co je chemiluminiscence?

Světlušky, medúzy a záře hole – jedno letí, jedno žije hluboko v oceánu a poskytuje zábavu v nočních klubech. Jaký je odkaz? Odpověď je několik zajímavých chemických reakcí, které produkují světlo.

chemiluminiscence je produkce světla z chemické reakce. Dvě látky reagují za vzniku excitovaného (high-energy) meziprodukt, který štěpí uvolnění některé z jeho energii jako fotony světla (viz slovník pojmů všechny termíny, tučně), k dosažení jeho základního stavu (viz Obrázek 1 níže).

A + B -> AB* -> Produkty + Světlo

Nadšeně

intermediate

Chemiluminiscenční reakce se obvykle uvolní tolik tepla, protože energie je vydána jako světlo místo. Luminol vytváří světlo, když reaguje s oxidačním činidlem; chemie této reakce je uvedena v kolonce 1.

Box 1: Luminol, záře-in-the-dark chemické

uvolnění fotonu světla z molekuly luminolu je poměrně složitý, vícestupňový proces. V základním (alkalickém) roztoku existuje luminol v rovnováze se svým aniontem, který nese náboj -2. Na anion může existovat ve dvou formách (nebo tautomers), dva záporné náboje přemístily na kyslíky (enol-formě), nebo na atomů dusíku (ketol-formě; viz Obrázek 3 níže).

Molekulární kyslík (O2) slučuje s enol-forma luminol anion, oxidační to cyklický peroxid. Potřebný kyslík se vyrábí v redox reakce (tj. ten, ve kterém oba redukce a oxidace dojít) zahrnující peroxid vodíku (H2O2), hydroxidu draselného a (například) hexakyanoželeznatanu draselného(III) (K3, také známý jako draselný, červená krevní sůl). Na hexakyanoželeznatan draselný(III) ion (3-) je snížena na hexakyanoželeznatan draselný(II) ion (4-, což hexakyanoželeznatan draselný, K4), zatímco dva atomy kyslíku z peroxidu vodíku oxidují z oxidační stav -1 do 0:

cyklický peroxid, pak se rozkládá dát 3-aminophthalate (3-amino-1,2-benzendikarboxylová kyselina) v vzrušeném stavu, spolu s molekulou dusíku (N2) – viz Obrázek 3 níže. Tato rozkladná reakce je upřednostňována, protože molekula cyklického peroxidu je vysoce nestabilní a reakce zahrnuje rozbití některých slabých vazeb. Je také zvýhodněn kvůli zvýšení entropie (poruchy) v důsledku uvolnění molekuly plynu. Když excitovaný 3-aminoftalát klesne do základního stavu, uvolní se foton modrého světla.

Chemiluminiscence v forenzní

Forenzní vědci používají reakci luminol k detekci krve na místě činu. Směs luminolu ve zředěném roztoku peroxidu vodíku se nastříká na oblast, kde forenzní vědci mají podezření, že je krev. Železo přítomné v haem jednotce hemoglobinu (viz obrázek 4) v krvi působí jako katalyzátor při reakci popsané v kolonce 1. Místnost musí být tmavá a pokud je přítomna krev, bude pozorována modrá záře trvající asi 30 sekund. Forenzní vyšetřovatelé mohou zaznamenat tuto záři pomocí fotografického filmu, který může být použit jako důkaz u soudu pro přítomnost krve na scéně. (Pro pedagogickou činnost o forenzní vědě viz Wallace-Müller, 2011.

Protože železo působí jako katalyzátor, je nutné pouze ve stopovém množství, proto pouze malé množství krve, je nutné vytvořit pozitivní výsledek. To znamená, že krev může být detekována, i když není viditelná pouhým okem.

Jedním z nevýhod pomocí luminolu je, že reakce může být katalyzována pomocí dalších chemických látek, které mohou být přítomny na místě činu, například obsahující měď slitiny, nějaké čištění tekutin, jako jsou bělidla, a dokonce i křen. Chytrý zločinci může vyčistit krev s bělidla, která ničí důkazy o krev, ale bělení koberec může upozornit na zločin dříve. Moč také obsahuje malé množství krve, což může stačit k katalyzování reakce luminolu. Jakmile je luminol aplikován na oblast, může zabránit tomu, aby se tam prováděly další testy. Navzdory těmto nevýhodám je však luminol stále používán forenzními vědci jako nástroj k řešení zločinu.

V nočním klubu

Když se vám podaří záře hůl a začne zářit, světlo, vyrábí je příklad chemiluminiscence (viz Obrázek 5). Žhavicí tyčinky obsahují plastovou trubičku obsahující směs obsahující difenyl-oxalát a barvivo(které dává žhavicí tyči její barvu). Uvnitř plastové trubky je menší skleněná trubice obsahující peroxid vodíku. Když je vnější plastová trubka ohnutá, vnitřní skleněná trubice zaskočí, uvolní peroxid vodíku a zahájí chemickou reakci, která produkuje světlo (viz rámeček 2). Barva světla, kterou žhavicí tyčinka vytváří, je určena použitým barvivem (viz rámeček 3).

chemiluminiscenční reakce, jako jsou reakce v žhavicích tyčinkách, jsou závislé na teplotě. Reakce se zrychluje se zvyšující se teplotou-přichycení žhavicí tyčinky v horké vodě vytvoří fantastickou záři, ale nebude trvat tak dlouho, jak by to bylo při pokojové teplotě. Naopak reakční rychlost se při nízké teplotě zpomaluje; to je důvod, proč drží své záře držet v mrazáku po dobu několika hodin může dovolit držet zářit jasně znovu, když je odstraněn a zahřeje, dlouho poté, co by jinak přestala zářit. Reakce se v mrazničce úplně nezastaví, ale zpomaluje se, takže záře je sotva detekovatelná.

rámeček 2: Chemické záře hole

Když difenyl-železitý reaguje s peroxidem vodíku (H2O2), je oxidována dát fenol a cyklický peroxid. Peroxid reaguje s molekulou barviva dát dvě molekuly oxidu uhličitého (CO2) a v procesu, elektron molekuly barviva je povýšen do excitovaného stavu. Když se excitovaná (vysokoenergetická) molekula barviva vrátí do základního stavu, uvolní se foton světla. Reakce je závislá na pH. Když je roztok mírně zásaditý, reakce vytváří jasnější světlo.

Bezpečnostní poznámka

Fenol je toxický, takže pokud vaše záře hůl úniky, dbejte na to, aby se kapalina na ruce, a pokud ano, omyjte je mýdlovou vodou hned. Viz také věda ve škole obecná bezpečnostní poznámka.

rámeček 3: Co dělá glow sticks různými barvami?

barviva použitá v žhavicích tyčinkách jsou konjugované aromatické sloučeniny (Areny). Stupeň konjugace se odráží v různé barvě vyzařovaného světla, když elektron klesne z excitovaného stavu do základního stavu.

Obývací záře hole

Už jste někdy šel po pláži v noci a vidět jiskry světla kolem vaší nohy? Nebo jste byli v noci na venkově a viděli světlušky poletovat? Toto jsou příklady bioluminiscence a přibližně 90% hlubinného života také vykazuje tento podivný jev. Tyto organismy se vyvinuly k produkci světla, protože mají mnoho užitečných funkcí. Zářící lze použít jako návnadu k lovu kořisti, jako maskování nebo k přilákání potenciálních kamarádů. Některé bakterie dokonce používají bioluminiscenci ke komunikaci.

termín „žhavý červ“ popisuje larvy několika druhů hmyzu, včetně světlušek; některé z nich září, aby vyděsily dravce, zatímco jiné druhy používají svou záři k přilákání kořisti. Existují druhy chobotnice a korýšů, které mohou uvolňovat mraky bioluminiscenční kapaliny, aby zmátly dravce, zatímco uniknou. Tvorové žijící hluboko v oceánu se vyvinuli, aby produkovali hlavně modré nebo zelené světlo, protože dobře propouští mořskou vodu. Je to proto, že modré světlo má kratší vlnovou délku než červené světlo, což znamená, že je absorbováno méně snadno částicemi ve vodě.

Bioluminiscenční reakce pomocí ATP (adenosintrifosfát) jako zdroj energie. Struktura molekul produkujících světlo se u jednotlivých druhů liší, ale všechny mají obecný název luciferin. Struktura světlušky luciferin je znázorněna na obrázku 6, vlevo. Když světlušky záře, luciferin je oxidován na výrobu excitovaného komplexu, který padá zpět na zem, stát, uvolňuje foton světla, stejně jako chemiluminiscenční reakce luminolu popsána v rámečku 1. Nicméně, světlušky nepoužívejte peroxid vodíku a hexakyanoželeznatanu draselného(III) se oxiduje luciferin; místo toho, oni používají molekulární kyslík a enzym zvaný luciferase (to je také obecný název – luciferases se liší druh od druhu).

Luciferase
Luciferin + O2 → Oxyluciferin + Světlo

Tam byli množství experimenty vyšetřující aequorin, protein nalezený v některých medúz, který produkuje modré světlo v přítomnosti vápníku (viz Shaw, 2002, a Furtado, 2009) a mohou tak být použity v molekulární biologii k měření hladiny vápníku v buňkách. Někteří vědci přišli s dalšími nápady, jak v budoucnu využít bioluminiscenci, například samosvorné vánoční stromky. Dokážete si představit nějaké další vzrušující potenciální využití tohoto úžasného přírodního jevu?

Glosář

Anion: atom (nebo skupina atomů), který nese záporný náboj.

ATP: adenosintrifosfát se vyskytuje ve všech známých forem života. Je to primární energetická měna v buňkách. ATP je tvořen z ADP (adenosindifosfát) a fosfát během získávání energie reakce (např. oxidace glukózy), a je rozdělena (na ADP a fosfát) k uvolnění této energie s cílem řídit nepříznivé reakce.

bioluminiscence: produkce světla živými organismy. Bioluminiscence může být výsledkem absorpce světla (fluorescence nebo fosforescence, např. u mnoha hlubinných ryb) nebo chemické reakce (chemiluminiscence, např. u světlušek).

katalyzátor: Látka, která je reakce dochází rychleji, ale že nepodléhá trvalé chemické změny během reakce (tj. není použit v reakci). Katalyzátory pracují tak, že poskytují alternativní cestu pro reakci, která má nižší energii.

chemiluminiscence: Typ luminiscence, při které jsou elektrony excitovány chemickou reakcí, například reakcí luminolu popsanou v kolonce 1.

konjugované: konjugované systémy vznikají hlavně v chemii, když jsou vedle sebe dvojné vazby. Atomy v konjugovaného systému jsou drženy pohromadě kovalentními vazbami a mají střídavě jeden a více dluhopisů (především dvojné vazby, ale triple dluhopisy jsou také schopné v časování). Alkeny jsou ploché; konjugované systémy musí být vždy rovinné, aby umožnily delokalizaci elektronů v celém systému. Molekuly barviva v krabici 3 jsou všechny příklady konjugovaných sloučenin.

kovalentní vazby: vazby mezi dvěma atomy, kde je mezi nimi sdílen pár elektronů.

Přemístily: Když molekuly mají konjugované vazby, elektrony se volně pohybovat po celé konjugovaný systém. Ty jsou označovány jako delokalizované elektrony. Elektrony v benzenovém kruhu jsou delokalizovány, a proto mají všechny vazby uhlík-uhlík stejnou délku.

Fluorescence: Typ luminiscence, při které jsou elektrony excitovány světlem, např. v bezpečnostních značkách na bankovkách.

luminiscence: produkce světla, obvykle při nízkých teplotách, například chemickými reakcemi nebo elektrickou energií. Žhavení je naproti tomu světlo generované vysokými teplotami.

fosforescence: jako fluorescence, ale záře trvá déle (podle některých definic přes 10 nanosekund), například nálepky záře ve tmě.

Foton: kvantový (paket) světelné energie.

Potvrzení

původní verze tohoto článku byla zveřejněna v Chemii Recenzi a je reprodukován s laskavým svolením vydavatele, Philip Allan. Chcete-li se přihlásit k odběru Chemistry Review, časopis zaměřený na studenty školní chemie ve věku 16-19 let, navštivte: www.philipallan.co.uk/chemistryreview