БИЛЬЯРДНЫЙ ШАР С ПРИЧЕСКОЙ
Доктор химических наук Г. БРАНИЦКИЙ, профессор, декан химического факультета Белорусского государственного университета.
Название заметки может показаться абсурдным и быть воспринято не более как шутка. В самом деле, мыслимо ли на неживом шаре вырастить волосы? Однако опыты с алюмосиликатными шариками, о которых рассказывается ниже, дают основание считать, и на бильярдных шарах удается сделать “прическу”. Кроме того, в колбе можно вырастить водоросли, сад или кусты с ветками и даже цветы, похожие на настоящие. Все они представляют собой изумительные по красоте и форме серебристые кристаллы амальгамы серебра: тонкие пластинки с притупленными вершинами; иглы, напоминающие сосульки или вермишель, по оси которых порой видны сквозные отверстия; многогранники, иногда с как бы оплавленными ребрами; дендриты, сходные с листьями папоротника.
Ветвистые кристаллы серебряной амальгамы, возникающие на поверхности ртути при ее взаимодействии с раствором азотнокислого серебра, были известны еще алхимикам. Именно они дали таким кристаллам поэтические названия: Древо Дианы, Древо философов. Под Дианой, в греческой мифологии богиней Луны, подразумевалось серебро.
Очень давно знали также о том, что и кристаллы многих других твердых веществ (металлов, оксидов, сульфидов, нитридов, асбеста, углерода и др.) способны существовать в виде игольчатых, нитевидных, ветвистых, проволочных, сетчатых и некоторых других форм. Они часто встречаются в природе, а к настоящему времени разработано множество методов их получения. Физиков, химиков и геологов интересует механизм роста кристаллов в природных условиях, а материаловедов — качественно новые, полезные для практики свойства нитевидных кристаллов. Прочность таких “усов”, или “вискеров”, в сотни и тысячи раз может превосходить прочность тех же веществ в обычном состоянии. Это обусловлено высоким совершенством внутренней структуры нитевидных кристаллов: в них практически нет дефектов, ослабленных мест, с которых начинается разрушение. Из “усов” изготавливают чувствительные датчики для измерения механических напряжений, сверхпрочные композитные материалы и покрытия.
Необычные формы кристаллов амальгамы серебра, формирующиеся из водного раствора его соли на поверхности ртути, пока не нашли применения. Однако не исключено, что методы их выращивания, основанные на удивительном свойстве ртути очень быстро ползти по проволоке, могут оказаться полезными для решения самых разных научных и прикладных задач. Всему свое время.
По стопам алхимиков
Вырастить кристаллы амальгамы серебра на поверхности ртути по методике, сходной с той, что использовали алхимики, совсем не трудно.
Опыт легко поставить в лабораторных условиях, но он требует соблюдения строгих мер предосторожности работы с ртутью, пары которой очень ядовиты. Поэтому в домашних условиях его проводить не рекомендуется, а в химическом кабинете он может быть выполнен, но только вместе с учителем.
В коническую плоскодонную колбочку (или стакан) емкостью 100—150 мл наливают ртуть слоем 2—3 мм так, чтобы она покрыла все или почти все дно. Ртуть предварительно фильтруют (в вытяжном шкафу!) для удаления механических примесей через бумажный фильтр с отверстием на конце конуса, проделанным иглой. Колбочку ставят на широкий железный противень или в кювету, чтобы нечаянно пролитую ртуть можно было собрать медной пластинкой или засыпать порошком серы и таким образом обезвредить. В колбочку почти до верха наливают 2—8%-ный раствор нитрата серебра, а чтобы ртуть не испарялась, колбочку закрывают пробкой, залив ее парафином. За процессами образования и роста кристаллов амальгамы серебра можно проследить визуально, а разбираться в деталях придется с помощью лупы или микроскопа при небольшом увеличении.
Буквально через несколько минут после начала опыта на поверхности ртути появляются пушинки — зародыши кристаллов. Из них начинают расти сплетенные друг с другом веточки в виде листьев папоротника и тонких иголочек с притупленными или расщепленными концами. На расщепленной вершине иногда появляется множество новых игл, которые растут в разные стороны, образуя цветы, напоминающие гвоздики. Завораживающий своей красотой сад с цветами и кустами высотой до 2—3 см вырастает за 6—8 часов. Благодаря бактерицидным свойствам ионов серебра и ртути раствор долго остается прозрачным, и, если сосуд не трогать, кристаллическим садом можно любоваться в течение многих дней. Кристаллы хрупки и при малейшем сотрясении ломаются, но, если в сосуд прилить немного раствора нитрата серебра, они словно оживают и вырастают вновь. Разнообразие форм кристаллов указывает, что в растворе протекает сразу несколько конкурирующих реакций. Отдельными стадиями этого процесса могут быть следующие:
1. Адсорбция (осаждение) ионов серебра из раствора на поверхности ртути.
2. Восстановление ионов серебра ртутью с образованием серебра: 2АgNO3 + Hg = =2Ag + Hg(NO3)2.
3. Диффузия образовавшихся ионов ртути в раствор (нитрат ртути хорошо растворим в воде).
4. Взаимодействие восстановленного серебра с ртутью, приводящее к образованию зародышей кристаллов амальгамы серебра.
5. Рост кристаллов амальгамы серебра.
Вроде бы, все понятно. Но не совсем: нет ответа на главный вопрос — почему в условиях опыта образуются именно кристаллы, а не порошок или бесформенная масса твердого продукта реакции?
Казалось бы, на поверхности ртути должна возникнуть равномерная пленка амальгамы, которая быстро изолирует ртуть от раствора и реакцию прекратит. Однако этого не наблюдается: образуется не пленка, а кристаллы, рост которых возобновляется с новой силой, как только в сосуд приливают порцию свежего раствора нитрата серебра. Это дает основание считать, что на разных участках чистой поверхности ртути химические реакции протекают почему-то с различной скоростью. Возникают неодинаковые условия для формирования и роста кристаллов амальгамы. Можно допустить, что сразу возникают все-таки частицы серебра, которые сперва смачиваются ртутью, а уже затем взаимодействуют с нею, образуя кристаллы. В пользу такого предположения говорит то, что на поверхности растущих кристаллов всегда присутствует хорошо видная даже невооружен ным глазом тонкая пленка ртути. Она как бы “поджидает” приток ионов серебра из раствора, чтобы их восстановить, смочить образующиеся частицы серебра и продолжить рост кристаллов амальгамы.
Кристаллический сад
Следовало ожидать, что если в сосуд с ртутью и раствором нитрата серебра поместить проволоку из серебра или другого хорошо смачиваемого ею металла (золота, платины), то поднимающаяся по проволоке ртуть станет источником образования кристаллов амальгамы, формирующих “дерево”. Это предположение получило экспериментальное подтверждение.
Для опытов были взяты проволоки из серебра диаметром 0,5 мм и из золота диаметром 0,3 мм. Перед началом опытов проволоку чистили мокрым мелом для удаления поверхностных загрязнений. На конце проволоки делали петельку длиной 5—10 мм, чтобы обеспечить хороший контакт с ртутью.
Без раствора соли серебра в сосуде ртуть поднималась по проволоке примерно на сантиметр за 10 часов. Но в растворе соли серебра 5—8%-ной концентрации скорость движения ртути резко увеличилась. На конце проволоки, полностью погруженной в раствор, ртуть собиралась в капельку, а на остальной ее части растекалась неравномерной пленкой. Как ни странно, но пленка оказалась толще не только в самой нижней части проволоки, но и в ее самой верхней части. Это весьма существенно отражается на начинающемся спустя 1—3 минуты росте кристаллов амальгамы. Вначале они формируются почти одновременно на чистой поверхности ртути, на границе ртуть—проволока и на самом верхнем конце проволоки, и уже только после этого — на средней ее части. На поверхности всех кристаллов опять-таки была хорошо видна тонкая пленка ртути.
Выращенное кристаллическое “дерево” по форме сходно с елью: на проволоке растут сучки из коротких (от 3 до 10 мм) игл, вверху — крона из длинных (до 4—6 см) игл, расходящихся в разные стороны. Кора и сучки (иглы-коротышки) прочно связаны со стволом (см. фото на 4-й стр. обложки).
Чтобы одновременно выросла целая “роща” в стеклянной трубочке — подставке диаметром 2—3 см и высотой 3—4 см, нужно закрепить несколько проволок. В нижней и верхней частях трубки шилом при нагревании проделывают отверстия, через которые протягивают проволоки разной длины. Внизу оставляют хвосты по 5 мм для контакта с ртутью.
При небольших (0,5%) концентрациях раствора “деревья” растут независимо друг от друга. При больших концентрациях (4% и более) кристаллы-сосульки растут прямо на глазах, быстрее всего внутри трубочки. Постепенно они разрастаются в стороны и вверх до поверхности раствора, за 5—7 часов формируя “дерево”. Если теперь в сосуд вместо раствора соли серебра прилить воды, можно увидеть, что все кристаллы в верхней части проволок аккуратно срезаны по одной линии, и заставить их расти вверх уже не удастся.
Если проволоку длиной 6—8 см изогнуть дугой и оба конца вставить в ртуть, то образование кристаллов амальгамы в растворе нитрата серебра начинается не в месте контакта проволоки с ртутью, а в верхней точке дуги, где скапливается ползущая по проволоке ртуть.
Подвижности ртути практически не препятствует толстый (2—3 мм) слой краски или клея длиной до 4 см, нанесенный на среднюю часть серебряной проволоки. Ниже краски растут иглы, выше — ажурное переплетение из мелких частиц, которые обволакивают проволоку, подобно рою пчел. Во всех случаях ртуть ползет не по слою краски, а под ним, что может быть следствием ее высокой растворимости в серебре.
Интересный факт: скорость образования кристаллов резко уменьшается при добавлении в раствор нитрата серебра небольших (до 1%) количеств этилового спирта. При 40%-ном содержании спирта в растворе кристаллы амальгамы практически не возникают. Этот результат примечателен в следующем отношении. Известно, что в человеческом организме могут образовываться игольчатые кристаллы оксалатов, уратов и других веществ. Если предположить, что их рост протекает по сценарию, мало-мальски сходному с механизмом образования кристаллов амальгамы, можно допустить, что алкоголь не так уж вреден для человека.
Шары с прической
Опыты с шариками шли в той же последовательности, что и с проволоками. Один конец проволоки имел контакт с ртутью, на другом, на высоте от 4 до 8 см, над нею прочно закреплялся петлей алюмосиликатный шарик диаметром около 5 мм. После приливания в стакан раствора соли серебра можно было при небольшом увеличении (от 2 до 10 раз) увидеть, как ртуть быстро поднимается по проволоке и в виде капелек собирается на поверхности шарика.
За 8—10 часов шарик на серебряной проволоке обрастает тонкими пластиночками длиной 3—4 см, приобретая сходство с репеем. За это же время на поверхности шариков на золотой проволоке вырастают друзы из округлых кристаллов.
В обоих случаях кристаллы вырастают крупнее на поверхности шариков и на участках проволок, к ним примыкающих, но не вблизи их контакта с ртутью на дне сосуда. Это позволяет говорить о том, что шарик играет роль своеобразного насоса, который откачивает ртуть со дна сосуда и создает условия для роста кристаллов на своей поверхности.
Как оказалось, такой “насос” способен эффективно работать и в том случае, когда часть проволоки находится в воздухе. В одном из опытов ртуть находилась в одном стакане, раствор AgNO3 — в другом. В стакан с ртутью был дополнительно налит 8%-ный раствор KNO3. Из него же в трубочке был сделан соляной мостик, связывающий оба стакана. Серебряная проволока одним концом была опущена в стакан с ртутью и раствором KNO3, а другим, с закрепленным на нем шариком, погружена в 6%-ный раствор AgNO3.
Ионы серебра перемещались по соляному мостику из одного стакана (2) в другой (1), где они восстанавлива лись ртутью. Кроме того, электроны, образующиеся в стакане 1 при окислении ртути (Hg = Hg2+ + 2e-) ионами серебра, имели возможность двигаться по проволоке в стакан 2 с раствором AgNO3. В стакане 1 следовало ожидать образования кристаллов амальгамы на поверхности ртути и на проволоке, а в стакане 2 — металлического серебра. Так оно и было. В стакане 1 через 12 часов сформировались ветвистые кристаллы и иглы амальгамы, в стакане 2 — на шарике и на дне образовалось серебро в виде черного осадка. Но это не все: по проволоке в стакан 2 двигалась и ртуть, воздух не препятство вал этому движению. На проволоке, опоясывающей шарик, сформировалось облако из очень мелких кристалликов, прочно сцепленных друг с другом тончайшими перемычками. Там, где проволока входила в раствор, образовалась тонкая пластинка из амальгамы площадью более 1 см2, похожая на детский рисунок Солнца: почти правильный круг с извилистыми лучами. Как и прежде, пленка ртути на поверхности растущих кристаллов была разной толщины. Это привело к различию в скорости роста кристаллов, в их размерах, форме и, что весьма существенно, в химическом составе. Длинные иглы из тонких пластиночек оказались монокристаллами соединения Ag2Hg3, кристаллы-сосульки на поверхности ртути — AgHg с переменным содержанием серебра от 12 до 40%. Причины разнообразия состава кристаллов амальгамы кроются в сложном химическом равновесии между ртутью и ее ионами Hg2+ и Hg22+ в растворах.
Подобные процессы и в лабораторных условиях, и в природе приводят к образованию так называемых фрактальных структур, которые стали предметом изучения химиков, физиков, биологов, математиков. Им удалось выявить ряд общих принципов, которыми можно воспользоваться и для целенаправленного создания фракталов.
Уникальное свойство ртути — быть очень подвижной в водном растворе нитрата серебра — требует детального изучения. Пока можно только предположить, что этой подвижности способствует энергия, выделяющаяся при протекании химических реакций на поверхности хорошо смачиваемых материалов.
Проделанные опыты служат убедительным аргументом в пользу реальной возможности выращивания “волос” на бильярдных шарах. И не только на шарах, но и на других твердых материалах, например кораллах. А для чего это нужно — придумайте сами.
Читайте в любое время
