ПРИМЕНЕНИЕ ХИМИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ ДЛЯ ИЗУЧЕНИЯ ГЕОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ

При формировании целостного представления о природе важную роль играет умение интегрировать знания и выделять точки соприкосновения естественно — научных предметов. Одна из таких точек соприкосновения — общий для естествознания метод, связанный с применением различных моделей для изучения и объяснения природных явлений.

Рассмотрим в качестве примера применение химических моделей для объяснения геологического процесса — образования слоистых минералов. Речь идёт о разноцветных концентрических кольцах, расположенных на многих камнях и минералах — например, на агатах, благодаря которым их с древнейших времён использовали в качестве украшений и талисманов. Агат образуется в геле кремнезёма, поэтому модельный волновой процесс получения периодических колец химическим путём можно рассматривать в геле кремниевой кислоты. Наряду с гелем кремниевой кислоты мы также использовали гель желатина.

Часто в качестве моделей природных процессов выбирают сравнительно простые химические системы. Для простоты и наглядности в качестве химических моделей геологического процесса образования минералов представим химические системы получения осадков в студнях в виде колец Лизеганга. Приведённые нами опыты готовятся заранее, они очень просты в исполнении и эффективны.

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 и предпринимателя Р. Лизеганга (1869—1947). Он не был первым человеком, наблюдавшим эффект, но первым осуществил целенаправленные исследования в этой области. Кольца Лизеганга возникают в химических системах, подвергающихся реакции осаждения при определенных концентрациях и в отсутствии конвекции. В 1915 г Лизеганг предложил химическую теорию (и химический метод исследования) образования агатов, основанную на особенностях диффузии в студнях и ритмических химических реакциях. Кольца Лизеганга относятся к периодическим коллоидным структурам. Справедливости ради нужно отметить, что даже сейчас нет единой общепризнанной теории образования колец при ритмическом осаждении [1; 3].

Для изучения процесса образования периодических колец и полос мы в нашей работе использовали химические системы на основе кремнезема и геля желатина. На поверхность студней мы приливали раствор другого вещества, способного образовать с низкомолекулярным веществом нерастворимое соединение (в этом случае можно будет наблюдать образование осадков в виде концентрических колец). При экспериментальной проверке теории мы сделали акцент на технике эксперимента и анализе его результатов [2; 4; 5].

Первый опыт. В чашку Петри (или на кусок стекла) налить приготовленную смесь, состоящую из 50 мл 15 %-ного свежеприготовленного раствора желатина и 50 мл 0,01 М раствора дихромата калия. Чашку Петри с рабочим раствором следует охладить до полного загустевания желатина. Затем в центр растекшегося желатина наносят пипеткой 1 мл 1 М раствора нитрата серебра. Для исключения побочных процессов (ионы серебра чувствительны к свету) реакционную смесь необходимо убрать в тёмное место. Через несколько суток можно наблюдать отложение пятна тёмно-бурого осадка дихромата серебра и периодических «звездочек» (рисунок 1):

K₂Cr₂O₇ + 2AgNO₃ = Ag₂Cr₂O₇ ↓+ 2KNO₃

По мере удаления от центра кольца будут располагаться всё реже.

Рисунок 1. Отложения осадка дихромата серебра

Рассмотрим второй опыт. В мерный цилиндр вместимостью 200 мл налить 50 мл свежеприготовленного 10 %-ного раствора желатина, затем добавить 100 мл 0,05 М раствора хлорида магния, перемешать смесь. Полученный раствор нужно охладить до полного до полного загустевания желатина и прилить сверху слой в 2 см концентрированного раствора аммиака. Мерный цилиндр надо закрыть резиновой пробкой чтобы не улетучился аммиак. Через несколько дней можно наблюдать образование молочно-белых прослоек гидроксида магния:

MgCl₂ + 2NH₄OH = Mg(OH)₂↓ + 2NH₄Cl

С удалением от поверхности студня кольца гидроксида магния будут располагаться на большем расстоянии друг от друга (рисунок 2).

Рассмотрим третий опыт. В данном случае вместо студня желатина используется гель кремниевой кислоты. Для этого необходимо приготовить растворы: а) жидкого стекла с водой в соотношении по массе 1: 3,5 и довести объём до 50 мл; б) в 100 мл 1 М уксусной кислоты растворить 0,02 г дихромата калия. Кроме того, необходим 0,25 М раствор сульфата меди (ΙΙ) (6,25 г CuSO₄ * 5H₂O в 100 мл воды).

Рисунок 2. Кольца гидроксида магния

В цилиндр с жидким стеклом добавить 50 мл раствора уксусной кислоты, содержащего дихромат калия. После загустевания кремниевой кислоты поверх студня надо налить раствор сульфата меди (ΙΙ) толщиной около 2 см. Через несколько дней можно наблюдать появление периодических колец (в виде спиралей и линий) хромата меди (ΙΙ) (рисунок 3):

K₂Cr₂O₇ + CuSO₄ = CuCr₂O₇↓ + K₂SO₄

Рисунок 3. Кольца хромата меди

Рассмотрим четвертый опыт. В равномерно смоченную 8,5 %-ным раствором соляной кислоты пробирку (для этого в пробирку следует налить 10—15 мл кислоты, ополоснув её, вылить раствор) аккуратно по стенке прилить силикатный клей. При этом на стенках получается узор: чередование молочно-белых полос кремниевой кислоты на практически прозрачном фоне, напоминающий кольца Лизеганга (рисунок 4). Уравнение протекающей реакции:

2HCl + Na₂SiO₃ = H₂SiO₃↓ + 2NaCl

Рисунок 4. Полосы кремниевой кислоты

Красочность узору можно придать, добавив предварительно к кислоте несколько капель фенолфталеина. В этом случае зоны, содержащие силикатный клей, окрашиваются в малиновый цвет. В водном растворе, содержащем силикат натрия, протекает реакция гидролиза по аниону. В результате гидролиза среда становится щелочной:

SiO^2-₃+HOH=HSiO^-₃+OH^-,

Поэтому в присутствии индикатора фенолфталеина наблюдается малиновая окраска соответствующих зон. Можно изменить технику выполнения опыта: заменить пробирку стеклянной пластинкой и держать её под определённым углом. В этом случае после чередования полос на конце пластинки будет образовываться сосулька кремниевой кислоты. Если изменить очерёдность реагентов, т. е. лить кислоту на силикат натрия, то образования полос не наблюдается.

Проанализируем проведенные опыты и сделаем необходимые выводы. При отсутствии перемешивания осуществление химических реакций стало возможно благодаря диффузии частиц приливаемого на поверхность студня раствора электролита и ионов, добавленных к раствору желатина до его загустевания. Причём последние диффундируют в зону выпадения осадка из нижерасположенного слоя желатина. Кроме того, в некоторых случаях на поверхности уже образовавшегося осадка возможна адсорбция ионов из нижерасположенного слоя желатина. Указанные процессы ведут к уменьшению концентрации ионов, содержащихся в слое студня, следующего за зоной с осадком.

В итоге прилитый электролит после зоны с осадком за счёт дальнейшей диффузии попадает в область студня с недостаточной концентрацией реагента и осадок не образуется. Следующий слой студня содержит ионы реагента уже в достаточном количестве, поэтому там появляется вторая полоса осадка, и т. д. При выпадении окрашенных осадков наблюдается чередование окрашенных и неокрашенных областей в слое желатина.

В свою очередь, уменьшение концентрации прилитого на поверхность студня электролита с продвижением его ионов ко дну вертикального реакционного сосуда (или к периферии чашки Петри) обусловливает более редкое чередование полос осадка.

Отсутствие конвекции и перемешивания придаёт химической реакции в студне своеобразный характер: в различных участках студня реакции могут идти независимо одна от другой. Если один из продуктов происходящей в студне реакции — нерастворимое вещество, то в студне наблюдается явление, называемое кольцами Лизеганга.

Периодическое образование осадков — колец идёт благодаря диффузии ионов прилитого на поверхность желатина электролита в объёме студня. По мере удаления от центра за счёт уменьшения концентрации прилитого электролита кольца с осадком появляются всё реже.

Поскольку с каждым образовавшимся кольцом расстояние между ними будет возрастать, то и время, в течение которого достигается необходимая для выпадения осадка концентрация реагентов, будет увеличиваться. Данный процесс называется ритмическим осаждением.

Список литературы:
1.    Большая энциклопедия природы. Т. 12: Камни и минералы. — М.: Мир книги, 2004. — С. 6—7.
2.    Воюцкий С.С. Курс коллоидной химии. — М.: Химия, 1976. — 512 с.
3.    Годовиков А.А., Рипинен О.И., Моторин С.Г. Агаты. — М.: Недра, 1987. — 368 с.
4.    Гильманшина С.И. Основы аналитической химии. — СПб.: Питер, 2006. — 224 с.
5.    Рубина Х.М., Добринская М.А., Романчук Л.А. Практикум по физической и коллоидной химии. — М.: Высшая школа, 1972. — 152 с.