Химический сад — это набор сложных биологических структур, созданных путем смешивания неорганических химикатов. Этот эксперимент в химии обычно проводится путем добавления солей металлов , таких как сульфат меди или хлорид кобальта(II) , к водному раствору силиката натрия (иначе известного как жидкое стекло). Это приводит к росту форм, похожих на растения, в течение нескольких минут или часов. [1] [2] [3] [4]
Химический сад был впервые обнаружен и описан Иоганном Рудольфом Глаубером в 1646 году. [5] В своей первоначальной форме химический сад включал введение кристаллов хлорида железа (FeCl 2 ) в раствор силиката калия (K 2 SiO 3 ).
Химический сад полагается на то, что большинство силикатов переходных металлов нерастворимы в воде и окрашены.
Когда соль металла, например хлорид кобальта , добавляется в раствор силиката натрия, он начинает растворяться. Затем он образует нерастворимый силикат кобальта в результате двойной реакции замещения . Этот силикат кобальта является полупроницаемой мембраной . Поскольку ионная сила раствора кобальта внутри мембраны выше, чем у раствора силиката натрия, который составляет большую часть содержимого резервуара, осмотические эффекты увеличат давление внутри мембраны. Это приведет к разрыву мембраны, образуя отверстие. Катионы кобальта будут реагировать с анионами силиката в этом разрыве, образуя новое твердое вещество. Таким образом, в резервуарах будут образовываться наросты; они будут окрашены (в соответствии с катионом металла) и могут выглядеть как структуры, похожие на растения.
Обычное направление роста вверх зависит от плотности жидкости внутри полупроницаемой мембраны «растения», которая ниже плотности окружающего раствора жидкого стекла. Если использовать соль металла, которая производит очень плотную жидкость внутри мембраны, рост будет направлен вниз. Например, зеленый раствор трехвалентного сульфата или хлорида хрома отказывается кристаллизоваться, не переходя медленно в фиолетовую форму [ необходимо разъяснение ] , даже если его кипятить до тех пор, пока он не сконцентрируется в смолистую массу. Эта смола, если ее взвесить в растворе жидкого стекла, образует направленные вниз веткообразные наросты. Это происходит потому, что вся жидкость внутри мембраны слишком плотная, чтобы плавать, и, таким образом, оказывает направленную вниз силу. Концентрация силиката натрия становится важной для скорости роста.
После прекращения роста раствор силиката натрия можно удалить путем непрерывного добавления воды с очень медленной скоростью. Это продлит жизнь сада. [6]
В одном конкретном экспериментальном варианте исследователи создали химический сад с одной ростовой «трубкой». [7]
Обычные соли, используемые в химическом саду, включают: [8]
Хотя на первый взгляд химический сад может показаться всего лишь игрушкой, на эту тему была проделана серьезная работа. [3] Например, эта химия связана с затвердеванием 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 родственного поведения, наблюдаемого в жидкостях, разделенных мембранами. Во многих отношениях рост силикатных трубок напоминает рост шипов или капель льда, выдавливаемых над замерзающей поверхностью неподвижной воды, [9] закономерности роста смолы, высыхающей, когда она капает из ран на деревьях, таких как эвкалипт , и то, как расплавленный воск образует похожие на веточки наросты, либо капающие со свечи, либо всплывающие через холодную воду. [ требуется ссылка ]
Если условия хорошие, химические сады могут также встречаться в природе. Существуют свидетельства из палеонтологии , что такие химические сады могут окаменеть . Такие псевдоископаемые может быть 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, создало структуры, выглядящие как биологические. Такие структуры могут казаться биологическими и/или ископаемыми . [11] [12] [13] По словам исследователей, «Подобные химические реакции изучались сотни лет, но ранее не было показано, что они имитируют эти крошечные богатые железом структуры внутри горных пород. Эти результаты требуют повторного изучения многих древних примеров из реального мира, чтобы увидеть, являются ли они с большей вероятностью ископаемыми или небиологическими минеральными отложениями». [11] [12]
Одним из применений изучения химического садоводства является возможность лучше отличать биологические структуры, включая окаменелости , от небиологических структур на планете Марс . [11] [12]
