«Химический сад»

На фото — завораживающий процесс реакции хлорида кобальта в водном растворе силиката натрия. Хлорид кобальта начинает растворяться в воде и образует нерастворимый силикат кобальта, который представляет из себя частично проницаемую мембрану. Поскольку ионная сила в растворе кобальта внутри мембраны выше, чем в окружающем растворе силиката натрия, под действием осмотических сил давление в мембране возрастает, и она лопается, освобождая новую порцию хлорида кобальта. Катионы кобальта вступают в реакцию с анионами силиката, образуя новую силикатную мембрану, и таким образом можно наблюдать, как в течение минут или часов вырастают целые сады из диковинных «растений».

«Химический сад» из хлорида кобальта

Эксперимент, который я сейчас описала, химики так и называют «химическим садом» (chemical garden), или «коллоидным садом», или «силикатным садом», и в нем на самом деле вместо хлорида кобальта можно использовать многие другие металлические соли или даже смеси солей — ведь от используемого металла зависит цвет полученных кристаллов. Хлорид кобальта дает пурпурный цвет, сульфаты никеля (II) и железа (II) — зеленый, сульфат меди (II) — голубой, хлорид железа (III) — оранжевый, хлорид кальция и сульфат цинка — белый. Но ими список не исчерпывается!

Более того, кристаллы могут расти в разных направлениях. Направление роста зависит от плотности жидкости внутри мембраны. При применении хлорида кобальта кристаллы растут вверх. А можно использовать очень плотную жидкость, например свежеприготовленный зеленый раствор трехвалентного сульфата хрома, который сперва превращается в фиолетовую смолянистую массу. Если эту массу аккуратно подвесить в растворе силиката натрия, то ветвеобразные кристаллы «прорастают» из нее вниз. Получается это оттого, что жидкость внутри мембраны слишком плотная, чтобы оставаться в плавучем положении и попросту тонет, разрывая мембрану снизу.

Обложка журнала Physics Today с результатом реакций «химического сада»

Реакции «химического сада» известны давно, впервые их описал немецкий химик Иоганн Рудольф Глаубер в 1646 году. Эти красивые цветные эксперименты могут показаться простым развлечением, однако такие опыты помогают нам понимать природу химических веществ. Сходные процессы происходят, например, в гидротермальных источниках срединно-океанических хребтов и при коррозии стальных поверхностей. На практике реакции «химического сада» используются, например, при изготовлении портландцемента — самого распространенного вида цемента. Поведение жидкостей, заключенных в мембраны, и самих химических мембран имеет важное прикладное значение и продолжает привлекать внимание физиков и химиков.

Фото — скриншот из видео от BeautifulChemistry.net, победившего в номинации «выбор экспертов» в конкурсе научной и технологической визуализации The Vizzies 2015.

Вероника Самоцкая