Pętle Lieseganga: Lab z periodycznym przypadelem

Układ: Front Rozpylającego Się Spotyka Partnera Czeka

Załóżmy, że mały szklany rurka jest wypełniona przezroczystym glem, do którego została rozpuszczona jednorodna koncentracja jednego reaktanta, nazwijmy go elektrolitem wewnętrznym. Glei są idealnym materiałem dla tego eksperymentu, ponieważ zastępują one ruchy konwekcyjne, które by inaczej podrywały roztwór i zniszczały ciepłe wzory przestrzenne, jednocześnie pozwalając na wolny rozpylacz elektryków przez wodowe pory w sieci glei. Na jednym końcu rurki koncentrowany roztwór drugiego reaktanta, elektrolitu zewnętrznego, jest wprowadzony i pozwolony na rozpylanie w głąb. Gdziekolwiek ze spotkania elektrolitu zewnętrznego z elektrolitem wewnętrznym pod odpowiednią koncentracją, te dwie substancje reagują, tworząc produkt, który jest nierezolvowalny we wodzie, co oznacza, że chce opuścić roztwór i stać się sól precipitatu. Jeśli byłoby to zwykłe dobrze podrywane butelkowate naczynie, reakcja powodowałaby po prostu jednorodne mroźne rozpuszczalnictwo wszędzie tam, gdzie dwie substancje reaktantowe zbiegłyby się. Ale w cichej glei, w której reaktanty dotarły tylko przez wolny proces rozpylaczności, historia rozwija się znacznie inaczej. Front rozpylającego się nie depozituje ciągle precipitatu podczas swojej postępu. Zamiast tego tworzy on pierwszą pasmę, a następnie przemieszcza się dalej przez zasięg bez widocznych precipitatów, potem tworzy drugą pasmę dalej, a następnie kolejny zasięg bez precipitatów, a potem trzecią pasmę, i tak dalej. Liesegang obserwował pierwotnie dziesiątki takich pętli w jednym naczyniu, a ten sam fenomen został odnowiony od nowa z wieloma innymi parami chemicznymi, w tym chromat dwa jodu, plumbu iodu, kobaltu hydroksuolu i mnóstwo innych. Ogólny wzór elektryku rozpylającego się spotykającego ze stałą jednolitym medium zablokowującym rozpylaczność jest teraz zrozumiały jako wystarczający, na własną rękę, do wygenerowania tego zachowania pasem across ogromnym zakresie chemii.

Solubilitet Przeciwko Nukleacji: Dwie Różne Granice

Serce mekanizmu polega na rozróżnieniu, które jest łatwo zasugerować, ale trudno ocenić: koncentracja potrzebna do utrzymania istniejącego krystalu lub cząsteczki w stanie wzrostu znacznie niższa jest od koncentracji potrzebnej do samonadzwórcowego tworzenia nowej, nieistniejącej cząsteczki. To jest jądro teorii Ostwarta o nadzakwaszeniu. Prosta solubilitet, liczba z podręcznika szkolnego, która znajdziesz w tabeli odwołań, mówi ci koncentrację, przy której rozwiązanie jest dokładnie zazszerstwione względem danego ciała stałego, co oznacza, że powierzchnia istniejącego krystalu ani się nie rozwija, ani się nie rozpuszcza w równowadze. Podnoszenie koncentracji tylko nieco nad granicę solubilitetową spowoduje, że już obecne cząsteczki będą radośnie kontynuować wzrost, ponieważ dodanie kilku więcej ionów do istniejącego krystalu kosztuje stosunkowo małą ilość energii. Ale tworzenie całkowicie nowej cząsteczki z jasnego, bezcząsteczkowego rozwiązania to zupełnie inny fizyczny proces. Wymaga to małej grupki ionów do ze sobą połączenia i przetrwania wystarczająco długo, aby stać się stabilnym nukleusem, a ta fazę nukleacji musi zastąpić barierę energetyczną związującą się z tworzeniem nowej powierzchni stałego ciała tam, gdzie nie było jej przedtem, bariera opisana przez klasyczne teorie nukleacji. Przekroczenie tej bariery w znaczącym tempie wymaga koncentracji wyższej niż prosta granica solubilitetowa, często kilkakrotnie wyższej, granicę tę nazywamy czasem nadsolubilitetą lub koncentracją nukleacji. Pośród granicy solubilitetowej i nadsolubilitetowej leży metastała: rozwiązanie może tam siedzieć indywidualnie, nadzakwaszone, ale zdecydowanie jasne, ponieważ nie ma jeszcze cząsteczek do wzrostu ani niczego, co spowodowałoby powstanie nowych. To właśnie ta metastała, a zdolność reaktantów do dalej akumulowania się w niej, ustala scenę dla dyskretnego, skokowego wzoru tworzenia pętli zamiast płynnej kontynuowanej depresji.

Pętla odwrotnościowe: Budowanie, Wyzwaniawanie, Zdeplecianie, Powtarzanie

Zasada dwóch prógów ujawnia, że cykl tworzący pętle staje się prostej sekwencją lokalnych zdarzeń powtarzających się raz za razem, gdy front rozprzestrzeniania się porusza. Po pierwsze, przed najnowszą formującą się pasmem, rozprzestrzeniły się jony elektrolitu zewnętrznego podnoszą localną koncentrację i, ponieważ w tej nieodwiedzonej dziedzinie nadal nie ma jeszcze cząsteczek przypadek, iloczyn koncentracji obu reagentów może wzrosnąć ponad normę rozpuszczalności bez niczego się zdarzając, tylko akumulując się w zasięgu metastaabilnym. Po drugie, po tym, jak localna koncentracja nareszcie przekroczy znacznie wyższy próg formowania się nowych cząsteczek, nagle tworzą się nowe cząsteczki przypadek w szerokim pasmie pozycji, gdzie próg został przekroczony prawie jednocześnie. Po trzecie, i to jest kluczowy krok zdepleciania, te niedawno formujące się cząsteczki natychmiast zaczynają zużywać dostępne jony reagentów w ich bezpośrednim otoczeniu podczas rozrostu, przyciągając localną koncentrację ponizej nawet normę rozpuszczalności w krótkim odległości i czasie. Ponieważ transport rozprzestrzeniania się jest porównywalnie wolny, zdepleczone dziedziny bezpośrednio za i wokół nowego pasma nie mogą być szybko ponownie zapewnione jonami, aby wyzwaniawać dalsze formowanie się przypadek, więc obszar spadka, bez przypadek, pozostaje cichy, mimo że reagent jest technicznie nadal obecny w niskiej koncentracji. Po czwarte, front rozprzestrzeniania się, po tym jak poddał się części swoich jonów nowemu pasmowi, musi teraz poruszyć się dalej na zewnątrz, budując ponownie localną koncentrację z niższego punktu wyjścia, zanim może ponownie przekroczyć próg formowania się w nowym, bardziej oddalonym położeniu. Ten cykl budowanie-wyzwania-zdeplecianie-powtarzanie jest prawdziwą pętlą odwrotnościową między trzema związanymi procesami: transportem rozprzestrzeniania się, akumulacją nadpobudzenia, a deplecjonacją wywołaną reakcją i jest całkowicie wystarczający do generowania regularnie powtarzających się dyskretnych pasm bez potrzeby wewnętrznej okresowości.

Dlaczego pętle oddalają się: prawa przestrzennego i czasowego rozkazu

Oznaką charakterystyczną prawdziwych wzorów Lieseganga, który możesz bezpośrednio powtórzyć w tym symulatorze, jest to, że pętle nie są równomiernie odstępowane jak strzepy na rullercie. Zamiast tego każdy kolejny przestrzeni tendencji do bycia szerzej niż poprzedni, a same pętle zazwyczaj leżą w położeniach, które skalują się prawie proporcjonalnie z pierwiastkiem kwadratowym czasu, co jest zgodne z ogólnym zachowaniem procesów kontrolowanych rozprzestrzenianiem. Empirycznie, stosunek odległości n-tego bandu od źródła do odległości poprzedniego bandu, często nazywany współczynnikiem przestrzennym, tendencji do ustąpić w kierunku wartości prawie stałej większej niż jeden podczas rozwoju wzoru, co jest regularnością znanej jako prawa Jhaveri-Sharma lub, w najprostszej formie, prawo czasowe łączące położenie bandy z pierwiastkiem kwadratowym czasu. Intuicyjnie, to dzieje się dlatego, że im dalejszy jest przód od źródła, tym większa odległość musi pokryć reaktyw rozprzestrzeniający się, przechodząc przez coraz bardziej deplegowany i rozszerzony kolumnę gazu, co sprawia, że trwa ono proporcjonalnie dłużej i pokrywa proporcjonalnie więcej nowego terenu, aby zbudować niezbędne nadwyskość dla kolejnego zjawiska nukleacji. Istnieje również towarzysząca regularność w tym, jak szerokość i gęstość każdego bandu zmienia się z odległością, ogólnie opisana przez prawo Matalon-Packter, które łączy szerokość bandy z początkowymi koncentracjami dwóch reaktyw. Niektóre z tych kwantowych praw nie były wprowadzane jako założenia w podstawowej mekanizmie. Wydzielają się one jako konsekwencje tego samego trzech etapowego pętli sprzężonej, czyli rozprzestrzeniania się, przekroczenia próg i deplecji, co jest jednym z powodów, dla których powtarzalność tych wzorów przestrzennych na całkowicie różnej chemicznych systemach była historycznie traktowana jako silne dowód w sprawie wyjaśnienia nadwyskości-nukleacji nad rivalnymi teorią.

Poza Testowym Flaszką: Gdzie Inne Przykłady Ten Pattemu Występują

Choć pętle Lieseganga były pierwszymi dokumentowanymi przypadkami zjawiska jako laborkowa kuriatura w naczyniach jelatynowych, ta sama podstawowa mecha-zmiany-dostarczania-materiału odgrywa rolę w szerokim spektrum naturalnych sytuacji. Studium kontrolowanego laboratoriowego przypadku pomaga geolodkom i inżynierom materiałom interpretować te rzeczywiste wzory. Wiele formacjów minerałowych z biegunowymi warstwami, w tym agaty z ich warstwami kolorowych, pewne sandstone z biegunowymi warstwami oraz wzory oksidu jodu znane jako pętle Lieseganga w geologii sedimentarnych, teraz jest zrozumiane jako geologiczne analogie tego samego laborkowego zjawiska, utworzone po długotrwałej przestrzennym procesie rozszerzenia się minerałowych płynów przez porowate skały. Ponieważ formacja naturalna skał może trwać tysiące lub miliony lat, a nie godziny czy dni jak w doświadczeniu z jelatyną, geolodkowie nie mogą obserwować bezpośrednio powstania tych wzorów, co czyni symulacje komputerowe i laboratoryjne takie jak to wartościowe narzędzia do wnioskowania o prędkości rozszerzania się, koncentracji substancji reakcyjnych oraz skalach czasowych, które musiały być obecne podziemnie. Ten sam typ zacisku sprzężonego wzmacniania, spowodowany wolnym procesem transportu dostarczającego szybkie lokalne reakcje, które depletywują swoje własne paliwo, występuje również w pewnych kontekstach biologicznego wzmacniania i w niektórych procesach korozji oraz cristalizacji w inżynierii materiałowej, gdzie system reakcji-dostarczania-materiału pokazuje kombinację zbudowanej zasoby i ostrego, samogranicznego próg wyzwania. Poza praktycznymi zastosowaniami, zjawisko pozostaje ulubionym przykładem pedagogicznym w chemii i naukach o skomplikowanych systemach dzięki temu, że tak widocznie i prosto pokazuje, jak spontaniczna porządkowość przestrzenna może wywodzić się z systemu bez pamięci pozycyjnej ani wbudowanego szablonu wzoru, używając tylko lokalnych zasad stosowanych ponownie, gdy front przemieszcza się po przestrzeni.

Często zadawane pytania

Wypróbuj na żywo

Wszystko powyżej działa bezpośrednio w Twojej przeglądarce — otwórz Liesegang Rings: Periodic Precipitation Lab i zmieniaj parametry podczas działania. Nic nie jest instalowane ani przesyłane na serwer, cały model działa w jednej karcie.