渦巻く結晶化学の魅惑的な写真

2021年5月11日午前9時

新しい本は、ミクロの世界に焦点を当て、間近で化学反応の素晴らしい世界を紹介します。

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周期表を暗記した人や、キッチンで発熱反応を起こしたことがある人なら、Wenting Zhu と Yan Liang が元素との関係を新たにしてくれます。

本日発売の300枚の写真集『The Beauty of Chemistry』に収録されている画像を作成するにあたり、チューとリアンは赤外線サーモグラフィー技術に加え、高速・低速度撮影によるマイクロ写真撮影を駆使し、読者を分子の微細な世界と、分子間の驚くべき反応の世界へと誘います。サイエンスライターのフィリップ・ボールは、原子レベルの明快さで、雪片の独特な対称性を生み出す原理の解説から、ケイ酸塩が作り出す生命のような触手と生命の起源との関連まで、私たちを取り巻く過小評価されている化学的美を視覚的に紹介します。

おそらくこれらの概念の中で最も基本的で驚くべきものは、文字通り生命の材料である水を結び付けている水素結合です。各水分子は、酸素原子に結合した 2 つの水素原子で構成されていますが、酸素は外殻に 6 つの電子を持っています。水素との化学結合を形成するために必要な電子は 2 つだけなので、2 つずつ「ぶら下がっている」ペアになった 4 つの負に帯電した電子は、バランスを取る方法を求めて微小空間で漂っています。これらのペアは、隣接する水分子に結合した水素原子を弱く引っ張り、1 兆分の 1 秒の短い結合を形成してから壊れ、別の水素原子と再形成します。そして、この一定で絶え間ないダンスこそが、生命を可能にする化学運動を可能にし、ボールが秩序と混沌の間を漂う「分子対話」と呼ぶものです。

この水酸化クロムの沈殿物は、容器内で渦を巻きながら希釈され、固化の過程にあります。この反応は、正と負の両方の電荷を持つイオンを含む2つの液体化合物が出会い、分子交換反応（パートナーを交換する反応）を行うことで発生します。この場合、塩化クロムと水酸化ナトリウムがイオンを交換します。正に帯電したクロム分子と負に帯電した水酸化物分子は、エネルギー的にバランスが取れているため、互いに引き合います。両者は強固な結合を形成し、分子を所定の位置に固定します。その結果、すべての水分子がきれいに収まる余地のない固体の副産物が生成されます。この反応により、一般に食塩として知られる塩化ナトリウムも生成されます。これは水によく溶けます。

結晶は原子効率の頂点です。高度に組織化された原子の小さな種から、周囲の分子が同じパターンを繰り返し、互いに積み重なっていくことで、結晶構造は成長していきます。上の写真のような硫酸銅の結晶は、化学を志す人でも、いくつかの材料と少しの忍耐力があれば、自宅で簡単に作ることができます。

上の写真のような樹枝状成長は、大きな結晶塊ではなく、枝分かれした樹木のような構造を形成する結晶化の一種です。上図は、ニコチン酸（必須ビタミンであるナイアシンとしても知られる）の過飽和溶液を急速冷却すると、タンポポのような結晶構造を形成する様子です。樹枝状成長の物理的プロセスは結晶化と基本的に同じですが、温度や化学組成の急激な変化によって加速される点が異なります。

ここに見えるのは、周囲の水分が急速に蒸発するにつれて二クロム酸カリウム溶液が結晶化する様子です。この模様は溶液の組成変化によって生じます。これは成長不安定性と呼ばれる現象の一例で、特定の領域で粒子が凝集しやすくなり、結晶化が速くなり、精巧なフラクタル模様が形成されます。

硝酸銀の中心液滴がカリウムを含むゲル層に拡散すると、リーゼガング環が形成されます...

1986年にドイツの化学者ラファエル・リーゼガングによって初めて発見された、この奇妙なリングはゲル内の沈殿反応によって生成されます。二クロム酸カリウムが入ったペトリ皿に硝酸銀を加えます。2つの化合物は沈殿、つまりイオン交換を起こし、接触した場所でクロム酸銀を生成します。これらのリングが形成される理由については諸説ありますが、多くの科学者は、最初に沈殿したクロム酸銀が過飽和状態になり、ゲル中を拡散して新たな化学物質の集積領域を形成し、そこで濃度が再び飽和状態になり、同心円状のリングを形成すると考えています。

「カメレオンミネラル」としても知られる過マンガン酸カリウムは、極めて正に帯電した化合物で、酸化剤として知られています。酸素はそれ自体、周囲の原子から電子を借りる性質があります。砂糖溶液中では、過マンガン酸カリウム中の酸素が砂糖分子から電子を引き抜き、「酸化還元」反応を引き起こします。過マンガン酸カリウムが電子を受け取り、化学平衡に近づくにつれて、色は紫から緑、青、そして赤褐色へと変化します。

この硫酸鉄アンモニウムの中空枝は、化学庭園、つまり溶解した鉄塩で満たされたケイ酸塩溶液の中に浮遊しており、その後沈殿します。ケイ酸塩イオンは長い鎖やシート状になる傾向があるため、典型的な沈殿反応を、角度のある枝と鮮やかな花で満たされた無機庭園を生み出すプロセスへと変化させます。鉄塩は周囲の溶液とイオンを交換して固化すると、薄い中空の膜を形成します。この膜の内部は水で満たされており、外部の液体よりも密度が低くなっています。これらのチューブ内の圧力が高まると、チューブは枝分かれして予測できない形で成長していきます。

2021 年 5 月 13 日午後 4 時 30 分 (EST) に更新: 二クロム酸カリウムの結晶化の画像のキャプションが更新されました。

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