mi a kemilumineszcencia?

szentjánosbogarak, medúzák és világító botok-az egyik repül, az egyik az óceán mélyén él, a másik pedig éjszakai klubokban szórakoztat. Mi a kapcsolat? A válasz néhány érdekes kémiai reakció, amely fényt termel.

a kemilumineszcencia a kémiai reakcióból származó fény előállítása. Két vegyi anyag reakcióba lépve gerjesztett (nagy energiájú) köztiterméket képez, amely energiájának egy részét fény fotonjaként bocsátja ki (lásd a szószedetet az összes kifejezéshez félkövéren), hogy elérje alapállapotát (lásd az alábbi 1.ábrát).

a + B – > AB * – > termékek + könnyű

izgatott

köztes

a kemilumineszcens reakciók általában nem bocsátanak ki sok hőt, mert az energia fényként szabadul fel. A Luminol fényt termel, amikor oxidálószerrel reagál; ennek a reakciónak a kémiáját az 1.Háttérmagyarázat mutatja be.

1.Háttérmagyarázat: Luminol, sötétben világító vegyi anyag

a fény fotonjának felszabadulása egy luminol molekulából meglehetősen összetett, többlépcsős folyamat. Bázikus (lúgos) oldatban a luminol egyensúlyban van anionjával, amelynek töltése -2. Az anion kétféle formában létezhet (vagy tautomerek), a két negatív töltés delokalizálódik az oxigéneken (az enol-forma) vagy a nitrogéneken (a ketol-forma; lásd az alábbi 3.ábrát).

a molekuláris oxigén (O2) a luminol anion enol formájával kombinálódik, és ciklikus peroxiddá oxidálja. A szükséges oxigént redox reakcióban (azaz redukció és oxidáció esetén) állítják elő hidrogén-peroxid (H2O2), kálium-hidroxid és (például) kálium-hexacianoferrát(III) (K3, más néven kálium-ferricianid) bevonásával. A hexacianoferrát(III) ion (3 -) hexacianoferrát(II) ionná redukálódik (4-, így kálium-ferrocianid, K4), míg a hidrogén-peroxid két oxigénatomja oxidációs állapotból oxidálódik -1 nak nek 0:

a ciklikus peroxid ezután lebomlik, hogy gerjesztett állapotban 3-aminoftalátot (3-amino-1,2 – benzol-dikarbonsavat) kapjon egy nitrogénmolekulával (N2) együtt-lásd az alábbi 3.ábrát. Ez a bomlási reakció előnyös, mert a ciklikus peroxid molekula nagyon instabil, és a reakció magában foglalja néhány gyenge kötés megszakítását. A gázmolekula felszabadulása miatti entrópia (rendellenesség) növekedése miatt is előnyös. Amikor a gerjesztett 3-aminoftalát az alapállapotba esik, kék fény fotonja szabadul fel.

kemilumineszcencia a kriminalisztikában

a törvényszéki tudósok a luminol reakcióját használják a vér kimutatására a bűncselekményeken. A luminol keverékét hidrogén-peroxid híg oldatában permetezzük arra a területre, ahol a törvényszéki tudósok gyanítják, hogy vér van. A vérben a hemoglobin hem egységében (lásd 4.ábra) jelen lévő vas katalizátorként működik az 1. Háttérmagyarázatban leírt reakcióban. A helyiségnek sötétnek kell lennie, és ha vér van jelen, akkor körülbelül 30 másodpercig tartó kék fény figyelhető meg. A törvényszéki nyomozók fényképes film segítségével rögzíthetik ezt a fényt, amelyet bizonyítékként lehet felhasználni a bíróságon a vér jelenlétére a helyszínen. (A törvényszéki tudományról szóló tanítási tevékenységről lásd: Wallace-M ons, 2011.

mivel a vas katalizátorként működik, csak nyomokban szükséges, ezért csak kis mennyiségű vér szükséges a pozitív eredmény eléréséhez. Ez azt jelenti, hogy a vér akkor is kimutatható, ha szabad szemmel nem látható.

a luminol alkalmazásának egyik hátránya, hogy a reakciót más vegyi anyagok katalizálhatják, amelyek jelen lehetnek a bűncselekmény helyszínén, például réztartalmú ötvözetek, néhány tisztítófolyadék, például fehérítő, sőt torma is. Az okos bűnözők fehérítővel megtisztíthatják a vért, ami elpusztítja a vér bizonyítékait, de a szőnyeg fehérítése hamarabb figyelmeztetheti az embereket a bűncselekményre. A vizelet kis mennyiségű vért is tartalmaz, ami elegendő lehet a luminol reakciójának katalizálásához. Miután a luminolt felvitték a területre, megakadályozhatja más vizsgálatok elvégzését ott. E hátrányok ellenére azonban a luminolt a törvényszéki tudósok továbbra is használják a bűnözés megoldásának eszközeként.

az éjszakai klubban

amikor egy izzópálcát csattan, és elkezd izzani, a keletkező fény a kemilumineszcencia példája (lásd az 5.ábrát). Az izzítópálcák egy műanyag csövet tartalmaznak, amely difenil-oxalátot és egy festéket tartalmaz (amely az izzítópálcának a színét adja). A műanyag cső belsejében egy kisebb üvegcső található, amely hidrogén-peroxidot tartalmaz. Amikor a külső műanyag cső meghajlik, a belső üvegcső bepattan, felszabadítja a hidrogén-peroxidot, és kémiai reakciót indít el, amely fényt termel (lásd a 2.Háttérmagyarázatot). Az izzítópálca által kibocsátott fény színét a felhasznált festék határozza meg (lásd a 3.Háttérmagyarázatot).

a kemilumineszcencia reakciók, mint például az izzítópálcákban, hőmérsékletfüggőek. A reakció felgyorsul, ahogy a hőmérséklet emelkedik-a forró vízben lévő izzítópálcával fantasztikus ragyogást eredményez, de nem tart olyan sokáig, mint szobahőmérsékleten. Ezzel szemben a reakció sebessége alacsony hőmérsékleten lelassul; ez az oka annak, hogy az izzópálcát több órán át a fagyasztóban tartva a bot ismét fényesen ragyoghat, amikor eltávolítják és felmelegítik, jóval azután, hogy egyébként abbahagyta volna az izzást. A reakció nem áll le teljesen a fagyasztóban, de lelassul, így a ragyogás alig észlelhető.

2. rovat: A ragyogó botok kémiája

amikor a difenil-oxalát hidrogén-peroxiddal (H2O2) reagál, oxidálódik, hogy fenolt és ciklikus peroxidot kapjon. A peroxid reakcióba lép egy festékmolekulával, hogy két molekula szén-dioxidot (CO2) kapjon, és a folyamat során a festékmolekulában lévő elektron gerjesztett állapotba kerül. Amikor a gerjesztett (nagy energiájú) festékmolekula visszatér alapállapotába, fény foton szabadul fel. A reakció pH-függő. Ha az oldat enyhén lúgos, a reakció fényesebb fényt eredményez.

biztonsági megjegyzés

a fenol mérgező, ezért ha izzítópálcája szivárog, ügyeljen arra, hogy a folyadék ne kerüljön a kezére; ha mégis, azonnal mossa le szappanos vízzel. Lásd még a tudomány az iskolában általános biztonsági megjegyzés.

3. rovat: mi teszi a ragyogást különböző színűvé?

az izzítópálcákban használt színezékek konjugált aromás vegyületek (arének). A konjugáció mértéke tükröződik a kibocsátott fény különböző színében, amikor egy elektron a gerjesztett állapotból az alapállapotba esik.

Living glow botok

sétáltál már éjszaka a tengerparton, és láttad a fény szikráit a lábad körül? Vagy vidéken járt éjszaka, és szentjánosbogarakat látott röpködni? Ezek a biolumineszcencia példái, és a mélytengeri élet mintegy 90%-a is ezt a furcsa jelenséget mutatja. Ezek az organizmusok azért fejlődtek ki, hogy fényt termeljenek, mert sok hasznos funkcióval rendelkezik. Izzó lehet használni, mint egy csali, hogy utolérjék a zsákmányt, mint álcázás vagy vonzza a potenciális társ. Egyes baktériumok még biolumineszcenciát is használnak a kommunikációhoz.

a ‘glow worm’ kifejezés több rovarfaj lárváját írja le, beleértve a szentjánosbogarakat is; néhányan ragyognak, hogy elriasszák a ragadozókat, míg más fajok ragyogásukat a zsákmány vonzására használják. Vannak olyan tintahal – és rákfajok, amelyek képesek felszabadítani a biolumineszcens folyadék felhőit, hogy megzavarják a ragadozókat, miközben elmenekülnek. Az óceán mélyén élő lények elsősorban kék vagy zöld fényt hoztak létre, mert jól továbbítja a tengervizet. Ennek oka az, hogy a kék fény hullámhossza rövidebb, mint a vörös fényé, ami azt jelenti, hogy a vízben lévő részecskék kevésbé szívják fel.

a biolumineszcens reakciók energiaforrásként ATP-t (adenozin-trifoszfátot) használnak. A fénytermelő molekulák szerkezete fajonként változik, de mindannyian luciferin általános nevet kapnak. A firefly luciferin szerkezetét a bal oldali 6. ábra mutatja. Amikor a szentjánosbogarak izzanak, a luciferin oxidálódik, hogy gerjesztett komplexet hozzon létre, amely visszaesik az alapállapotba, fény fotont bocsát ki, akárcsak a luminol kemilumineszcens reakciója az 1.mezőben. A szentjánosbogarak azonban nem használnak hidrogén-peroxidot és kálium-hexacianoferrátot (III) a luciferin oxidálására; ehelyett molekuláris oxigént és egy luciferáz nevű enzimet használnak (ez szintén általános név – a luciferázok fajonként változnak).

luciferáz
Luciferin + O2 6oxiluciferin + fény

számos kísérletet végeztek az aequorin, bizonyos medúzákban található fehérje vizsgálatával, amely kék fényt termel kalcium jelenlétében (lásd Shaw, 2002, and Furtado, 2009), és így a molekuláris biológiában felhasználható a sejtek kalciumszintjének mérésére. Egyes tudósok más ötletekkel álltak elő a biolumineszcencia jövőbeni felhasználására, például önvilágító karácsonyfák. Gondol-e más izgalmas potenciális felhasználásra ennek a csodálatos természeti jelenségnek?

szószedet

Anion: negatív töltésű atom (vagy atomcsoport).

ATP: az adenozin-trifoszfát minden ismert életformában előfordul. Ez a sejtek elsődleges energia pénzneme. Az ATP ADP-ből (adenozin-difoszfát) és foszfátból képződik az energiatermelő reakciók (például a glükóz oxidációja) során, és lebomlik (ADP-re és foszfátra), hogy felszabadítsa ezt az energiát a kedvezőtlen reakciók kiváltása érdekében.

biolumineszcencia: az élő szervezetek által termelt fény. A biolumineszcencia a fény abszorpciójából származhat (fluoreszcencia vagy foszforeszcencia, például sok mélytengeri halban) vagy kémiai reakcióból (kemilumineszcencia, például szentjánosbogarakban).

katalizátor: Olyan anyag, amely a reakció gyorsabb, de a reakció során nem megy át állandó kémiai változáson (azaz nem használják fel a reakcióban). A katalizátorok úgy működnek, hogy alternatív útvonalat biztosítanak az alacsonyabb energiájú reakcióhoz.

kemilumineszcencia: olyan típusú lumineszcencia, amelyben az elektronokat kémiai reakció gerjeszti, például az 1.mezőben leírt luminol reakció.

konjugált: a konjugált rendszerek elsősorban a kémiában keletkeznek, amikor kettős kötések vannak egymás mellett. A konjugált rendszer atomjait kovalens kötések tartják össze, és váltakozó egyszeres és többszörös kötéseik vannak (főleg kettős kötések, de a hármas kötések is képesek konjugációra). Az alkének laposak; a konjugált rendszereknek mindig síknak kell lenniük, hogy lehetővé tegyék az elektronok delokalizációját az egész rendszerben. A 3. dobozban található festékmolekulák mind példák a konjugált vegyületekre.

kovalens kötések: két atom közötti kötések, ahol egy elektronpár megoszlik közöttük.

delokalizált: amikor a molekulák konjugált kötésekkel rendelkeznek, az elektronok szabadon mozoghatnak az egész konjugált rendszerben. Ezeket delokalizált elektronoknak nevezzük. A benzolgyűrű elektronjai delokalizálódnak, ezért az összes szén-szén kötés azonos hosszúságú.

fluoreszcencia: olyan típusú lumineszcencia, amelyben az elektronokat a fény gerjeszti, pl. a bankjegyek biztonsági jelöléseiben.

lumineszcencia: a fény előállítása, általában alacsony hőmérsékleten, például kémiai reakciókkal vagy elektromos energiával. Az izzítás ezzel szemben a magas hőmérséklet által generált fény.

foszforeszcencia: fluoreszcencia, de a ragyogás hosszabb ideig tart (egyes meghatározások szerint több mint 10 nanoszekundum), például sötétben világító matricák.

Foton: a fényenergia kvantum (csomagja).

Köszönetnyilvánítás

a cikk eredeti változata a Chemistry Review-ban jelent meg, és a kiadó, Philip Allan kedves engedélyével reprodukálható. Feliratkozni a Chemistry Review-ra, a 16-19 éves iskolai kémiai hallgatóknak szóló folyóiratra, látogasson el: www.philipallan.co.uk/chemistryreview