Химический сад

Химический сад во время выращивания

Химический сад — это комплекс сложных биологических структур, созданных путем смешивания неорганических химикатов. эксперимент Этот химический обычно проводится путем добавления солей металлов , таких как сульфат меди или хлорид кобальта (II) , к водному раствору силиката натрия (также известного как жидкое стекло). Это приводит к росту растительноподобных форм за считанные минуты или часы. ^{[ 1 ]}^{[ 2 ]}^{[ 3 ]}^{[ 4 ]}

Химический сад впервые увидел и описал Иоганн Рудольф Глаубер в 1646 году. ^{[ 5 ]} В своем первоначальном виде химический сад предполагал введение кристаллов хлорида железа (FeCl ₂ ) в раствор силиката калия (K ₂ SiO ₃ ).

Процесс

В химическом саду большинство силикатов переходных металлов нерастворимы в воде и окрашены.

Когда соль металла, например хлорид кобальта , добавляется в раствор силиката натрия, она начинает растворяться. образуется нерастворимый силикат кобальта Затем в результате реакции двойного замещения . Этот силикат кобальта представляет собой полупроницаемую мембрану . Поскольку ионная сила раствора кобальта внутри мембраны выше, чем у раствора силиката натрия, который составляет основную часть содержимого резервуара, осмотические эффекты будут увеличивать давление внутри мембраны. Это приведет к разрыву мембраны и образованию дыры. Катионы кобальта вступят в реакцию с силикатными анионами на этом разрыве, образуя новое твердое вещество. Таким образом, в резервуарах образуются наросты; они будут окрашены (в зависимости от катиона металла) и могут выглядеть как растительные структуры.

Обычное направление роста вверх зависит от того, что плотность жидкости внутри полупроницаемой мембраны «растения» ниже плотности окружающего раствора жидкого стекла. Если использовать соль металла, которая образует очень плотную жидкость внутри мембраны, рост будет направлен вниз. Например, зеленый раствор сульфата или хлорида трехвалентного хрома отказывается кристаллизоваться, медленно переходя в фиолетовую форму. ^{[ нужны разъяснения ]}, даже если его варить до тех пор, пока он не превратится в смолистую массу. Эта смола, если ее суспендировать в растворе жидкого стекла, образует нисходящие веточки. Это связано с тем, что вся жидкость внутри мембраны слишком плотна, чтобы плавать, и поэтому оказывает направленную вниз силу. Концентрация силиката натрия становится важной для скорости роста.

После прекращения роста раствор силиката натрия можно удалить, непрерывно добавляя воду с очень медленной скоростью. Это продлевает жизнь сада. ^{[ 6 ]}

В одном конкретном экспериментальном варианте исследователи создали химический сад с одной ростовой «трубкой». ^{[ 7 ]}

Используемые соли

Обычные соли, используемые в химическом саду, включают: ^{[ 8 ]}

Практическое использование

Хотя на первый взгляд химический сад может показаться в первую очередь игрушкой, по этому вопросу была проделана серьезная работа. ^{[ 3 ]} Например, этот химический состав связан с схватыванием портландцемента , образованием гидротермальных источников и коррозией стальных поверхностей, на которых могут образовываться нерастворимые трубки.

Природа роста нерастворимых силикатных трубок, образующихся в химических садах, также полезна для понимания классов сходного поведения, наблюдаемого в жидкостях, разделенных мембранами. В различных отношениях рост силикатных трубок напоминает рост шипов или комков льда, выдавленных над замерзающей поверхностью стоячей воды. ^{[ 9 ]} закономерности роста высыхающей смолы, капающей из ран на деревьях, таких как эвкалипт , и то, как расплавленный воск образует веткообразные наросты, капающие со свечи или всплывающие в прохладной воде. ^{[ нужна ссылка ]}

Палеонтология

При хороших условиях химические сады могут возникать и в природе. данные свидетельствуют о Палеонтологические том, что такие химические сады могут окаменеть . Такие псевдоокаменелости очень трудно отличить от окаменелых организмов. Действительно, некоторые из самых ранних предполагаемых окаменелостей жизни могут быть окаменевшими химическими садами. ^{[ 10 ]}

Смешивание богатых железом частиц со щелочными жидкостями, содержащими химические вещества силикат или карбонат, привело к созданию структур, похожих на биологические. Такие структуры могут оказаться биологическими и/или ископаемыми . ^{[ 11 ]}^{[ 12 ]}^{[ 13 ]} По словам исследователей: «Подобные химические реакции изучаются 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, чтобы посмотрим, скорее всего, это окаменелости или небиологические месторождения полезных ископаемых». ^{[ 11 ]}^{[ 12 ]}

Одним из применений изучения химического садоводства является возможность лучше отличать биологические структуры, в том числе окаменелости , от небиологических структур на планете Марс . ^{[ 11 ]}^{[ 12 ]}

См. также

Ссылки

^ Бардж, Лаура М.; и др. (26 августа 2015 г.). «От химических садов к хемобрионике» . Химические обзоры . 115 (16): 8652–8703. doi : 10.1021/acs.chemrev.5b00014 . hdl : 20.500.11824/172 . ISSN 0009-2665 . ПМИД 26176351 .
^ Балкезе, Д.; Озкан, Ф.; Кёктюрк, У.; Улутан, С.; Улку, С.; Нишли, Г. (2002). «Характеристика полых химических садовых волокон из солей металлов и жидкого стекла» (PDF) . Журнал золь-гель науки и технологий . 23 (3): 253. doi : 10.1023/A:1013931116107 . hdl : 11147/4652 . S2CID 54973427 .
^ Jump up to: ^а ^б Картрайт, Дж ; Гарсиа-Руис, Хуан Мануэль; Новелла, Мария Луиза; Оталора, Фермин (2002). «Формирование химических садов». Журнал коллоидной и интерфейсной науки . 256 (2): 351. Бибкод : 2002JCIS..256..351C . CiteSeerX 10.1.1.7.7604 . дои : 10.1006/jcis.2002.8620 .
^ Тувенель-Романс, С; 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 . ПМИД 12670257 . Архивировано из оригинала (PDF) 11 августа 2017 года . Проверено 23 мая 2009 г.
^ Глаубер, Иоганн Рудольф (1646). «Как заставить цветные деревья вырастить в этом спирте из всех металлов за несколько часов». [Как вырастить — в этом растворе, из всех металлов, за несколько часов — цветные деревья]. Furni Novi Philosophici (изд. на немецком языке, 1661 г.). Амстердам: Йохан Янссон. стр. 186–189.
^ Хельменстин, Энн Мари (16 марта 2019 г.). «Волшебные камни» . thinkco.com . Архивировано из оригинала 16 мая 2020 года . Проверено 16 мая 2020 г.
^ Глааб, Ф.; Келлермайер, М.; Кунц, В.; Мораллон, Э.; Гарсиа-Руис, ЖМ (2012). «Формирование и эволюция химических градиентов и потенциальных различий в самоорганизующихся неорганических мембранах». Angewandte Chemie, международное издание . 51 (18): 4317–4321. дои : 10.1002/anie.201107754 . ПМИД 22431259 .
^ Пиментель С., Чжэн М., Картрайт Дж. Х., Сайнс-Диас С. И. (15 февраля 2023 г.). «База данных хемобрионики: классификация химических садов в зависимости от природы аниона, катиона и методики эксперимента» . ХимСистемыХим . John Wiley & Sons, Ltd: e202300002. дои : 10.1002/syst.202300002 . hdl : 10481/81351 . S2CID 256932493 . Проверено 16 марта 2023 г.
^ Картер, Джеймс Р. «Ледяные образования с ежедневными (суточными) циклами замерзания/оттаивания» . Государственный университет Иллинойса. Архивировано из оригинала 26 ноября 2017 года . Проверено 14 ноября 2020 г.
^ МакМахон, Шон (2020). «Самые ранние и самые глубокие предполагаемые окаменелости Земли могут быть минерализованными железом химическими садами» . Труды Королевского общества B: Биологические науки . 286 (1916). дои : 10.1098/rspb.2019.2410 . ПМК 6939263 . ПМИД 31771469 .
^ Jump up to: ^а ^б ^с Эдинбургский университет (27 ноября 2019 г.). «Разгадка тайны ископаемых может помочь в поисках древней жизни на Марсе» . ЭврекАлерт! . Проверено 27 ноября 2019 г. .
^ Jump up to: ^а ^б ^с МакМахон, Шон (27 ноября 2019 г.). «Самые ранние и самые глубокие предполагаемые окаменелости Земли могут быть минерализованными железом химическими садами» . Труды Королевского общества Б. 286 (1916). дои : 10.1098/rspb.2019.2410 . ПМК 6939263 . ПМИД 31771469 .
^ Стейнбок, Оливер; и др. (1 марта 2019 г.). «Плодородная физика химических садов» . Физика сегодня . 69 (3): 44. дои : 10.1063/PT.3.3108 .

Внешние ссылки

Химический сад в Периодической таблице видео (Ноттингемский университет)
Химические сады (Коллоидный сад) на ( http://chemistry-chemists.com )
Хемобрионика (Действие COST, объединяющее европейские исследовательские группы для стимулирования инновационных и высокоэффективных междисциплинарных научных исследований в области химических садов)
База данных хемобрионики

[1] Бардж, Лаура М.; и др. (26 августа 2015 г.). «От химических садов к хемобрионике» . Химические обзоры . 115 (16): 8652–8703. doi : 10.1021/acs.chemrev.5b00014 . hdl : 20.500.11824/172 . ISSN 0009-2665 . ПМИД 26176351 .

[2] Балкезе, Д.; Озкан, Ф.; Кёктюрк, У.; Улутан, С.; Улку, С.; Нишли, Г. (2002). «Характеристика полых химических садовых волокон из солей металлов и жидкого стекла» (PDF) . Журнал золь-гель науки и технологий . 23 (3): 253. doi : 10.1023/A:1013931116107 . hdl : 11147/4652 . S2CID 54973427 .

[Cartwright-3] Jump up to: ^а ^б Картрайт, Дж ; Гарсиа-Руис, Хуан Мануэль; Новелла, Мария Луиза; Оталора, Фермин (2002). «Формирование химических садов». Журнал коллоидной и интерфейсной науки . 256 (2): 351. Бибкод : 2002JCIS..256..351C . CiteSeerX 10.1.1.7.7604 . дои : 10.1006/jcis.2002.8620 .

[4] Тувенель-Романс, С; 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 . ПМИД 12670257 . Архивировано из оригинала (PDF) 11 августа 2017 года . Проверено 23 мая 2009 г.

[5] Глаубер, Иоганн Рудольф (1646). «Как заставить цветные деревья вырастить в этом спирте из всех металлов за несколько часов». [Как вырастить — в этом растворе, из всех металлов, за несколько часов — цветные деревья]. Furni Novi Philosophici (изд. на немецком языке, 1661 г.). Амстердам: Йохан Янссон. стр. 186–189.

[6] Хельменстин, Энн Мари (16 марта 2019 г.). «Волшебные камни» . thinkco.com . Архивировано из оригинала 16 мая 2020 года . Проверено 16 мая 2020 г.

[7] Глааб, Ф.; Келлермайер, М.; Кунц, В.; Мораллон, Э.; Гарсиа-Руис, ЖМ (2012). «Формирование и эволюция химических градиентов и потенциальных различий в самоорганизующихся неорганических мембранах». Angewandte Chemie, международное издание . 51 (18): 4317–4321. дои : 10.1002/anie.201107754 . ПМИД 22431259 .

[8] Пиментель С., Чжэн М., Картрайт Дж. Х., Сайнс-Диас С. И. (15 февраля 2023 г.). «База данных хемобрионики: классификация химических садов в зависимости от природы аниона, катиона и методики эксперимента» . ХимСистемыХим . John Wiley & Sons, Ltd: e202300002. дои : 10.1002/syst.202300002 . hdl : 10481/81351 . S2CID 256932493 . Проверено 16 марта 2023 г.

[9] Картер, Джеймс Р. «Ледяные образования с ежедневными (суточными) циклами замерзания/оттаивания» . Государственный университет Иллинойса. Архивировано из оригинала 26 ноября 2017 года . Проверено 14 ноября 2020 г.

[10] МакМахон, Шон (2020). «Самые ранние и самые глубокие предполагаемые окаменелости Земли могут быть минерализованными железом химическими садами» . Труды Королевского общества B: Биологические науки . 286 (1916). дои : 10.1098/rspb.2019.2410 . ПМК 6939263 . ПМИД 31771469 .

[EA-20191127-11] Jump up to: ^а ^б ^с Эдинбургский университет (27 ноября 2019 г.). «Разгадка тайны ископаемых может помочь в поисках древней жизни на Марсе» . ЭврекАлерт! . Проверено 27 ноября 2019 г. .

[TRS-20191127-12] Jump up to: ^а ^б ^с МакМахон, Шон (27 ноября 2019 г.). «Самые ранние и самые глубокие предполагаемые окаменелости Земли могут быть минерализованными железом химическими садами» . Труды Королевского общества Б. 286 (1916). дои : 10.1098/rspb.2019.2410 . ПМК 6939263 . ПМИД 31771469 .

[PT-20160301-13] Стейнбок, Оливер; и др. (1 марта 2019 г.). «Плодородная физика химических садов» . Физика сегодня . 69 (3): 44. дои : 10.1063/PT.3.3108 .

[ 1 ]

[ 2 ]

[ 3 ]

[ 4 ]

[ 5 ]

[ 6 ]

[ 7 ]

[ 8 ]

[ 9 ]

[ 10 ]

[ 11 ]

[ 12 ]

[ 13 ]