Z
namy doskonale wiele farb, je-
żeli nie z praktyki, to ze słysze-
nia. Są farby emulsyjne, które
przede wszystkim służą do malo-
wania ścian w domach wewnątrz
i zastąpiły stare, ścierające się
i łuszczące farby klejowe. Farbami
nitro malowane są metale, a olej-
nymi drewno. Gdy potrzebna jest
chemoodporność, sięgamy po far-
by chlorokauczukowe albo poliwi-
nylowe. Z kolei farby epoksydowe
i poliuretanowe odznaczają się
twardością i wodoodpornością,
dlatego używają ich szkutnicy.
Wysokie temperatury dobrze zno-
szą farby silikonowe.
Ale dosyć tej wyliczanki. Od-
powiedzmy sobie teraz na pytanie
– jaką rolę spełniają wymienione
farby? Dekoracyjno-ochronną.
Tak, to jest właściwa odpo-
wiedź. A czy farby mogą spełniać
rolę termometrów albo świecić
w ciemności? Oczywiście. I to
właśnie nimi będziemy się dzisiaj
zajmować.
F A R B Y T E R M I C Z N E
Wyobraźmy sobie, że dziennikarz piszący repor-
taż zwiedza zakład syntez chemicznych. Oprowadza
go i informacji udziela młody inżynier technolog. Obaj
wchodzą do hali gęsto zastawionej wielkimi reaktora-
mi i oto nagle, nie patrząc na żadne przyrządy pomia-
rowe czy tablice rozdzielcze, po prostu już z daleka,
inżynier zwraca uwagę dyżurnemu technikowi, że
w którymś tam reaktorze temperatura przekroczyła
dopuszczalną granicę.
Dziennikarza zaciekawiło, w jaki sposób inży-
nier na taką odległość stwierdził nadmierną tempera-
turę reaktora.
– To bardzo proste – odpowiada zapytany. – Niech
pan spojrzy, jakiego koloru są te paski na pokrywach
reaktorów.
– Zielony na białym tle – mówi dziennikarz. – Ale co to
ma wspólnego z temperaturą?
I wtedy oprowadzający wyjaśnia sprawę dok-
ładniej:
– Gdy temperatura reaktora przekroczy 180°C, ten zie-
lony pasek na białym tle staje się czerwony. Właśnie
po tym, wchodząc do hali, od razu poznałem, że w od-
ległym od nas reaktorze temperatura wzrosła nadmier-
nie. Mamy tu do czynienia z farbami termicznymi, tzw.
termokolorami, czy farbami zmieniającymi odwracalnie
swoją barwę w ściśle określonych temperaturach.
– A co to znaczy odwracalnie? – Chce wiedzieć dzien-
nikarz.
– Farby termiczne – mówi inżynier – zmieniają swoje
barwy zawsze w tych samych temperaturach. A więc
np. oglądana przez nas farba w temperaturze 180°C sta-
je się czerwona. Ale gdy temperatura opadnie do 175°C,
czerwony kolor znika i farba znów staje się zielona.
Dziennikarz jest dociekliwy:
– To znaczy, że nie używacie tutaj termometrów?
– Ależ skąd – zaprzecza szybko gospodarz i wyjaśnia:
– Na każdym reaktorze zainstalowany jest termometr,
którego wskazania drogą elektroniczną są przekazywa-
ne do głównej tablicy rozdzielczej i tam rejestrowane.
Ale w razie awarii zasilania i podczas silnych wyłado-
wań atmosferycznych przekazy elektroniczne ustają al-
bo mogą być błędne. A termofarby działają zawsze. To
nasza dodatkowa klapa bezpieczeństwa. Tu następuje
koniec scenki i wracam do swojego tekstu.
Dziś znane są farby termiczne, które ogrzewane
stopniowo do 400°C zmieniają swoją barwę 3 do 5 ra-
zy. Niestety my takich nie wykonamy, bo konieczne są
do tego bardzo skomplikowane odczynniki. Za to z po-
wodzeniem możemy zrobić farby termiczne zmieniają-
ce swe barwy w temperaturach 126–127°C i 40–45°C.
Na początek zapoznajmy się z prostymi związkami
chemicznymi zmieniającymi swoją barwę w zależnoś-
ci od temperatury. Przykładem będzie tu biel cynko-
wa, czyli tlenek cynku – ZnO. Tlenek cynku jest zupeł-
nie biały, a ogrzany powyżej 180°C przybiera kolor
starej kości słoniowej, a więc brunatnożółty. Gdy tem-
peratura tlenku cynku spadnie poniżej 180°C, przybie-
ra powoli on kolor biały.
J O D E K R T Ę C I Z M I E N I A B A R W Ę
Zanim przystąpimy do doświadczeń z farbami
termicznymi, przypominamy, że będziemy mieli do
czynienia z substancjami toksycznymi: zarówno meta-
liczna rtęć, jak i jej wszystkie związki są dla naszego
organizmu bardzo szkodliwe. Dlatego nasze prace mu-
simy wykonywać na kuwecie albo tacy z podniesiony-
mi brzegami po to, żeby zabezpieczyć się przed rozsy-
pywaniem czy rozlaniem odczynników, a już specjal-
nie metalicznej rtęci.
Po każdym doświadczeniu trzeba dokładnie
umyć ręce, a wszystkie preparaty tak zabezpieczyć,
żeby nie dobrało się do nich nasze młodsze rodzeń-
stwo.
c h e m i a p r a k t y c z n a
Z zawodu chemik. Z pasji – po-
pularyzator nauki. Z charakteru
nieugięty bojownik o prawdę.
Żołnierz AK, powstaniec war-
szawski. W czasie czynnego ży-
cia zawodowego kierownik Pra-
cowni Badań Jakości Powłok w
Instytucie Mechaniki Precyzyjnej.
Autor wielu prac naukowych i po-
nad 50 książek popularnonauko-
wych. Na tych publikacjach wy-
chowały się już dwa pokolenia
chemików. Już od 1952 roku pi-
sze do „Młodego Technika”.
Stefan Sękowski
TEKST ŒREDNIO TRUDNY
Są farby i farby
S t e f a n S ę k o w s k i
5
51
1
chemia k.qxd 2007-02-20 16:42 Page 51
A teraz do roboty. Zmiana koloru tlenku cynku
w zależności od temperatury nie jest zbyt ostra, a co
najważniejsze, nie zachodzi wyraźnie w wąskim zak-
resie temperatury, ale jest jakby rozlana. Dlatego
znacznie lepszym związkiem-termometrem może być
jodek rtęci – HgJ
2
. W zwykłej temperaturze jest on
jaskrawoczerwony, a w temperaturze 126–127°C przy-
biera kolor żółty.
Ponieważ podstawowym surowcem do wyrobu
naszych farb termicznych będzie właśnie jodek rtęci,
trzeba pracę rozpocząć od jego wykonania.
Otrzymać go można dwoma sposobami – pier-
wszy polega na dokładnym rozcieraniu w moździerzy-
ku rtęci z podwójną ilością jodu, a więc np. 5 g rtęci
i 10 g jodu.
Mimo że ten sposób na pierwszy rzut oka wy-
daje się łatwy, to radzimy postępować inaczej: Kilka
kropli rtęci rozpuszczamy w 10–15 cm
3
kwasu azoto-
wego. W oddzielnej probówce rozpuszczamy w wo-
dzie 3–5 g jodku potasu KJ, a potem ten roztwór wle-
wamy do poprzedniego roztworu azotanu rtęci. W wy-
niku reakcji podwójnej wymiany nastąpi teraz wytrą-
canie się pięknego, czerwonego osadu jodku rtęci. –
HgJ
2
, z równoznacznym powstaniem dobrze rozpusz-
czalnego azotanu potasu – KNO
3
.
Hg(NO
3
)
2
+ 2 KJ
–––
>
2KNO
3
+ HgJ
2
Pamiętajmy tylko, żeby nie zmieniać podanych
proporcji. Rozumowanie takie – no, dodam jeszcze 1
albo 2 gramy sodku potasu, to otrzymam „lepszy” jo-
dek rtęci, jest błędne. Mówmy otwarcie – będzie zu-
pełnie odwrotnie. Jodku potasu nie otrzymamy w ogó-
le. Ściślej mówiąc, co prawda przejściowo powstanie
osad HgJ
2
, ale w obecności nadmiaru KJ rozpuści się
on od razu. A więc w chemii jest tutaj tak, jak w życiu
– co za dużo, to niezdrowo.
Zebrany na dnie osad jodku rtęci odsączamy
i przemywamy kilkanaście razy wodą na sączku. Po
zdjęciu z bibuły osad suszymy w powietrzu.
A teraz odrobinę jodku rtęci nakładamy cieniut-
ką warstewką na bibułę. Jeśli mamy lupę, to możemy
łatwo stwierdzić, że nasz proszek składa się z maleń-
kich czworokątnych kryształków. Bibułę z jodkiem rtę-
ci lokujemy na kawałku grubej blachy i ogrzewamy od
dołu, ale bardzo powoli.
Dlaczego trzeba ogrzewać przez grubą blachę?
Chodzi tu o to, żeby zapewnić równomierny,
a co najważniejsze, powolny wzrost temperatury. Mu-
simy pamiętać, że przy ogrzewaniu do temperatury
250°C jodek rtęci już ulega rozkładowi.
I tak w miarę powolnego ogrzewania zauważa-
my, że w pewnym momencie czerwony proszek zbled-
nie i przybierze kolor jaskrawocytrynowożółty. Jeśli te-
raz obejrzymy jodek przez lupę, to zaraz stwierdzimy,
że kryształki zmieniły nie tylko barwę, ale i postać.
Żółtą substancją tworzą teraz kryształki, ale
równoległościenne, o wyraźnie rombowym kształcie.
I odwrotnie, podczas powolnego stygnięcia, przy tem-
peraturze 126°C jodek rtęci z żółtego przejdzie z pow-
rotem w czerwony.
Przemiany takie możemy przeprowadzić nieog-
raniczoną ilość razy, byle tylko nie przekroczyć tempe-
ratury 250°C.
T Y L K O D L A C Z Y S T Y C H I S T A R A N N Y C H
I jeszcze jedno efektowne doświadczenie z jod-
kiem rtęci. Ale pamiętajmy, uda się ono tylko wtedy,
jeśli zachowamy naprawdę dużą czystość.
Zaczynamy. Do małej parowniczki wsypujemy
kilka gramów swojego związku i przykrywamy naczy-
c h e m i a p r a k t y c z n a
HgJ
2
4
6
5
1
2
3
1 – staranne umycie rąk i sprzętu,
2 – otrzymanie jodku rtęci,
3 – gotowy preparat,
4 – mycie szkła,
5 – sublimacja HgJ
2
na szybkę szklaną,
6 – rysowanie na płytce pokrytej przechłodzonym jodkiem rtęci.
5
52
2
chemia k.qxd 2007-02-20 16:42 Page 52
nie kawałkiem dokładnie umytego i suchego szkła. Te-
raz parowniczkę stawiamy na siatce azbestowej i po-
woli, bardzo powoli ogrzewamy. I w tym przypadku
chodzi o temperaturę powyżej 130°C, ale oczywiście
poniżej 250°C.
Gdy już wszystko dokładnie wykonamy, to za-
uważmy, że w miarę ogrzewania na powierzchni
szkiełka nakrywającego parowniczkę zaczną się zbie-
rać cienkie, żółtawozłote blaszki. Ogrzewajmy parow-
niczkę powoli dalej, aż cała dolna powierzchnia szkieł-
ka pokryje się cienką, ale jednolitą warstewką żółtych
kryształków jodku rtęci. Wtedy przerywamy ogrzewa-
nie, a płytkę z żółtawym nalotem odwracamy i kła-
dziemy dokładnie poziomo tak, żeby ostygła i osiągnę-
ła temperaturę otoczenia.
Jeżeli w trakcie przeprowadzenia doświadcze-
nia zachowaliśmy dużą czystość, to ze zdziwieniem
zaobserwujemy teraz, że kolor jodku rtęci pozostaje
ciągle żółty, mimo ostudzenia go aż do temperatury
pokojowej. A przecież z poprzedniego doświadczenia
wiemy, że punktem przemiany barwnej czerwonego
jodku rtęci w żółty jest temperatura 126–127°C. Czyż-
by tym razem związek uległ jakiemuś rozkładowi,
a może uszkodzeniu, że nie przybiera koloru odpo-
wiedniego do danej temperatury?
Łatwo się przekonamy, że tak nie jest. Weźmy
cienki pręcik metalowy albo szklany i bardzo powoli
dotknijmy nim w kilku miejscach nasz jodek rtęci. Wy-
woła to niespodziewany efekt. Te miejsca, które zos-
tały dotknięte czy poruszone pręcikiem, staną się na-
tychmiast czerwone.
Korzystając z tego ciekawego zjawiska, może-
my wykonać bardzo efektowną demonstrację. – Po
pokryciu w opisany sposób szklanej płytki warstewką
żółtawego jodku rtęci, możemy wprost pisać, a nawet
rysować na jego powierzchni, a każdemu dotknięciu
pręcika towarzyszy powstanie czerwonych punktów
czy kresek. Możemy więc otrzymać wyraźne litery al-
bo prosty rysunek czerwony na żółtym tle. Zadziwiają-
ce jest to, dlaczego jodek rtęci nie zmienił swojej bar-
wy sam, samorzutnie.
Przypominamy więc sobie teraz, jak wielki na-
cisk kładliśmy na czystość. Bo właśnie w warunkach
dużej czystości i przy braku mechanicznych tarć
i wstrząsów, żółte kryształki jodku rtęci mogą przeby-
wać godzinami w normalnej temperaturze pokojowej
bez zmiany barwy. Taki stan można porównać najle-
piej z roztworem przechłodzonej cieczy (przypomnijmy
tu sobie doświadczenie z chemiczną grzałką opisane
w numerze 7/06, bo zarówno w jednym, jak i w drugim
przypadku jest to jakby równowaga nietrwała i wy-
starczy najmniejsze zanieczyszczenie, tarcie czy lekki
wstrząs, żeby momentalnie zapoczątkować przemianę.
A w normalnych warunkach, gdy nie dbamy
specjalnie o zachowanie czystości, zawsze obecne za-
nieczyszczenia i obce domieszki nie dopuszczają do
powstania stanu równowagi nietrwałej i gdy tylko
temperatura jodku rtęci obniży się do 125°C, od razu
zmienia się barwa związku na czerwoną.
F A R B A T E R M I C Z N A S Y G N A L I Z U J Ą C A 6 0 – 6 5
O
C
Jak zaobserwowaliśmy na podstawie poprzed-
niego doświadczenia, zmiana barwy jodku rtęci pod-
czas ogrzewania i studzenia jest co prawda widoczna
i ostra, ale sam związek jest trochę kapryśny jak na
kolorowy chemiczny termometr. Dlatego do wyrobu
prawdziwych farb termicznych stosowany jest zwią-
zek o trochę innym składzie chemicznym. Teraz właś-
nie podamy, jak wykonać farbę zmieniającą odwracal-
nie swoją barwę z czerwonej na brunatną w tempera-
turze 60–65°C.
W 20 cm
3
wody destylowanej rozpuszczamy
2,5 g jodku potasu KJ. Gdy jodek już całkowicie się
rozpuści, do roztworu wsypujemy 8 g jodku rtęci
HgJ
2
. I to będzie nasz roztwór 1. A w drugiej probów-
ce w 20 cm
3
destylowanej wody rozpuszczamy 4 g
siarczanu miedzi – CuSO
4
· 5H
2
O i to będzie roztwór 2.
Teraz roztwór 2 przelewamy do zlewki i dolewamy
małymi porcjami, stale mieszając, roztwór 1. Miesza-
niu roztworów towarzyszy powstawanie czerwonego
osadu powoli opadającego na dno. Nasz osad stanowi
dość skomplikowany związek zawierający między in-
nymi jod, rtęć i miedź.
Po półgodzinnym odstaniu, klarowną ciecz zle-
wamy ostrożnie znad osadu, który teraz przenosimy na
sączek z bibuły. Osad na sączku trzeba starannie prze-
myć kilkanaście razy wodą destylowaną. Suchy i drob-
no roztarty osad można albo rozrobić z pokostem, ot-
rzymamy wtedy farbę termiczną do pokrywania po-
wierzchni metalowych, ceramicznych i drewniany, al-
bo zmieszać z rzadkim klejem z mąki. W tym ostatnim
przypadku powstają farby, którymi wykonamy napisy
czy rysunki na papierze i kartonie. Nasze rysunki po
wyschnięciu są czerwone, jednak gdy zbliżymy je do
pieca, żarówki albo grzejnika, stają się brunatne, a po
ostygnięciu znów przybiorą barwę czerwoną.
D z i ś z n a n e s ą f a r b y t e r m i c z n e , k t ó r e o g r z e w a n e s t o p n i o w o
d o 4 0 0 ° C z m i e n i a j ą s w o j ą b a r w ę 3 d o 5 r a z y.
HgJ
2
HgJ
2
¯Ó£TY
CZERWONY
126
O
Jodek rtęci zmienia swoją barwę w temperaturze 126°C
5
53
3
chemia k.qxd 2007-02-20 16:42 Page 53
Farbami termicznymi, uzyskanymi przez zmie-
szanie otrzymanego proszku z pokostem, możemy na-
malować wąskie paski np. na grzejniku. W tym przy-
padku kolor farby będzie sygnalizował, czy tempera-
tura grzejnika jest niższa czy wyższa od 60–65°C.
F A R B A T E R M I C Z N A S Y G N A L I Z U J Ą C A 4 0 – 4 5
O
C
W 200 cm
3
wody destylowanej rozpuszczamy
5 g jodku potasu.
Po ogrzaniu do roztworu dodajemy 8 g jodku
rtęci i mieszamy do całkowitego rozpuszczenia. Bę-
dzie to roztwór 1.
W drugiej probówce w 10 cm
3
wody destylowa-
nej rozpuszczamy 2,5 g azotanu srebra – AgNO
3
. Bę-
dzie to roztwór 2 (tę czynność musimy przeprowadzić
w zaciemnionym pokoju).
Po ostudzeniu do roztworu 1 wlewamy, stale
mieszając, roztwór 2. Czekamy, aż wytrącony cytryno-
wy osad, stanowiący połączenie srebra, jodu i rtęci,
osiądzie całkowicie na dnie naczynia i zlewamy wte-
dy ostrożnie klarowną ciecz znad niego, a osad prze-
nosimy na sączek. Dokładnie przemywamy osad kilka-
naście razy wodą destylowaną i suszymy go pomię-
dzy bibułami.
I podobnie jak w poprzednim przepisie, po
zmieszaniu proszku z pokostem albo klejem, otrzyma-
my farbę termiczną zmieniającą w temperaturze
40–45°C barwę z cytrynowożółtej na brązową. Obie
opisane farby termiczne są związkami trwałymi, stąd
mogą być bez obawy zniszczenia wielokrotnie ogrze-
wane i studzone i zawsze towarzyszyć temu będzie
zmiana barwy w tej samej temperaturze.
Na zakończenie naszego spotkania kilka słów
o innych związkach używanych do wyrobu farb ter-
micznych. Niestety są to związki skomplikowane.
I zaraz przykłady:
– fosforan niklowo-amonowy – NiNH
4
PO
4
· 6H
2
O,
w temperaturze 120°C z jasnozielonego staje się
szary,
– wandynian amonowy – NH
4
VO
3
, w temperaturze
150°C z białego staje się brązowy, a w temperatu-
rze 170°C – czarny,
– fosforan kobaltowo-amonowy – Co(NH
4
)6PO
4
,
w temperaturze 200°C z żółtego przechodzi w nie-
bieski,
– fosforan manganowo-amonowy – NH
4
MnP
2
O
7
, w tem-
peraturze 400°C z fioletowego przechodzi w biały.
Podawanie ich syntez jest niecelowe.
Za 2 miesiące poznamy farby świecące.
c h e m i a
5
54
4
C Z Y M , D O D I A S K A , J E S T Ś W I A T Ł O ?
Odpowiedź na tak postawione pytanie nie jest
prosta. Mamy bowiem dwa zbiory doświadczeń, które
wydają się całkowicie sprzeczne ze sobą. Z jednej
strony stoją doświadczenia Younga i Hertza, podparte
całym formalizmem elektrodynamiki – teorii doskonale
sprawdzonej w doświadczeniach nad ładunkami
i magnesami, w spoczynku i w ruchu. Ta strona prze-
konuje nas ponad wszelką wątpliwość, że
ŚWIATŁO
TO FALA
.
Po drugiej stronie znajduje się hipoteza Maksa
Plancka, która pozwala wytłumaczyć promieniowanie
ciała doskonale czarnego (Nagroda Nobla w 1918 r.),
zjawisko fotoelektryczne (Nagroda Nobla w 1921 r.)
czy wreszcie efekt Comptona, w którym fotony grają
w bilard z elektronami (Nagroda Nobla w 1927 r.). Ta
grupa przekonuje nas, że
ŚWIATŁO TO
bez wątpienia
STRUMIEŃ CZĄSTEK
.
C Z Y M Z A T E M J E S T Ś W I A T Ł O ? ! ? ! ?
Skoro istnieją doświadczenia, w których światło
raz zachowuje się jak fala (i na pewno nie jak cząs-
tka), a innym razem jak strumień cząstek (i na pewno
nie jak fala), to problem wydaje się być nie do pokona-
nia. Natura jest jakby sama w sobie wewnętrznie
sprzeczna. Bo czy coś może być równocześnie i rowe-
rem, i samochodem? To wydaje się bez sensu!
O D P O W I A D A Ć M O Ż N A T Y L K O
N A R O Z S Ą D N E P Y T A N I A !
A może po prostu nasze pytanie nie do końca
ma sens? Może świat jest tak skonstruowany, że od-
powiedź na to pytanie zależy od tego, podczas jakiego
eksperymentu je zadajemy. Bo w jaki sposób fizyk mo-
że zadawać pytania? Fizyk może tylko przeprowadzać
eksperymenty i sprawdzać, jaki jest ich wynik. Można
przewrotnie powiedzieć, że to właśnie doświadczenie
i pomiar jest pytaniem, a rezultat i wynik są odpowie-
dziami. Zatem jeśli pytaniem jest: „Jak zachowuje się
światło w doświadczeniu Younga?” – to odpowiedzią
jest: „Światło jest falą”. Ale gdy zmieniamy doświad-
czenie np. na badanie efektu fotoelektrycznego, to tak,
jakbyśmy zmienili samo pytanie. Wtedy odpowiedzią
jest: „Światło jest strumieniem cząstek”.
Ten nierozerwalny związek pytań z pomiarami,
które wykonujemy w laboratoriach, jest ideą, która
przyświeca fizykom w mechanice kwantowej – spój-
nej teorii zjawisk zachodzących w mikroświecie.
W najbliższym czasie będziemy o niej sporo mówić
i odkrywać kolejne jej tajniki. Trzeba się jednak przy-
gotować, że będzie to droga pełna niespodzianek
i bezsensownych, wydawałoby się, stwierdzeń. Ale
musi nam ciągle przyświecać jedna myśl: rozstrzyga-
jące, niezależnie od tego, czy coś nam wydaje się głu-
pie, czy mądre, musi być doświadczenie. Tylko doś-
wiadczenie może ocalić lub obalić jakąkolwiek teorię
fizyczną. Na zachętę dodam, że na razie nam, fizykom,
nie udało się jeszcze zrobić żadnego eksperymentu,
który byłby sprzeczny z mechaniką kwantową, choć
czasami prowadzi to do kuriozalnych wniosków.
j a k t o o d k r y l i
eureka!
dokończenie ze str. 50
chemia k.qxd 2007-02-20 16:42 Page 54