A Liesegang gyűrűk (más néven Liesegang rétegek , a Liesegang szerkezet általános neve ) koncentrikus gyűrűk vagy ritmikusan váltakozó sávok, amelyek bármely vegyület periodikus lerakódásából származnak a gélközegben történő diffúzió során . A jelenség felfedezőjéről - R. Liesegang német kémikusról és vállalkozóról nevezték el .
A koncentrikus szerkezeteket először 1896-ban R. Liesegang német kémikus találta meg. Az apja tulajdonában lévő fényképészeti gyár vegyi laboratóriumában dolgozva felfedezte, hogy a K 2 Cr 2 O 7 krómcsúcsot tartalmazó zselatinréteggel bevont fényképészeti lemezen egy csepp ezüst - nitrát AgNO 3 oldat kisméretű Ag 2 Cr 2 O 7 kristályok halmazai koncentrikus gyűrűk formájában képződnek, amelyek növekedési gyűrűkre emlékeztetnek egy fafűrészelésen. Liesegangot lenyűgözte ez a jelenség, és közel fél évszázadon át tanulmányozta.
Maga R. Liesegang, aki ismerte F. Runge oszcillációs reakciók tanulmányozásával foglalkozó első munkáit, kezdetben az általa megszerzett periodikus folyamat természetfilozófiai magyarázata felé hajlott .
A Liesegang-struktúrák kialakulását magyarázó lehetséges fizikai mechanizmust először W. Ostwald , a fizikai kémia egyik alapítója javasolta 1897-ben. Ostwald magyarázata a metastabil állapot fogalmán és az Ostwald-érés jelenségén alapult , amelyet egy évvel korábban fedezett fel. Ostwald azt javasolta, hogy Liesegang ezüst-dikromát túltelített oldatát képezte, amely metastabil állapotban volt. A reagensek további diffúziója csapadékképződést és a rendszer labilis állapotba való átmenetét okozta . A kálium-bikromát és az ezüst-nitrát további kölcsönhatása visszahozta metastabil állapotba stb.
1905-ben Liesegang elutasította Ostwald modelljét, és új empirikus tényeket kapott. Később azonban, új kísérletek elvégzése után, buzgó támogatója lett.
A Liesegang szerkezeteket általában az egyik kiindulási anyag diffúziójával állítják elő egy másik anyagot tartalmazó gélen keresztül, amely képes oldhatatlan csapadékot képezni az elsővel.
Évtizedek óta hatalmas számú csapadékreakciót alkalmaztak a jelenség tanulmányozására, megmutatva annak általános természetét. Liesegang szerkezeteket kaptak kromátok, halogenidek, fém-hidroxidok, ólom, réz, ezüst, higany stb. karbonátjai és szulfidjai [1] .
Példák az ehhez használt kémiai reakciókra:
Általában zselatint , agar-agart vagy szilikagélt használnak a táptalaj elkészítéséhez . Liesegang szerkezetek zselésítőszer nélkül is előállíthatók, ha a kísérletet kapillárisban végezzük , ahol a közeg konvekciója nem zavarja a kialakulását. Hasonló jelenség nem csak gélekben, hanem a megfelelő reagens oldatával impregnált, tömörített inert porokban ( kvarc , kovaföld stb.) is előfordul.
Folyékony közeg hiányában is beszerezhetők. Például réteges szerkezetek képződnek bizonyos körülmények között gáznemű közegben az ammónia és a hidrogén-klorid kölcsönhatása során . Gyűrűk kialakulása szilárd anyagokban is lehetséges: ezüst sávokat például úgy kaptak, hogy szilikátüveget hosszú időre olvadt AgNO 3 -ba merítettek.
A kísérleteket általában kémcsőben vagy Petri-csészében végzik . Az első esetben az egyik reagenst először feloldjuk a gélben, és kémcsőbe helyezzük. Ezután egy másik, nagyobb koncentrációjú reagens oldatát öntjük a tetejére. Ennek eredményeként a fázisszétválás tartományában a diffúziós fronttal párhuzamos sávok formájában kezdődik meg a csapadékképződés, amelyeket üledékmentes terek választanak el egymástól ( lásd az ábrát ).
A Petri-csészében általában koncentrikus üledékgyűrűk keletkeznek, ha az egyik kiindulási anyag tömény oldatát vezetjük be az edény közepébe, amely már tartalmazza egy másik anyag gélt. Ilyen körülmények között a kémiai reakcióhullám a bejuttatott anyag diffúziója következtében a csésze közepétől a perem felé halad, jól elkülönülő üledékgyűrűket hagyva maga után. Bonyolultabb struktúrák kialakítása is lehetséges: például spirális struktúrák és „ Szaturnusz gyűrűi ” (kémcsőben) és gyűrűk elmozdulása (Petri-csészében).
A rétegek és a Liesegang gyűrűk periodikus kolloid struktúrák közé tartoznak , amelyek úgy tűnik, hogy az önszerveződő struktúrák első vizsgált példái voltak [3] . A legfontosabb jellemzők szerint a Liesegang gyűrűk jelentős hasonlóságot mutatnak az autohullámos folyamatok eredményeként létrejövő gyűrűszerkezetekkel , ami különböző sorrendi léptékű (nano-, mezo-, mikro- és makroszintű) önszerveződő struktúrák kialakulásához vezet. [4] .
Az ásványok ( achát , jáspis ) réteges elszíneződése a Liesegang-rétegek kialakulásával függ össze [5] . Liesegang sok fontos megfigyelést tett az achátokkal kapcsolatban, könyvet és nagy cikksorozatot adott ki róluk, és kidolgozta saját elméletét (1915). Véleménye szerint az achátok nem oldatokból, hanem szilikagélekből alakultak ki, amelyek kitöltötték az achátkamrákat, majd „beérnek” bennük - koncentrikus rétegekre osztva kristályosodva kalcedonná alakultak [6] .
Nagyon hasonló képződmények fordulnak elő a finom porózus kőzetek réteges szerkezetében a mállási folyamatok során . Ilyenek például a ritmikus gyűrűk, csíkok, barna vas-hidroxiddal színezett hiperbolák mészkövekben , finomszemcsés homokkőben és más kőzetekben.
Az állatok és az emberek szerveiben található kövek , egyes biológiai szövetek, például a harántcsíkolt izmok , csíkos rétegű szerkezetűek .
kék achát
Liesegang gyűrűi Bretagne szikláin
Liesegang gyűrűk homokkőben
Homokkövek Utahban (USA)
A Liesegang által felfedezett jelenség gyakorlati alkalmazásra talált a fizika és a kémia különböző folyamatainak tanulmányozásában, az iparművészetben, különféle termékek jáspis, malachit, achát stb. utánzattal történő díszítésére. Liesegang mesterséges gyöngyök készítésének technológiáját is javasolta .