¿Qué es la quimioluminiscencia?

Luciérnagas, medusas y palos luminosos: uno vuela, otro vive en las profundidades del océano y el otro ofrece entretenimiento en clubes nocturnos. ¿Cuál es el enlace? La respuesta son algunas intrigantes reacciones químicas que producen luz.

La quimioluminiscencia es la producción de luz a partir de una reacción química. Dos sustancias químicas reaccionan para formar un intermediario excitado (de alta energía), que se descompone liberando parte de su energía como fotones de luz (véase el glosario para todos los términos en negrita) para alcanzar su estado fundamental (véase la Figura 1, a continuación).

A + B – > AB * – > Productos + Ligeros

Excitados

intermedios

Las reacciones quimioluminiscentes generalmente no liberan mucho calor, porque la energía se libera como luz en su lugar. El luminol produce una luz cuando reacciona con un agente oxidante; la química de esta reacción se muestra en el recuadro 1.

Recuadro 1: Luminol, una sustancia química que brilla en la oscuridad

La liberación de un fotón de luz a partir de una molécula de luminol es un proceso bastante complejo de varias etapas. En una solución básica (alcalina), el luminol existe en equilibrio con su anión, que tiene una carga de -2. El anión puede existir en dos formas (o tensómeros), con las dos cargas negativas deslocalizadas en los oxígenos (la forma enol) o en los nitrógenos (la forma cetol; ver Figura 3, abajo).

El oxígeno molecular (O2) se combina con la forma enol del anión luminol, oxidándolo a un peróxido cíclico. El oxígeno requerido se produce en una reacción redox (es decir, una en la que se producen tanto la reducción como la oxidación) que involucra peróxido de hidrógeno (H2O2), hidróxido de potasio y (por ejemplo) hexacianoferrato de potasio(III) (K3, también conocido como ferricianuro de potasio). El ion hexacianoferrato(III) (3 -) se reduce al ion hexacianoferrato(II) (4 -, dando ferrocianuro de potasio, K4), mientras que los dos átomos de oxígeno del peróxido de hidrógeno se oxidan desde el estado de oxidación -1 a 0:

El peróxido cíclico luego se descompone para dar 3-aminoftalato (ácido 3-amino-1,2 – bencenodicarboxílico) en un estado excitado, junto con una molécula de nitrógeno (N2) – ver Figura 3, a continuación. Esta reacción de descomposición se ve favorecida porque la molécula de peróxido cíclico es altamente inestable, y la reacción implica romper algunos enlaces débiles. También se favorece debido al aumento de la entropía (trastorno) debido a la liberación de una molécula de gas. Cuando el 3-aminoftalato excitado desciende al estado fundamental, se libera un fotón de luz azul.

Quimioluminiscencia en medicina forense

Los científicos forenses usan la reacción del luminol para detectar sangre en la escena del crimen. Se rocía una mezcla de luminol en una solución diluida de peróxido de hidrógeno en el área donde los científicos forenses sospechan que hay sangre. El hierro presente en la unidad hemo de hemoglobina (ver Figura 4) en la sangre actúa como catalizador en la reacción descrita en el Recuadro 1. La habitación debe estar oscura y, si hay sangre, se observará un resplandor azul, que durará unos 30 segundos. Los investigadores forenses pueden registrar este resplandor utilizando una película fotográfica, que puede utilizarse como prueba en el tribunal de la presencia de sangre en la escena. (Para una actividad de enseñanza sobre ciencia forense, ver Wallace-Müller, 2011.

Debido a que el hierro actúa como catalizador, solo se requiere en cantidades mínimas, por lo tanto, solo se requiere una pequeña cantidad de sangre para producir un resultado positivo. Esto significa que la sangre se puede detectar incluso cuando no es visible a simple vista.

Uno de los inconvenientes del uso de luminol es que la reacción puede ser catalizada por otros productos químicos que pueden estar presentes en la escena del crimen, por ejemplo, aleaciones que contienen cobre, algunos líquidos de limpieza como lejía e incluso rábano picante. Los criminales inteligentes pueden limpiar la sangre con lejía, que destruye la evidencia de la sangre, pero blanquear la alfombra puede alertar a la gente sobre el crimen antes. La orina también contiene pequeñas cantidades de sangre, que pueden ser suficientes para catalizar la reacción del luminol. Una vez que el luminol se ha aplicado en el área, puede impedir que se realicen otras pruebas allí. Sin embargo, a pesar de estos inconvenientes, el luminol todavía es utilizado por los científicos forenses como una herramienta para resolver el crimen.

En la discoteca

Cuando aprietas un palo luminoso y comienza a brillar, la luz producida es un ejemplo de quimioluminiscencia (ver Figura 5). Las barras luminosas comprenden un tubo de plástico que contiene una mezcla que incluye oxalato de difenilo y un tinte (que le da a la barra luminosa su color). Dentro del tubo de plástico hay un tubo de vidrio más pequeño que contiene peróxido de hidrógeno. Cuando el tubo de plástico exterior está doblado, el tubo de vidrio interior se rompe, liberando el peróxido de hidrógeno e iniciando una reacción química que produce luz (véase el recuadro 2). El color de la luz que produce una barra luminosa viene determinado por el tinte utilizado (véase el recuadro 3).

Las reacciones de quimioluminiscencia, como las de las barras luminosas, dependen de la temperatura. La reacción se acelera a medida que aumenta la temperatura: al romper la barra luminosa en agua caliente, se producirá un resplandor fantástico, pero no durará tanto como lo haría a temperatura ambiente. Por el contrario, la velocidad de reacción se ralentiza a baja temperatura; esta es la razón por la que mantener la barra luminosa en el congelador durante varias horas puede permitir que la barra vuelva a brillar nuevamente cuando se retira y calienta, mucho después de que de otro modo hubiera dejado de brillar. La reacción no se detiene por completo en el congelador, pero se ralentiza para que el brillo sea apenas detectable.

Box 2: Química de las barras luminosas

Cuando el oxalato de difenilo reacciona con el peróxido de hidrógeno (H2O2), se oxida para dar fenol y un peróxido cíclico. El peróxido reacciona con una molécula de tinte para dar dos moléculas de dióxido de carbono (CO2) y en el proceso, un electrón en la molécula de tinte se promueve a un estado excitado. Cuando la molécula de tinte excitada (de alta energía) regresa a su estado fundamental, se libera un fotón de luz. La reacción depende del pH. Cuando la solución es ligeramente alcalina, la reacción produce una luz más brillante.

Nota de seguridad

El fenol es tóxico, por lo que si su barra luminosa tiene fugas, tenga cuidado de no mancharse las manos con el líquido; si lo hace, lávelas con agua jabonosa de inmediato. Vea también la nota de seguridad general de Science in School.

Recuadro 3: ¿Qué hace que los palos luminosos sean de diferentes colores?

Los colorantes utilizados en las barras luminosas son compuestos aromáticos conjugados (arenos). El grado de conjugación se refleja en el diferente color de la luz emitida cuando un electrón cae del estado excitado al estado fundamental.

Palos luminosos vivos

¿Alguna vez has caminado por una playa de noche y visto chispas de luz alrededor de tus pies? ¿O ha estado en el campo por la noche y ha visto luciérnagas revoloteando? Estos son ejemplos de bioluminiscencia y alrededor del 90% de la vida de los fondos marinos también exhibe este extraño fenómeno. Estos organismos han evolucionado para producir luz porque tiene muchas funciones útiles. El resplandor se puede usar como señuelo para atrapar presas, como camuflaje o para atraer parejas potenciales. Algunas bacterias incluso usan la bioluminiscencia para comunicarse.

El término «luciérnaga» describe las larvas de varias especies de insectos, incluidas las luciérnagas; algunas de ellas brillan para ahuyentar a los depredadores, mientras que otras especies usan su brillo para atraer a sus presas. Hay especies de calamares y crustáceos que pueden liberar nubes de líquido bioluminiscente para confundir a los depredadores mientras escapan. Las criaturas que viven en las profundidades del océano han evolucionado para producir principalmente luz azul o verde porque se transmite bien a través del agua de mar. Esto se debe a que la luz azul tiene una longitud de onda más corta que la luz roja, lo que significa que es absorbida menos fácilmente por las partículas en el agua.

Las reacciones bioluminiscentes utilizan ATP (trifosfato de adenosina) como fuente de energía. La estructura de las moléculas productoras de luz varía de especie a especie, pero a todas se les da el nombre genérico de luciferina. La estructura de luciferina de luciérnaga se muestra en la Figura 6, a la izquierda. Cuando las luciérnagas brillan, la luciferina se oxida para producir un complejo excitado, que vuelve a caer al estado fundamental, liberando un fotón de luz, al igual que la reacción quimioluminiscente del luminol descrita en el Recuadro 1. Sin embargo, las luciérnagas no usan peróxido de hidrógeno y hexacianoferrato de potasio(III) para oxidar la luciferina; en cambio, usan oxígeno molecular y una enzima llamada luciferasa (este también es un nombre genérico: las luciferasas varían de especie a especie).

Luciferasa
Luciferina + O2 → Oxiluciferina + Luz

Ha habido una serie de experimentos que investigan la aequorina, una proteína que se encuentra en ciertas medusas, que produce luz azul en presencia de calcio (ver Shaw, 2002 y Furtado, 2009) y, por lo tanto, se puede usar en biología molecular para medir los niveles de calcio en las células. Algunos científicos han ideado otras ideas para utilizar la bioluminiscencia en el futuro, por ejemplo, árboles de Navidad autoiluminados. ¿Puedes pensar en otros usos potenciales emocionantes para este increíble fenómeno natural?

Glosario

Anión: un átomo (o grupo de átomos) que tiene una carga negativa.

ATP: el trifosfato de adenosina se presenta en todas las formas de vida conocidas. Es la moneda de energía primaria en las células. El ATP se forma a partir de ADP (difosfato de adenosina) y fosfato durante las reacciones de producción de energía (como la oxidación de la glucosa), y se descompone (en ADP y fosfato) para liberar esta energía y provocar reacciones desfavorables.

Bioluminiscencia: La producción de luz por organismos vivos. La bioluminiscencia puede ser el resultado de la absorción de luz (fluorescencia o fosforescencia, por ejemplo, en muchos peces de aguas profundas) o de una reacción química (quimioluminiscencia, por ejemplo, en luciérnagas).

Catalizador: Sustancia que produce una reacción más rápida, pero que no experimenta un cambio químico permanente durante la reacción (es decir, no se consume en la reacción). Los catalizadores funcionan proporcionando una ruta alternativa para la reacción que es más baja en energía.

Quimioluminiscencia: Tipo de luminiscencia en la que los electrones son excitados por una reacción química, por ejemplo, la reacción de luminol descrita en el recuadro 1.

Conjugado: Los sistemas conjugados surgen principalmente en química cuando hay enlaces dobles uno al lado del otro. Los átomos en un sistema conjugado se mantienen unidos por enlaces covalentes y tienen enlaces simples y múltiples alternos (principalmente enlaces dobles, pero los enlaces triples también son capaces de estar en conjugación). Los alquenos son planos; los sistemas conjugados siempre deben ser planos para permitir la deslocalización de los electrones en todo el sistema. Las moléculas de tinte en el recuadro 3 son ejemplos de compuestos conjugados.

Enlaces covalentes: Enlaces entre dos átomos donde se comparte un par de electrones entre ellos.

Deslocalizado: Cuando las moléculas tienen enlaces conjugados, los electrones son libres de moverse por todo el sistema conjugado. Estos se conocen como electrones deslocalizados. Los electrones en un anillo de benceno están deslocalizados, y es por eso que todos los enlaces carbono-carbono tienen la misma longitud.

Fluorescencia: Un tipo de luminiscencia en el que los electrones son excitados por la luz, p. ej. en las marcas de seguridad de los billetes.

Luminiscencia: La producción de luz, generalmente a bajas temperaturas, por ejemplo, por reacciones químicas o energía eléctrica. La incandescencia, por el contrario, es la luz generada por las altas temperaturas.

Fosforescencia: Como fluorescencia, pero el brillo dura más tiempo (según algunas definiciones, más de 10 nanosegundos), por ejemplo, pegatinas que brillan en la oscuridad.

Fotón: Un paquete cuántico de energía de luz.

Reconocimiento

La versión original de este artículo fue publicada en Chemistry Review y se reproduce con el amable permiso del editor, Philip Allan. Para suscribirse a Chemistry Review, una revista dirigida a estudiantes de química escolar de 16 a 19 años, visite: www.philipallan.co.uk/chemistryreview