukowo-Techniczne, Warszawa, 1996

Ples M., Porządek z chaosu. O samoorganizacji i pierścieniach Lieseganga, Chemia w Szkole, 1 (2016), Agencja AS Józef Szewczyk, str. 15-19

Ples M., Metaliczne rośliny. Krystaliczne dendryty srebra, Chemia w Szkole, 3 (2015), Agencja AS Józef Szewczyk, str. 6-10

Kudrewicz J., Fraktale i chaos, Wydawnictwa Naukowo-Techniczne, Warszawa, 1996