Loading

KEMIJSKI SILIKATNI VRT

Za početak pohvala svima jer ste pročitali članak koji smo priložili u materijalima za vježbe. Kao odgovor na zadnje pitanje većina vas je navela/citirala objašnjenje iz članka, što je posve u redu, no bilo je dosta šarolikih odgovora na pitanje zašto je rast cjevčica usmjeren prema gore. Cilj ove kratke prezentacije je odgovoriti na to pitanje.

Osim članka, dobili ste i sliku silikatnih vrtova koje je napravila generacija prije vas. Ono što je bitno napomenuti jest da se naši silikatni vrtovi razlikuju od onih opisanih u članku u smislu korištenih kemikalija i razrjeđenja. U članku je korišteno komercijalno vodeno staklo od Kemoplastike, koje je upitne čistoće i koristi se u građevini kao dodatak pri šamotiranju, dok smo mi koristili čistu 20% vodenu otopinu natrijevog silikata od proizvođača Gram-mol koja se koristi u laboratorijima. Da smo u labosu, mogli biste vidjeti da je naše vodeno staklo puno gušće od komercijalnog, ali ovako morate vjerovati na riječ. :) Isto tako, ako usporedite razrjeđenja početne otopine vodenog stakla, možete zaključiti da smo mi puno manje razrjeđivali vodeno staklo, mijenjali smo dio volumena vodenog stakla s destiliranom vodom:

U članku su razrjeđenja puno veća, omjeri su 1:2, 1:3, itd., što znači da je recimo za omjer 1:2 na određeni volumen vodenog stakla dodan duplo veći volumen vode. Mi ćemo se sad koncentrirati na pojave koje se vide u našem primjeru. Osnovni proces je isti. Imamo vodenu otopinu natrijevog silikata i kristaliće različitih metalnih soli: željezo (III) klorid (smeđe cjevčice), bakar klorid (svijetlo zelene cjevčice), kobalt nitrat (tamno plave cjevčice) i cink sulfat (bijele cjevčice). Na dno vašeg silikatnog vrta možete staviti pijesak ako želite ljepši estetski izgled, no mi ga nismo stavljali da imamo poslije manje za čistiti. U zadnjoj vježbi ste naučili da je vodeno staklo jaka lužina, koja nagriza staklo. Uočavate li problem na ovoj slici:

Slika 1. Silikatni vrt dobiven u ZAKTN laboratoriju.

Vidimo ovu prekrasnu staklenu čašu u kojoj je silikatni vrt. Ukoliko ostavite vodeno staklo u ovoj čaši predugo, recimo dan, dva, tri, dobit ćete prekrasno zamagljenu nagriženu čašu koja neće biti baš idealna za fine eksperimente. Neki su to saznali na teži način (khm, khm), pa evo savjeta za budućnost. Vodeno staklo možete odliti i isprati vodom nakon što se stvore cjevčice silikatnog vrta. One se u vodi neće otopiti, jedino će se možda neke slomiti pa morate to izvesti pažljivo. Nalijte destiliranu ili običnu vodu i sačuvat ćete svoj vrt u staklenoj posudi/čaši duže vrijeme. Alternativa je neka prozirna plastična posuda kao što je recimo slučaj u članku:

Slika 2. Silikatni vrt iz članka M. ČALOGOVIĆ: Kemijski (silikatni) vrt, jedan pokus za obrazovanje u STEM području, Kem. Ind. 69 (1-2) (2020) 43−46.

Nakon što ubacimo kristaliće odabranih soli u vodeno staklo, ovisno o gustoći vodenog stakla možda ćemo ih morati malo pogurnuti do dna čaše staklenim štapićem jer ne želimo da plutaju po površini, već budu na dnu. Kristalići metalne soli otapaju se u vodenoj fazi vodenog stakla i razlažu na ione. Metalni kationi zatim reagiraju sa silikatnim anionima i stvaraju metalni silikat hidrat, tj. polupropusnu membranu koju mi vidimo kao omotač ili kuglicu koja se stvori oko kristalića soli. (Slika 3B)

Slika 3. Princip rasta kemijskog vrta: A) situacija na početku reakcije, B) nastanak membrane između kisele i lužnate otopine, C) membrana se širi jer je osmotski tlak unutar membrane veći nego izvan, D) membrana puca i E) nastanak cjevčica. Iz članka M. ČALOGOVIĆ: Kemijski (silikatni) vrt, jedan pokus za obrazovanje u STEM području, Kem. Ind. 69 (1-2) (2020) 43−46.

Unutar membrane nalazi se kisela otopina metalne soli, a s vanjske strane je lužnata otopina natrijevog silikata. Voda iz otopine natrijevog silikata prolazi kroz polupropusnu membranu zbog razlike u koncentracijama. Unutar membrane nalazi koncentrirana otopina metalne soli i molekule vode dolaze razrijediti tu otopinu čime se nastavlja otapanje našeg kristalića metalne soli. (Slika 3C) Zbog te silne vode koja ulazi, unutar membrane se povećava osmotski tlak i kad on postane prevelik da bi ga membrana izdržala, dolazi do njenog pucanja. (Slika 3D) Otopina unutar membrane je pod većim tlakom nego ona izvan membrane. Nakon pucanja membrane dolazi do naglog izbacivanja otopine unutar membrane u okolinu, a čim metalni ioni koji su dosad bili zaštićeni membranom metalnog silikat hidrata dođu u doticaj sa silikatnim ionima u vodenom staklu, dolazi do reakcije i nastaje nova membrana. (Slika 3E) Početni oblici cjevčica uvelike su predodređeni tlakom pod kojim je došlo do pucanja membrane i izbacivanja u masu otopine te se može dogoditi i da membrana pukne bočno, a ne nužno ravno prema gore. S druge strane, padom tlaka nakon izbacivanja, oblik određuje jedino konvekcija otopina jedne kroz drugu zbog različitih gustoća, tj. uzgon. Lakša otopina metalne soli diže se prema gore jer je vodeno staklo puno gušće.

Slika 4. Kemijski silikatni vrtovi u vodenom staklu razrijeđenom destiliranom vodom dobiveni u ZAKTN labosu.

Možemo zaključiti da s obzirom da voda igra ključnu ulogu u otapanju metalnih soli i puknuću membrane, što više vode dodamo, to ćemo više poboljšati rast cjevčica unutar silikatnog vrta i sam proces će biti brži. To se vidi iz naših silikatnih vrtova. Prvi slijeva ima čisto vodeno staklo, a prvi zdesna ima pola vodenog stakla i pola vode. Razlika je očita. U najrazrjeđenijoj otopini ima najviše cjevčica i puno su uže nego u ostalima, a posebno u koncentriranoj otopini vodenog stakla. Ipak, ono što je navedeno u onom članku je također točno jer su oni dosta razrjeđivali vodeno staklo tako da je na kraju bilo puno više vode nego natrijevog silikata, što je onemogućilo stvaranje metalnog silikata zbog manjka silikatnih iona dostupnih za reakciju.

Kemijski silikatni vrt je zanimljiva pojava i zgodan eksperiment koji možete iskoristiti kada budete radili neke svoje vježbe i pokuse za popularizaciju znanosti. :)

Za kraj, link za igru ponavljanja: https://wordwall.net/play/1515/164/348.

Credits:

Hvala Petri Ačkar, Martinu Cvetiću, Marinu Božičeviću i ostalim KIM-ovcima na super fotkama :)