Liesegang-renkaat (myös Liesegang-kerrokset , Liesegang-rakenteen yleisnimi ) ovat samankeskisiä renkaita tai rytmisesti vuorottelevia vyöhykkeitä, jotka johtuvat minkä tahansa yhdisteen säännöllisestä laskeutumisesta diffuusion aikana geeliväliaineessa . Nimetty ilmiön löytäjän - saksalaisen kemistin ja yrittäjän R. Liesegangin mukaan .
Saksalainen kemisti R. Liesegang sai ensimmäisen kerran samankeskiset rakenteet vuonna 1896. Työskentelessään isänsä omistaman valokuvatehtaan kemian laboratoriossa hän havaitsi, että tippa hopeanitraatti - AgNO 3 -liuosta valokuvalevylle, joka oli päällystetty liivatekerroksella , joka sisältää K 2 Cr 2 O 7 kromipiikin , pienten Ag 2 Cr 2 O 7 -kiteiden aggregaatteja muodostuu samankeskisten renkaiden muodossa, jotka muistuttavat kasvurenkaita puusahassa . Liesegang kiinnostui tästä ilmiöstä ja tutki sitä lähes puoli vuosisataa.
R. Liesegang itse, joka tunsi F. Rungen ensimmäiset värähtelyreaktioiden tutkimista koskevat teokset, oli alun perin taipuvainen saamaansa jaksollisen prosessin luonnonfilosofiseen selittämiseen.
Mahdollisen fysikaalisen mekanismin, joka selittää Liesegang-rakenteiden muodostumisen, ehdotti ensimmäisen kerran W. Ostwald , yksi fysikaalisen kemian perustajista, vuonna 1897. Ostwaldin antama selitys perustui hänen vuotta aiemmin löytämäänsä metastabiilin tilan käsitteeseen ja Ostwaldin kypsymisen ilmiöön . Ostwald ehdotti, että Liesegang muodosti ylikyllästyneen hopeadikromaattiliuoksen, joka oli metastabiilissa tilassa. Reagenssien leviäminen edelleen aiheutti sakan muodostumisen ja järjestelmän siirtymisen labiiliin tilaan . Kaliumbikromaatin ja hopeanitraatin vuorovaikutus toi sen takaisin metastabiiliin tilaan jne.
Vuonna 1905 Liesegang hylkäsi Ostwaldin mallin ja sai uusia empiirisiä faktoja. Myöhemmin uusien kokeiden jälkeen hänestä tuli kuitenkin sen innokas kannattaja.
Liesegang-rakenteet saadaan yleensä diffuusioimalla yksi lähtöaineista geelin läpi, joka sisältää toista ainetta, joka pystyy muodostamaan liukenemattoman sakan ensimmäisen kanssa.
Vuosikymmenten ajan ilmiön tutkimiseen on käytetty valtava määrä sadereaktioita, jotka osoittavat sen yleisen luonteen. Liesegang-rakenteet saatiin kromaateille, halogenideille, metallihydroksideille, lyijyn, kuparin, hopean, elohopean jne. karbonaateille ja sulfideille [1]
Esimerkkejä tähän käytetyistä kemiallisista reaktioista:
Tyypillisesti alustan valmistukseen käytetään gelatiinia , agar-agaria tai silikageeliä . Liesegang-rakenteita voidaan saada myös ilman hyytelöimisainetta, jos koe suoritetaan kapillaarissa , jossa väliaineen konvektio ei häiritse niiden muodostumista. Samanlainen ilmiö ei esiinny vain geeleissä, vaan myös tiivistetyissä inertissä jauheessa ( kvartsi , piilesuuri jne.), jotka on kyllästetty vastaavan reagenssin liuoksella.
Niitä voidaan saada myös ilman nestemäistä väliainetta. Esimerkiksi kerrosrakenteita muodostuu tietyissä olosuhteissa kaasumaisessa väliaineessa ammoniakin ja kloorivedyn vuorovaikutuksessa . Renkaiden muodostuminen on mahdollista myös kiinteissä aineissa: esimerkiksi hopeanauhat saatiin upottamalla silikaattilasia sulaan AgNO 3 :een pitkäksi aikaa.
Kokeet suoritetaan yleensä joko koeputkessa tai petrimaljassa . Ensimmäisessä tapauksessa yksi reagensseista liuotetaan aluksi geeliin ja laitetaan koeputkeen. Sitten päälle kaadetaan toisen, korkeamman pitoisuuden omaavan reagenssin liuos. Tämän seurauksena saostuman muodostuminen alkaa faasierotuksen alueella diffuusiorintaman suuntaisten vyöhykkeiden muodossa, joita erottavat sedimentistä vapaat tilat ( katso kuva ).
Petrimaljassa muodostuu pääsääntöisesti samankeskisiä sedimenttirenkaita, jos maljan keskelle syötetään jonkin lähtöaineen tiivistetty liuos, joka sisältää jo toisen aineen geelin. Näissä olosuhteissa kemiallinen reaktioaalto siirtyy kupin keskustasta reunoille syötetyn aineen diffuusion seurauksena jättäen taakseen selvästi erotettuja sedimenttirenkaita. Monimutkaisempien rakenteiden muodostuminen on myös mahdollista: kuten spiraalirakenteita ja " Saturnuksen renkaita " (koeputkessa) ja renkaiden siirtymiä (petrimaljassa).
Kerrokset ja Liesegang-renkaat kuuluvat jaksollisiin kolloidisiin rakenteisiin , jotka näyttävät olleen ensimmäinen esimerkki tutkituista itseorganisoituneista rakenteista [3] . Tärkeimpien ominaisuuksien mukaan Liesegang-renkaat ovat merkittävästi samankaltaisia rengasrakenteiden kanssa, jotka syntyvät autoaaltoprosessien seurauksena , mikä johtaa itseorganisoituneiden rakenteiden syntymiseen erilaisilla järjestysasteikoilla (nano-, meso-, mikro- ja makrotasot) [4] .
Mineraalien ( akaatti , jaspis ) kerrostunut väritys liittyy Liesegang-kerrosten muodostumiseen [5] . Liesegang teki monia tärkeitä havaintoja akaateista, julkaisi niistä kirjan ja suuren artikkelisarjan sekä kehitti oman teoriansa (1915). Hänen mielestään akaattia ei muodostettu liuoksista, vaan silikageeleistä, jotka täyttivät akaattikammiot ja sitten "kypsyivät" niissä - ne jaettiin samankeskisiin kerroksiin ja kiteytyivät muuttuen kalsedoniksi [6] .
Hyvin samanlaisia muodostumia esiintyy hienohuokoisten kivien kerrosrakenteessa sääprosessien aikana . Tällaisia ovat esimerkiksi rytmiset renkaat, raidat, hyperbolit, jotka on värjätty ruskeilla rautahydroksideilla , kalkkikivessä , hienorakeisessa hiekkakivessä ja muissa kivissä.
Eläinten ja ihmisten elimissä olevilla kivillä , joissakin biologisissa kudoksissa, kuten poikkijuovaiset lihakset , on poikkijuovainen rakenne .
sininen akaatti
Liesegangin renkaat Bretagnen kallioilla
Liesegang-sormukset hiekkakivestä
Hiekkakivet Utahissa (USA)
Liesegangin löytämä ilmiö on löytänyt käytännön sovelluksen fysiikan ja kemian eri prosessien tutkimuksessa, taideteollisuudessa, erilaisten tuotteiden koristeluun jaspis-, malakiitti-, akaattijäljitelmillä jne. Liesegang ehdotti myös teknologiaa keinohelmien valmistamiseksi .