Химический сад - Chemical garden

Сравнение химических садов, выращенных учеными НАСА на Международной космической станции (слева) и на земле (справа)
Химический сад при выращивании
Хлорид кобальта (II)
Химический сад

А химический сад представляет собой набор сложных биологически выглядящих структур, созданных путем смешивания неорганических химикатов. Химическое озеленение это эксперимент в химия обычно выполняется путем добавления металл соли, такие как сульфат меди или же хлорид кобальта (II), к водному раствору силикат натрия (иначе известный как жидкое стекло). Это приводит к росту растений, похожих на формы, от нескольких минут до часов.[1][2][3][4]

Химический сад был впервые обнаружен и описан Иоганн Рудольф Глаубер в 1646 г.[5] В первоначальном виде химический сад предполагал внедрение хлорид железа (FeCl2) кристаллов в раствор силикат калия (K2SiO3).

Процесс

Химический сад полагается на большинство переходный металл силикаты нерастворимы в воде и окрашены.

Когда соль металла, такая как хлорид кобальта, добавлен к раствору силиката натрия, он начнет растворяться. Затем он образует нерастворимый силикат кобальта в результате реакции двойного замещения (метатезис анионов ). Этот силикат кобальта представляет собой полупроницаемый мембрана. Поскольку ионная сила раствора кобальта внутри мембраны выше, чем раствора силиката натрия, который составляет основную часть содержимого резервуара, осмотический эффекты увеличивают давление внутри мембраны. Это приведет к разрыву мембраны с образованием дыры. Катионы кобальта будут реагировать с силикатными анионами на этом разрыве с образованием нового твердого вещества. Так в резервуарах будут образовываться наросты; они будут окрашены (в зависимости от аниона металла) и могут иметь вид растительных структур. В кристаллы образовавшиеся в результате этого эксперимента будут расти вверх, так как давление на дне резервуара выше, чем давление ближе к вершине резервуара, поэтому кристаллы будут расти вверх.

Направление роста вверх зависит от плотности жидкости внутри полупроницаемой мембраны «растения», которая ниже, чем у окружающего раствора жидкого стекла. Если использовать соль металла, которая образует очень плотную жидкость внутри мембраны, рост идет вниз. Например, зеленый раствор сульфата или хлорида трехвалентного хрома отказывается кристаллизоваться, не переходя медленно в фиолетовую форму.[требуется разъяснение ], даже если варить до тех пор, пока он не превратится в густую массу. Эта смола, если ее суспендировать в растворе жидкого стекла, образует нисходящие веточки. Это связано с тем, что вся жидкость внутри мембраны слишком плотная, чтобы плавать, и поэтому оказывает восходящее давление.[противоречивый ]. Концентрация силиката натрия становится важной для скорости роста.

После прекращения роста раствор силиката натрия можно удалить путем непрерывного добавления воды с очень низкой скоростью. Это продлевает жизнь саду.[6]

В одном конкретном экспериментальном варианте исследователи создали химический сад в пробирках.[7]

Используемые соли

Общие соли, используемые в химическом саду, включают:

Практическое использование

Хотя поначалу химический сад может показаться в первую очередь игрушкой, в этом направлении была проделана серьезная работа.[8] Например, эта химия связана с настройкой портландцемент, формирование гидротермальные источники, а во время коррозия стальных поверхностей, на которых могут образовываться нерастворимые трубки.

Природа роста нерастворимых силикатных трубок, образованных в химических садах, также полезна для понимания классов связанного поведения, наблюдаемого в жидкостях, разделенных мембранами. По-разному рост силикатных трубок напоминает рост шипов или капель льда, выдавленных над замерзающей поверхностью неподвижной воды.[9] закономерности роста высыхающей жевательной резинки, капающей из ран на деревьях, таких как Эвкалипт и то, как расплавленный воск образует наросты, похожие на веточки, которые либо капают из свечи, либо всплывают в прохладной воде.[нужна цитата ]

Палеонтология

При хороших условиях химические сады могут встречаться и в природе. Есть свидетельства от палеонтология, что такие химические сады могут окаменеть. Такой псевдокаменелости бывает очень трудно отличить от окаменелых организмов. В самом деле, некоторые из самых ранних предполагаемых окаменелостей жизни могут быть окаменелыми химическими садами.[10]

Смешивание частиц, богатых железом, с щелочными жидкостями, содержащими химические силикаты или карбонаты, позволило создать структуры, похожие на биологическое. Такие структуры могут казаться биологическими и / или окаменелости.[11][12][13] По словам исследователей, «подобные химические реакции изучались в течение сотен лет, но ранее не было показано, что они имитируют эти крошечные богатые железом структуры внутри горных пород. Эти результаты требуют пересмотра многих древних примеров из реального мира. посмотрите, скорее всего, это окаменелости или небиологические минеральные отложения ».[11][12]

Одно из применений исследования химического садоводства - это способность лучше различать биологические структуры, в том числе окаменелости, из небиологических структур на планете Марс.[11][12]

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ Баржа, Лаура М .; Cardoso, Silvana S. S .; Картрайт, Джулиан Х. Э .; Купер, Джеффри Дж. Т .; Кронен, Лерой; Де Вит, Энн; Doloboff, Ivria J .; Эскрибано, Бруно; Гольдштейн, Раймонд Э. (26 августа 2015 г.). «От химических садов к хемобрионике». Химические обзоры. 115 (16): 8652–8703. Дои:10.1021 / acs.chemrev.5b00014. ISSN  0009-2665. PMID  26176351.
  2. ^ Balköse, D .; Özkan, F .; Köktürk, U .; Ulutan, S .; Ülkü, S .; Нишли, Г. (2002). «Характеристика полых химических садовых волокон из металлических солей и жидкого стекла» (PDF). Журнал золь-гель науки и технологий. 23 (3): 253. Дои:10.1023 / А: 1013931116107. HDL:11147/4652. S2CID  54973427.
  3. ^ Картрайт, Дж; Гарсиа-Руис, Хуан Мануэль; Новелла, Мария Луиза; Оталора, Фермин (2002). «Формирование химического сада». Журнал коллоидной и интерфейсной науки. 256 (2): 351. Bibcode:2002JCIS..256..351C. CiteSeerX  10.1.1.7.7604. Дои:10.1006 / jcis.2002.8620.
  4. ^ Thouvenel-Romans, S; Стейнбок, О. (апрель 2003 г.). «Колебательный рост кварцевых трубок в химических садах» (PDF). Журнал Американского химического общества. 125 (14): 4338–41. Дои:10.1021 / ja0298343. ISSN  0002-7863. PMID  12670257. Архивировано из оригинал (PDF) 11 августа 2017 г.. Получено 23 мая 2009.
  5. ^ Глаубер, Иоганн Рудольф (1646). «LXXXV. Wie man in diesem Liquore von allen Metallen in wenig Stunden Bäume mit Farben soll wachsen machen. (Как можно заставить вырасти - в этом растворе из всех металлов за несколько часов - цветные деревья)». Furni Novi Philosophici (Немецкоязычное издание 1661 г.). Амстердам: Йохан Янссон. С. 186–189.
  6. ^ Хельменстин, Энн Мари (16 марта 2019 г.). «Волшебные камни». thinkco.com. В архиве из оригинала 16 мая 2020 г.. Получено 16 мая 2020.
  7. ^ Glaab, F .; Kellermeier, M .; Kunz, W .; Morallon, E .; Гарсия-Руис, Дж. М. (2012). «Формирование и эволюция химических градиентов и возможных различий между самоорганизующимися неорганическими мембранами». Энгью. Chem. Int. Эд. 51 (18): 4317–4321. Дои:10.1002 / anie.201107754. PMID  22431259.
  8. ^ Джулиан Х. Э. Картрайт, Хуан Мануэль Гарсиа-Руис, Мария Луиза Новелла и Фермин Оталора, J. Colloid Interface Sci. 2002, 256, 351–359. «Архивная копия». Архивировано из оригинал 11 марта 2007 г.. Получено 5 февраля 2006.CS1 maint: заархивированная копия как заголовок (связь)
  9. ^ Картер, Джеймс Р. «Ледяные образования с суточными (суточными) циклами замораживания / оттаивания». Государственный университет Иллинойса. Получено 14 ноября 2020.
  10. ^ МакМахон, Шон (2020). «Самые ранние и самые глубокие предполагаемые окаменелости на Земле могут быть химическими садами, минерализованными железом». Proc. R. Soc. B. 286 (1916). Дои:10.1098 / rspb.2019.2410. ЧВК  6939263. PMID  31771469.
  11. ^ а б c Эдинбургский университет (27 ноября 2019 г.). «Раскрытие загадки окаменелостей может помочь в поисках древней жизни на Марсе». EurekAlert!. Получено 27 ноября 2019.
  12. ^ а б c МакМахон, Шон (27 ноября 2019 г.). «Самые ранние и самые глубокие предполагаемые окаменелости на Земле могут быть химическими садами, минерализованными железом». Труды Королевского общества B. Дои:10.1098 / rspb.2019.2410. Получено 27 ноября 2019.
  13. ^ Стейнбок, Оливер; и другие. (1 марта 2019 г.). «Плодородная физика химических садов». физика сегодня. 69 (3): 44. Дои:10.1063 / PT.3.3108. Получено 27 ноября 2019.

внешняя ссылка