Кольца Лизеганга

Кольца Лизеганга (также слои Лизеганга, общее название структуры Лизеганга) — концентрические кольца или ритмически перемежающиеся полосы, возникающие в результате периодического осаждения каких-либо соединений при диффузии в гелевых средах. Названы в честь первооткрывателя явления — немецкого химика и предпринимателя Р. Лизеганга (1869—1947).

Концентрические структуры впервые были получены в 1896 году немецким химиком Р. Лизегангом. Работая в химической лаборатории фотофабрики, принадлежавшей отцу, он обнаружил, что капля раствора нитрата серебра AgNO₃ на фотопластинке, покрытой слоем желатина, который содержит хромпик К₂Сr₂О₇, образуются агрегаты мелких кристаллов Ag₂Cr₂O₇ в виде концентрических колец, напоминающих годичные кольца на спиле дерева. Лизеганг увлекся этим явлением и почти полвека занимался его исследованием.

Сам Р. Лизеганг, знакомый с первыми работами по изучению колебательных реакций Ф. Рунге, первоначально склонялся к натурфилософскому объяснению полученного им периодического процесса.

Возможный физический механизм, объясняющий образование структур Лизеганга, был впервые предложен одним из основателей физической химии В. Оствальдом в 1897 году. Объяснение, данное Оствальдом, базировалось на понятии о метастабильном состоянии и явлении оствальдовского созревания, открытом им годом ранее. Оствальд предположил, что у Лизеганга образовывался пересыщенный раствор бихромата серебра, находящийся в метастабильном состоянии. Дальнейшая диффузия реагентов вызывала образование осадка и перевод системы в лабильное состояние. Дальнейшее взаимодействие бихромата калия и нитрата серебра переводило её снова в метастабильное состояние и т. д.^[]

В 1905 году Лизеганг отверг модель Оствальда, получив новые эмпирические факты. Однако впоследствии, проведя новые эксперименты, он стал её ревностным сторонником.

Структуры Лизеганга обычно получают при диффузии одного из исходных веществ через гель, содержащий другое вещество, способное образовывать с первым нерастворимый осадок.

На протяжении десятилетий огромное количество реакций осаждения было использовано для изучения явления, показав его общий характер. Структуры Лизеганга получены для хроматов, галогенидов, гидроксидов металлов, карбонатов и сульфидов свинца, меди, серебра, ртути и др.^[1]

Примеры используемых для этого химических реакций:

• HCl + AgNO₃ → AgCl↓ + HNO₃;
• 2KI + Pb(NO₃)₂ → PbI₂↓ + KNO₃;
• MgSO₄ + 2NH₃ + 2H₂O → Mg(OH)₂↓ + (NH₄)₂SO₄;
• MnSO₄ + 2NH₄OH → Mn(OH)₂↓ + (NH₄)₂SO₄;^[2].

Для получения среды используются, как правило, желатин, агар-агар или силикагель. Структуры Лизеганга могут быть получены и без желирующего вещества, если эксперимент проводится в капилляре, где конвекция среды не мешает их формированию. Аналогичное явление происходит не только в гелях, но и в уплотнённых инертных порошках (кварца, кизельгура и т. п.), пропитанных раствором соответствующего реагента.

Их получение возможно и в отсутствии жидкой среды. Например, слоистые структуры образуются при определённых условиях в газовой среде при взаимодействии аммиака и хлороводорода. Образование колец возможно и в твёрдых телах: так, полосы из серебра были получены путём погружения силикатного стекла в расплавленный AgNO₃ в течение длительного периода времени.

Эксперименты обычно проводятся либо в пробирке, либо в чашке Петри. В первом случае один из реагентов первоначально растворяют в геле и помещают в пробирку. Затем поверх наливается раствор другого реагента большей концентрации. В результате в области разделения фаз начинается образование осадка в форме полос, параллельных диффузионному фронту, разделённых свободными от осадка промежутками (см. илл.).

В чашке Петри, как правило, образуются концентрические кольца осадка, если концентрированный раствор одного их исходных веществ вносится в центр чашки, уже содержащей гель другого вещества. В этих условиях волна химической реакции движется от центра к периферии чашки в результате диффузии внесённого вещества, оставляя позади себя чётко разделённые кольца осадка. Также возможно образование более сложных структур: таких, как спиральные структуры и «кольца Сатурна» (в пробирке) и дислокации колец (в чашке Петри).

Слои и кольца Лизеганга относятся к периодическим коллоидным структурам, которые, по-видимому, были первым примером изученных самоорганизованных структур^[3]. По важнейшим признакам кольца Лизеганга имеют значительное сходство с кольцевыми структурами, возникающими вследствие автоволновых процессов, приводящими к возникновению самоорганизованных структур с различным масштабом упорядочения (нано-, мезо-, микро- и макроуровень)^[4].

С образованием слоев Лизеганга связывают послойную окраску минералов (агата, яшмы)^[5]. Лизеганг сделал немало важных наблюдений над агатами, опубликовал книгу о них и большую серию статей и разработал собственную теорию (1915). По его мнению, агаты образовались не из растворов, а из гелей кремнезёма, которые заполнили агатовые камеры и затем «созревали» в них — разделялись на концентрические слои и кристаллизовались, превращаясь в халцедон^[6].

Очень похожие образования возникают в слоистой структуре тонкопористых пород при процессах выветривания. Таковы, например, ритмические кольца, полосы, гиперболы, окрашенные бурыми гидроксидами железа, в известняках, мелкозернистых песчаниках и других породах.

Полосато-слоистую структуру имеют конкременты в органах животных и человека, некоторые биологические ткани, например поперечнополосатые мышцы.

• 
  Голубой агат
• 
  Кольца Лизеганга на скалах Бретани
• 
  Кольца Лизеганга в песчанике
• 
  Песчаники в штате Юта (США)

Открытое Лизегангом явление нашло практическое применение при изучении различных процессов в физике и химии, в прикладном искусстве, для украшения различных изделий с имитацией яшмы, малахита, агата и др. Лизеганг также предложил технологию изготовления искусственного жемчуга.

• Лурье А. А. К теории колец Лизеганга // Коллоидный журнал. — 1966. — Т. 28. № 4.1. — C. 534-537.
• Зимон А. Д., Лещенко Н. Ф. Коллоидная химия. — 3-е изд. — М.: Изд-во «Агар», 2001.
• Скоробогатов Г. А., Каменский А. В. Механизм пространственно-периодичных реакций (колец Лизеганга) // Вестник Санкт-Петербургского университета. Сер. 4: Физика. Химия. Вып. 1. — 2005. — С. 109-111.
• Скоробогатов Г. А., Каменский А. В. Механизм периодического осадкообразования // Вестник Санкт-Петербургского университета. Сер. 4: Физика. Химия. Вып. 1. — 2006. — С. 55-75.

• Сумм Б. Д., Иванова Н. И. Объекты и методы коллоидной химии в нанохимии // Успехи химии, 69, 995 (2000).
• Полежаев А. А. Теория структур Лизеганга // «Математика. Компьютер. Образование». Сб. трудов X международной конференции. Под общей редакцией Г. Ю. Ризниченко. Ижевск: Научно-издательский центр «Регулярная и хаотическая динамика», 2003. Том 2. Стр. 307—319.
• Самоорганизация в природе (фото)
• Кирилл Власов. Структуры Лизеганга в осадочных породах // Элементы.ру. 07.09.2021.