Iluzoryczne kolory

Doświadczenie 1

Płaski pojemnik (np. po twarogu sernikowym) napełnij wodą. Pędzelkiem upuść jedną kroplę bezbarwnego lakieru do paznokci na powierzchnię wody i obserwuj, czy pojawiają się kolory. Opcjonalnie poświeć latarką (np. telefonu) pod różnymi kątami. Powtórz czynności kilka razy, zbierając błonkę lakieru z powierzchni wody papierowym ręcznikiem.

Wyjaśnienie: Kropla lakieru rozpłaszcza się na wodzie, tworząc na brzegach cienką kolorową warstwę, a po odparowaniu lakieru – trwałą różnobarwną błonę, którą można nanieść na inny obiekt (np. spuszczając wodę lub podnosząc go pod błoną). Zyskuje on iryzującą warstwę. Zjawisko zależy od grubości warstwy lakieru – dlatego pojawia się na brzegach, ale jeśli rozpuszczalnik w lakierze odparuje zbyt szybko, efektu nie widać i doświadczenie trzeba powtórzyć.

Doświadczenie 2

Pojemnik na mocz napełnij 20 ml wody i dodaj pół łyżeczki kwasku cytrynowego, a po jego rozpuszczeniu wrzuć metalową podkładkę do śrub z otworem o średnicy ok. 2 cm. Po kilku godzinach, gdy ustanie wydzielanie bąbelków, dokładnie osusz i oczyść powierzchnię metalu. Umieść podkładkę na palniku gazowym kuchenki tak, aby płomień w jednym punkcie ledwo się stykał z brzegiem podkładki. Obserwuj, co się dzieje. Podobnie możesz wstawić do palnika główkę żelaznego gwoździa o długości min. 15 cm. Uważaj, aby się nie poparzyć – podkładka i gwóźdź nagrzewają się do wysokich temperatur!

Wyjaśnienie: Nanoszenie chroniącej przed dalszą korozją powłoki tlenków na przedmioty nosi nazwę oksydowania, ale anglojęzyczny termin steel bluing lepiej oddaje jeden z aspektów tej techniki, czyli możliwość kolorowania (w tym na niebiesko) wyrobów żelaznych umiejętnym pokrywaniem ich cienkimi warstewkami tlenku żelaza. Niektórzy artyści za pomocą płomienia palnika tworzą zachwycające kolorami wzory na blachach stalowych i miedzianych. Podkładka stalowa pokryta jest ochronną warstwą cynku – w roztworze kwas cytrynowy atakuje ją, tworząc cytrynian cynku i bąbelkujący wodór. Nagrzane żelazo łatwiej reaguje z tlenem z powietrza, w temperaturze co najmniej 290°C tworząc cienką warstewkę tlenku żelaza, która pozwala na przenikanie i interferencję światła. Wraz z grubością powłoki zmienia się wzmacniana długość fali i obserwowana barwa – od żółtawozłotej (do ok. 40 nm) przez purpurową i niebieską (60–70 nm) aż do czarnej warstwy tlenku, zbyt grubej, aby zachodziła interferencja światła. Tlenki żelaza reagują z kwasami (np. cytrynowym) oraz mogą być mechanicznie starte z powierzchni, co powoduje utratę koloru. Kolejność możliwych do uzyskania barw dobrze widać na gwoździu – kolorowe pasmo „wędruje” po nim, ale układ kolorów pozostaje ten sam. Precyzyjne nanopowłoki wykonuje się poprzez równomierne nagrzewanie przedmiotów w pojemniku wypełnionym np. drobinami dobrze przewodzących ciepło metali. Do błyskawicznego wykonywania grubszych powłok stosuje się też metodę na zimno. Potrzeba tu silnie utleniających alkalicznych roztworów azotanów.

Doświadczenie 3

Zamiast żelaza na krawędzi palnika ustaw miedzianą mufkę i ją rozgrzej. Obserwuj pojawiające się barwy i uważaj, aby się nie poparzyć.

Wyjaśnienie: W wyniku ogrzewania także na miedzi pojawiają się tlenki, których cienkie warstwy mogą nadać mufce różne kolory, w tym złoty lub niebieski. Ostatecznie mufka staje się czarna od grubej warstwy CuO.

Doświadczenie 4

W pojemniku na mocz rozpuść pół łyżeczki NaOH (sody kaustycznej, udrożniacza do rur bez aktywatora). Wrzuć do środka nową miedzianą mufkę i zakręć. Obserwuj codziennie przez 2 tyg.

Wyjaśnienie: W środowisku alkalicznym miedź ulega powolnemu utlenianiu, a na jej powierzchni pojawiają się warstwy tlenków o różnej grubości i kolorach. Na koniec mufka staje się czarna.

Doświadczenie 5

Do słoika po dżemie wlej odrdzewiacz do stali (roztwór kwasu fosforowego). Połącz 2–6 baterii 9 V (ich wypustki +/- pasują do siebie, a napięcia się sumują) i podłącz kabelki krokodylki (do kupienia w sklepach z elektroniką). Krokodylek podłączony do (-) zanurz w kwasie, a krokodylkiem podłączonym do (+) jak pęsetą chwyć (koniecznie niezabarwione, srebrzyste) tytanową śrubkę, podkładkę lub tytanowy kolczyk (zakupione przez internet) i zanurz je w kwasie. Przy większej liczbie baterii „stukaj” płyn tytanowym elementem, każdorazowo sprawdzając kolor.

Wyjaśnienie: Tytan bardzo słabo przewodzi prąd elektryczny, ale jest podatny na utlenianie – nawet na powietrzu pokrywa się mikroskopijną warstewką tlenku – ulega pasywacji. Przyłożenie napięcia elektrycznego nasila reakcje utleniania na elektrodzie (+), a tytan pokrywa się coraz grubszą warstewką tlenku, który jednak stawia coraz większy opór, aż tytanowy element przestaje przewodzić prąd przy danym napięciu. Pogrubianie warstwy tlenku tytanu wymaga coraz wyższego napięcia. Przyrastająca na grubość powłoka gwałtownie i spektakularnie zmienia kolory – od złotego (grubość 20 nm przy jednej lub dwóch bateriach) poprzez purpurowy czy niebieski (50– 80 nm), bladoniebieski (6 baterii) po szary czy nawet różowy i zielony (200 nm). Powłoka tlenku ściśle przylega do metalu i jest odporna na ścieranie oraz kwasy, a tytanowe ozdoby i biżuteria zostają ładnie i trwale zabarwione.

***

Uwaga!

NaOH i kwas fosforowy są żrące. Zachowaj ostrożność, pracując z prądem, ogniem i rozgrzanymi przedmiotami. Używaj rękawiczek, okularów i odzieży ochronnej. Dzieci powinny wykonywać doświadczenia pod nadzorem dorosłych.

***

Uwaga!

Redakcja nie ponosi odpowiedzialności za ewentualne szkody powstałe wskutek doświadczeń.

***

Zestaw przyrządów i materiałów

kwasek cytrynowy, podkładka metalowa, miedziana mufka, udrożniacz do rur (NaOH), papierowy ręcznik, słoik po dżemie, odrdzewiacz do stali, kabelki krokodylki, lakier do paznokci, sześć baterii 9 V, tytanowy kolczyk, stalowe podkładki, stalowe gwoździe, dwa pojemniki na mocz

Niewliczone w cenę: kuchenka gazowa

Czas przygotowania: 4 godz.

Koszt: 90 zł

***

Wiedza w pigułce

Żywe błękity i zielenie pawich piór powstają w wyniku zjawiska fizycznego zwanego interferencją światła – wzmacniania określonych długości fali (a zatem i barw światła), a wygaszania innych. Doskonale widać to na przykładzie mieniaka tęczowca – błękitne refleksy pojawiają się tylko wtedy, gdy spojrzymy na motyla pod odpowiednim kątem. Ale zjawisko to pojawia się wszędzie tam, gdzie mamy obok siebie ultracienkie (często przezroczyste) warstwy załamujących i odbijających światło materiałów osadzone blisko siebie. To dlatego cienkie warstwy benzyny w kałuży wody czasem mienią się tęczowymi barwami (układ powietrze–benzyna–woda). Kolorowe refleksy dostrzeżemy także, gdy odpowiednio cienkie (np. 100 nm) staną się ścianki bańki mydlanej (układ powietrze–woda–powietrze) – barwa zależy tu jeszcze od kąta padania światła.

Z tego samego powodu kolorowe wydają się też płyty CD (pokryte drobnymi rowkami) oraz perły, składające się z warstw konchioliny i węglanu wapnia. Barwną iryzację można również wywołać, wytwarzając cienkie warstewki tlenków metali – w XX w. dopracowano metody produkcji opalizowanego szkła, na które nanoszono warstewki tlenków cyny lub ołowiu. Tlenki bizmutu łatwo tworzą się na jego kryształach, nadając im zjawiskowy wygląd, a tlenek tytanu „barwi” biżuterię. Praktycznym wykorzystaniem interferencji są filtry światła, stosowane w optyce i badaniach naukowych, oraz kolory strukturalne nanocząstek, np. srebra lub tańszych kulek tworzyw sztucznych, używanych masowo do produkcji odpornych na blaknięcie farb strukturalnych o jednolitych żywych barwach.