Кольца Лизеганга

Характерные черты агатов — концентрические кольца

Кольца Лизеганга (также слои Лизеганга, общее название структуры 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).

История

Рафаэль Эдуард Лизеганг

Концентрические структуры впервые были получены в 1896 году немецким химиком Р. Лизегангом. Работая в химической лаборатории фотофабрики, принадлежавшей отцу, он обнаружил, что капля раствора нитрата серебра AgNO₃ на фотопластинке, покрытой слоем желатина, который содержит хромпик К₂Сr₂О₇, образуются агрегаты мелких кристаллов Ag₂Cr₂O₇ в виде концентрических колец, напоминающих годичные кольца на спиле дерева. Лизеганг увлекся этим явлением и почти полвека занимался его исследованием.

Сам Р. Лизеганг, знакомый с первыми работами по изучению колебательных реакций Ф. Рунге, первоначально склонялся к натурфилософскому объяснению полученного им периодического процесса.

Возможный физический механизм, объясняющий образование структур Лизеганга, был впервые предложен одним из основателей физической химии В. Оствальдом в 1897 году. Объяснение, данное Оствальдом, базировалось на понятии о метастабильном состоянии и явлении оствальдовского созревания, открытом им годом ранее. Оствальд предположил, что у Лизеганга образовывался пересыщенный раствор бихромата серебра, находящийся в метастабильном состоянии. Дальнейшая диффузия реагентов вызывала образование осадка и перевод системы в лабильное состояние. Дальнейшее взаимодействие бихромата калия и нитрата серебра переводило её снова в метастабильное состояние и т. д.

В 1905 году Лизеганг отверг модель Оствальда, получив новые эмпирические факты. Однако впоследствии, проведя новые эксперименты, он стал её ревностным сторонником.

Получение

Слои Лизеганга в пробирках

Структуры Лизеганга обычно получают при диффузии одного из исходных веществ через гель, содержащий другое вещество, способное образовывать с первым 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;
• MnSO₄ + 2NH₄OH → Mn(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 определённых условиях в газовой среде при взаимодействии аммиака и хлороводорода. Образование колец возможно и в твёрдых телах: так, полосы из серебра были получены путём 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, разделённых свободными от осадка промежутками (см. илл.).

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 внесённого вещества, оставляя позади себя чётко разделённые кольца осадка. Также возможно образование более сложных структур: таких, как спиральные структуры и «кольца Сатурна» (в пробирке) и дислокации колец (в чашке Петри).

Природа явления

Основная статья: Периодические коллоидные структуры

Слои и кольца Лизеганга относятся к периодическим коллоидным структурам, которые, по-видимому, были первым примером изученных самоорганизованных структур. По важнейшим признакам кольца Лизеганга имеют значительное сходство с кольцевыми структурами, возникающими вследствие автоволновых процессов, приводящими к возникновению самоорганизованных структур с различным масштабом упорядочения (нано-, мезо-, микро- и макроуровень).

Природные объекты

С образованием слоев Лизеганга связывают послойную окраску минералов (агата, яшмы). Лизеганг сделал немало важных наблюдений над агатами, опубликовал книгу о них и большую серию статей и разработал собственную теорию (1915). По его мнению, агаты образовались не из растворов, а из гелей кремнезёма, которые заполнили агатовые камеры и затем «созревали» в них — разделялись на концентрические слои и кристаллизовались, превращаясь в халцедон.

Очень похожие образования возникают в слоистой структуре тонкопористых пород при процессах выветривания. Таковы, например, ритмические кольца, полосы, гиперболы, окрашенные бурыми гидроксидами железа, в известняках, мелкозернистых песчаниках и других породах.

Полосато-слоистую структуру имеют конкременты в органах животных и человека, некоторые биологические ткани, например поперечнополосатые мышцы.

• 

  Голубой агат

• 

  Кольца Лизеганга на скалах Бретани

• 

  Кольца Лизеганга в песчанике

• 

  Песчаники в штате Юта (США)

Применение

Открытое Лизегангом явление нашло практическое применение при изучении различных процессов в физике и химии, в прикладном искусстве, для украшения различных изделий с имитацией яшмы, малахита, агата и др. Лизеганг также предложил технологию изготовления искусственного жемчуга.

Литература

• Лурье А. А. К теории колец Лизеганга // Коллоидный журнал. — 1966. — Т. 28. № 4.1. — C. 534-537.
• Зимон А. Д., Лещенко Н. Ф. Коллоидная химия. — 3-е изд. — М.: Изд-во «Агар», 2001.
• Скоробогатов Г. А., Каменский А. В. Механизм пространственно-периодичных реакций (колец Лизеганга) // Вестник Санкт-Петербургского университета. Сер. 4: Физика. Химия. Вып. 1. — 2005. — С. 109-111.
• Скоробогатов Г. А., Каменский А. В. Механизм периодического осадкообразования // Вестник Санкт-Петербургского университета. Сер. 4: Физика. Химия. Вып. 1. — 2006. — С. 55-75.

Ссылки

• Сумм Б. Д., Иванова Н. И. Объекты и методы коллоидной химии в нанохимии // Успехи химии, 69, 995 (2000).
• Полежаев А. А. Теория структур Лизеганга // «Математика. Компьютер. Образование». Сб. трудов X международной конференции. Под общей редакцией Г. Ю. Ризниченко. Ижевск: Научно-издательский центр «Регулярная и хаотическая динамика», 2003. Том 2. Стр. 307—319.
• Самоорганизация в природе (фото)
• Кирилл Власов. Структуры Лизеганга в осадочных породах // Элементы.ру. 07.09.2021.