XXIV Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Пластификация кости: тайна старинного рецепта
Автор работы награжден дипломом победителя III степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Введение
Объект исследования: художественная обработка кости.
В 1942—1943 годах выдающимся российским ученым и фантастом И.Е. Ефремовым был написан научно-фантастический рассказ «Эллинский секрет», изданный в 1966 году.
В рассказе описывается история фронтовика скульптора Леонтьева, который решил изваять из слоновой кости статую своей любимой девушки Ирины. На войне он был ранен в правую руку, что не позволяло ему работать со столь твердым материалом, как слоновая кость. Руководствуясь советами профессора психоневролога, Леонтьевнаучился управлять своими сновидениями и пробудил в себе память далёкого предка-скульптора, жившего в Древней Элладе и владевшего техникой размягчения слоновой кости. Размягченная кость становится податливым материалом, пригодным для лепки. Готовая статуя вновь застывает и становится твёрдой.
Мы задались вопросом – возможен ли описанный в фантастическом рассказе процесс?
Предмет исследования: химическая обработка кости посредством её обратимой пластификации.
Цель исследования: восстановление старинного рецепта обратимой пластификации кости.
Для достижения этой цели необходимо решить следующие задачи:
-
Изучить литературу о составе и строении костей.
-
Изучить физико-химические процессы, в которых могут участвовать кости.
3. Высказать предположение о химических основах обратимой пластификации.
4. Проверить предположение посредством эксперимента.
-
Теоретическая часть
Химический состав и строение костей
Кости – составные части скелета человека, а также других животных. Они являются “каркасом”, на котором держится все тело. Для выполнения этой функции, кости должны быть легкими и прочными. Костная компактная ткань, из которой состоят стенки средних участков длинных трубчатых костей человека и животных представляет собой композит, включающийорганические и неорганические составляющие.
Один из двух основных компонентов костной ткани – фибриллярный белок коллаген. Его молекулы имеют длину около 3000 ангстрем. Молекулы коллагена свиты друг с другом, образуя длинные волокна – микро фибриллы, диаметром около 35 ангстрем. Внутри микрофибрилл в промежутках между молекулами коллагена включены кристаллы второго главного компонента кости неорганического вещества – гидроксилапатита Ca10(PO4)6(OH)2 длиной до 400 ангстрем и диаметром 10-50 ангстрем.
Физико-химические взаимодействия, в которых могут участвовать кости
Информация о существовании рецепта обратимого размягчения кости не была фантазией И.Е. Ефремова. О нем давно знают археологи. Более того, они поставили массу экспериментов с целью отыскать этот утерянный в веках рецепт. Так однажды польский археолог К. Журовский обратил внимание на то, что костяная ложечка, погруженная в горчицу, по прошествии некоторого времени размякла. Однако стоило убрать её из горчицы, и ложечка снова приобрела первоначальную твердость. Было высказано предположение, что причиной размягчения является действие кислоты, содержащейся в горчице. Продолжая свои опыты, польский археолог погрузил куски оленьих рогов в раствор воды с растертыми листьями щавеля. Спустя неделю размяк верхний трехмиллиметровый слой костной ткани, а через полтора месяца рога можно было резать, как дерево. Вынутые из раствора, они через два дня стали затвердевать, а на четвертый обрели прежнюю твердость. При последующих экспериментах Журовский использовал самые различные составы, содержащие кислоту, и наилучшим среди них показало себя кислое молоко.
-
Экспериментальная часть
Вероятно, процесс размягчения кости связан с частичным растворением ее неорганической составляющей.
Процесс этот может быть выражен уравнением (1):
Ca10(PO4)6(OH)2 + 8H+ ↔10Ca2+ + 6HPO42- + 2H2O (1)
Однако полное растворение фосфатов кальция приводит к образованию гибкой «резиновой» кости, которая не способна к последующему затвердеванию. Следовательно, необходимо нахождение такого режима обработки раствора кислым раствором, который бы обеспечил лишь уменьшение кристаллов неорганических фрагментов кости, которые могли бы позже быть восстановлены.
На первом этапе были подготовлены образцы для опытов.
Использовалась трубчатая кость ноги курицы, из которой были вырезаны два фрагмента (см. рис.1).
Рис.1. Фрагмент трубчатой кости ноги курицы
Пластифицирующий раствор представлял собой 5% раствор соляной кислоты. В нем образцы выдерживались в течение недели. После извлечения образцов проводилась их проверка на пластичность. Оба образца проявили пластические свойства (см. рис.2).
Рис.2.Образец после пластификации в 5% растворе соляной кислоты
Дальнейшие эксперименты были связаны с осуществлением обратного процесса – отверждения кости.
Восстановление твердости кости возможно в том случае, если равновесие химической реакции (см. уравнение 1) удастся сместить влево.
Были рассмотрены несколько вариантов реализации этого процесса.
-
Размягчившаяся кость извлекается из раствора и сохраняется на воздухе. Благодаря испарению хлороводорода из раствора равновесие реакции 1 смещается влево. Кроме того, из-за наличия в воздухе углекислого газа образуется твердый карбонат кальция (см. уравнение 2) CaCl2 + CO2 +H2O↔ CaCO3 + 2HCl (2)
-
Размягчившаяся кость остается в кислом растворе, но благодаря испарению хлороводорода из раствора соляной кислоты концентрация ионов водорода в растворе снижается и равновесие реакции (1) смещается влево.
-
Размягчившаяся кость переносится в раствор растворимой соли кальция. Это также приводит к смещению равновесия реакции (1) влево.
4. Размягчившаяся кость помещается в водный раствор аммиака. В этом случае связываются ионы водорода и равновесие реакции также смещается влево.
NH3 + H2O ↔NH4++ OH- (3)H+ + OH- →H2O (4)
Во всех этих случаях должен наблюдаться рост кристаллов гидроксилапатита Ca10(PO4)6(OH)2, что должно сопровождаться затвердеванием кости.
Мы поставили эксперименты по реализации всех этих возможных вариантов проведения процесса.
При выдерживании пластифицированной кости на воздухе в течение недели происходит её затвердевание. Результат этого опыта говорит о том, что большая часть ионов кальция при пластификации не покидает костный материал, а остается внутри.
Это объясняет неудачу опыта по отверждению кости в растворе соляной кислоты, из которого постепенно удалялся хлороводород. Процесс проводился в эксикаторе с раствором едкого натра.
Третий вариант отверждения также оказался не эффективным. Недельное выдерживание пластифицированной кости в растворе хлорида кальция существенно не повлияло на её пластичность.
Заключение
Наши эксперименты показали практическую возможность пластификации кости. Однако нахождение способа полного восстановления ее механических свойств требует дополнительных исследований.
Литература
1. Ефремов И.Е. Эллинский секрет. –М.: АСТ, 2005. – 384 с.
2. Малинова Р., Малина Я. Прыжок в прошлое: Эксперимент раскрывает тайны древних эпох. Пер. с чеш. - М.: Мысль, 1988. – 271 с.
3. Утенькин А.А. Кость – многоэтажный композит //Химия и жизнь, 1981, №4. –С. 38-40