hvad er kemiluminescens?

ildfluer, vandmænd og glød pinde – man flyver, man bor dybt i havet og man giver underholdning i natklubber. Hvad er linket? Svaret er nogle spændende kemiske reaktioner, der producerer lys.

kemiluminescens er produktionen af lys fra en kemisk reaktion. To kemikalier reagerer for at danne et ophidset (højenergi) mellemprodukt, der nedbryder frigivelse af noget af dets energi som fotoner af lys (se ordliste for alle udtryk med fed skrift) for at nå sin jordtilstand (se figur 1 nedenfor).

A + B – > AB * – > produkter + Lys

ophidset

mellemliggende

kemiluminescerende reaktioner frigiver normalt ikke meget varme, fordi energi frigives som lys i stedet. Luminol producerer et lys, når det reagerer med et brandnærende middel; kemien i denne reaktion er vist i boks 1.

boks 1: Luminol, et glød-i-mørke kemikalie

frigivelsen af en foton af lys fra et molekyle af luminol er en ret kompleks, flertrinsproces. I en basisk (alkalisk) opløsning findes luminol i ligevægt med sin anion, som bærer en ladning på -2. Anionen kan eksistere i to former (eller tautomerer), med de to negative ladninger delokaliseret på enten ilt (enol-form) eller på nitrogener (ketol-form; se figur 3 nedenfor).

molekylært ilt (O2) kombineres med Enol-formen af luminol-anionen og iltes til en cyklisk overilte. Det krævede ilt produceres i en nyoksreaktion (dvs.en, hvor både reduktion og iltning forekommer), der involverer brintoverilte (H2O2), kaliumhydroksid og (for eksempel) kaliumgeksacyanoferrat(III) (K3, også kendt som kaliumferricyanid). Det geksacyanoferrat (III) ion (3 -) reduceres til geksacyanoferrat(II) ion (4 -, hvilket giver kaliumferrocyanid, K4), mens de to iltatomer fra brintoverilte iltes fra iltningstilstand -1 til 0:

den cykliske overilte nedbrydes derefter for at give 3-aminophthalat (3-amino-1,2 – amino-syre) i en ophidset tilstand sammen med et nitrogenmolekyle (N2) – se figur 3 nedenfor. Denne nedbrydningsreaktion foretrækkes, fordi det cykliske overilte-molekyle er meget ustabilt, og reaktionen involverer at bryde nogle svage bindinger. Det foretrækkes også på grund af stigningen i entropi (lidelse) på grund af frigørelsen af et gasmolekyle. Når det ophidsede 3-aminophthalat falder ned til jordtilstanden, frigives en foton af blåt lys.

kemiluminescens i retsmedicin

retsmedicinske forskere bruger luminols reaktion til at opdage blod på gerningssteder. En blanding af luminol i en fortyndet opløsning af brintoverilte sprøjtes på det område, hvor de retsmedicinske forskere har mistanke om, at der er blod. Det jern, der findes i hæmoglobinenheden (se figur 4) i blodet, virker som katalysator i reaktionen beskrevet i boks 1. Rummet skal være mørkt, og hvis der er blod, observeres en blå glød, der varer i cirka 30 sekunder. De retsmedicinske efterforskere kan registrere denne glød ved hjælp af fotografisk film, som kan bruges som bevis i retten for tilstedeværelsen af blod på stedet. (For en undervisningsaktivitet om retsmedicinsk videnskab, se Hr.

fordi jernet virker som katalysator, er det kun nødvendigt i spormængder, derfor kræves kun en lille mængde blod for at producere et positivt resultat. Dette betyder, at blod kan detekteres, selv når det ikke er synligt for det blotte øje.

en af ulemperne ved at bruge luminol er, at reaktionen kan katalyseres af andre kemikalier, der kan være til stede på forbrydelsesstedet, for eksempel kobberholdige legeringer, nogle rengøringsvæsker såsom blegemiddel og endda peberrod. Kloge kriminelle kan rense blodet med blegemiddel, hvilket ødelægger beviset for blodet, men blegning af tæppet kan advare folk om forbrydelsen før. Urin indeholder også små mængder blod, som kan være nok til at katalysere reaktionen af luminol. Når luminol er blevet påført området, kan det forhindre andre tests i at blive udført der. På trods af disse ulemper bruges luminol stadig af retsmedicinske forskere som et redskab til at løse kriminalitet.

i natklubben

når du klikker på en glødepind, og den begynder at gløde, er det producerede lys et eksempel på kemiluminescens (se figur 5). Glødestænger omfatter et plastrør, der indeholder en blanding, herunder diphenyloksalat og et farvestof (som giver glødestangen sin farve). Inde i plastrøret er et mindre glasrør indeholdende brintoverilte. Når det ydre plastrør er bøjet, klikker det indre glasrør, frigiver brintoverilte og starter en kemisk reaktion, der producerer lys (Se boks 2). Lysets farve, som en glødepind producerer, bestemmes af det anvendte farvestof (Se boks 3).

Kemiluminescensreaktioner, såsom dem i glødepinde, er temperaturafhængige. Reaktionen fremskynder som temperaturen stiger-snapper din glød stick i varmt vand vil producere en fantastisk glød, men det vil ikke vare så længe som det ville ved stuetemperatur. Omvendt sænkes reaktionshastigheden ved lav temperatur; dette er grunden til at holde din glødepind i fryseren i flere timer, så pinden kan gløde lyst igen, når den fjernes og opvarmes, længe efter at den ellers ville være stoppet med at gløde. Reaktionen stopper ikke helt i fryseren, men den bremser, så gløden næppe kan påvises.

Boks 2: Kemi af glødepinde

når diphenyloksalat reagerer med brintoverilte (H2O2), iltes det for at give phenol og en cyklisk overilte. I dette tilfælde kan en elektron i farvestofmolekylet overføres til en ophidset tilstand, hvilket resulterer i, at en elektron i farvestofmolekylet reagerer med et farvestofmolekyle for at give to molekyler kulsyre (CO2), og i processen fremmes en elektron i farvestofmolekylet til en ophidset tilstand. Når det ophidsede (højenergi) farvestofmolekyle vender tilbage til sin jordtilstand, frigives en foton af lys. Reaktionen er pH-afhængig. Når opløsningen er lidt alkalisk, giver reaktionen et lysere lys.

sikkerhedsanvisning

Phenol er giftigt, så hvis din glødepind lækker, skal du passe på ikke at få væsken på dine hænder; hvis du gør det, skal du straks vaske dem med sæbevand. Se også Videnskab i skolens generelle sikkerhedsnote.

boks 3: Hvad gør glødestænger forskellige farver?

de farvestoffer, der anvendes i glødestifter, er konjugerede aromatiske forbindelser (arene). Graden af konjugation afspejles i den forskellige farve af det lys, der udsendes, når en elektron falder ned fra den ophidsede tilstand til jordtilstanden.

levende glød pinde

har du nogensinde gået langs en strand om natten og set gnister af lys omkring dine fødder? Eller været på landet om natten og set ildfluer flagre rundt? Dette er eksempler på bioluminescens, og omkring 90% af dybhavslivet udviser også dette mærkelige fænomen. Disse organismer har udviklet sig til at producere lys, fordi det har mange nyttige funktioner. Glødende kan bruges som lokkemiddel til at fange bytte, som camouflage eller til at tiltrække potentielle kammerater. Nogle bakterier bruger endda bioluminescens til at kommunikere.

udtrykket ‘glødorm’ beskriver larverne fra flere insektarter, herunder ildfluer; nogle af dem lyser for at skræmme rovdyr, mens andre arter bruger deres glød til at tiltrække bytte. Der er arter af blæksprutter og krebsdyr, der kan frigive skyer af bioluminescerende væske for at forvirre rovdyr, mens de flygter. Skabninger, der lever dybt i havet, har udviklet sig til hovedsageligt at producere blåt eller grønt lys, fordi det transmitterer godt gennem havvand. Dette skyldes, at blåt lys har en kortere bølgelængde end rødt lys, hvilket betyder, at det absorberes mindre let af partikler i vandet.

bioluminescerende reaktioner bruger ATP (adenosintrifosfat) som energikilde. Strukturen af de lysproducerende molekyler varierer fra Art til art, men de får alle det generiske navn luciferin. Strukturen af firefly luciferin er vist i figur 6, venstre. Når ildfluer lyser, iltes luciferin til at producere et ophidset kompleks, der falder tilbage ned til jordtilstanden og frigiver en foton af lys, ligesom den kemiluminescerende reaktion af luminol beskrevet i boks 1. I stedet bruger de molekylært ilt og et såkaldt luciferase (dette er også et generisk navn – luciferaser varierer fra Art til Art).

Luciferase
Luciferin + O2 lys

der har været en række eksperimenter, der undersøger aekvorin, et protein, der findes i visse vandmænd, der producerer blåt lys i nærvær af calcium (se Shav, 2002 og Furtado, 2009) og kan således bruges i molekylærbiologi til at måle calciumniveauer i celler. Nogle forskere er kommet med andre ideer til at udnytte bioluminescens i fremtiden, for eksempel selvoplyste juletræer. Kan du tænke på andre spændende potentielle anvendelser til dette fantastiske naturfænomen?

ordliste

Anion: et atom (eller gruppe af atomer), der bærer en negativ ladning.

ATP: adenosintrifosfat forekommer i alle kendte livsformer. Det er den primære energi valuta i celler. ATP er dannet af ADP (adenosindiphosphat) og phosphat under energirelaterede reaktioner (såsom iltning af glucose) og nedbrydes (til ADP og phosphat) for at frigive denne energi for at drive ugunstige reaktioner.

bioluminescens: produktion af lys af levende organismer. Bioluminescens kan skyldes absorption af lys (fluorescens eller phosphorescens, f.eks. i mange dybhavsfisk) eller fra en kemisk reaktion (kemiluminescens, f. eks. i ildfluer).

katalysator: Et stof, der får en reaktion til at forekomme hurtigere, men som ikke gennemgår en permanent kemisk ændring under reaktionen (dvs.ikke bruges op i reaktionen). Katalysatorer arbejder ved at tilvejebringe en alternativ rute for reaktionen, der er lavere i energi.

kemiluminescens: en type luminescens, hvor elektronerne ophidses af en kemisk reaktion, for eksempel reaktionen af luminol beskrevet i boks 1.

konjugeret: konjugerede systemer opstår hovedsageligt i kemi, når der er dobbeltbindinger ved siden af hinanden. Atomerne i et konjugeret system holdes sammen af kovalente bindinger og har skiftevis enkelt-og flere bindinger (hovedsageligt dobbeltbindinger, men tredobbelte bindinger er også i stand til at være i konjugation). Alkener er flade; konjugerede systemer skal altid være plane for at muliggøre delokalisering af elektronerne i hele systemet. Farvestofmolekylerne i boks 3 er alle eksempler på konjugerede forbindelser.

kovalente bindinger: bindinger mellem to atomer, hvor et par elektroner deles mellem dem.

delokaliseret: når molekyler har konjugerede bindinger, er elektronerne fri til at bevæge sig rundt i hele det konjugerede system. Disse kaldes delokaliserede elektroner. Elektronerne i en ring er delokaliseret, og derfor er alle carbon-carbon-bindinger af samme længde.

fluorescens: en type luminescens, hvor elektronerne er ophidset af lys, f. eks. i sikkerhedsmærkningen på pengesedler.

luminescens: produktion af lys, normalt ved lave temperaturer, for eksempel ved kemiske reaktioner eller elektrisk energi. Incandescence er derimod lys genereret af høje temperaturer.

phosphorescens: som fluorescens, men gløden varer længere (ifølge nogle definitioner over 10 nanosekunder), for eksempel glød-i-mørke klistermærker.

foton: en kvante (pakke) af lysenergi.

anerkendelse

den originale version af denne artikel blev offentliggjort i Kemianmeldelse og gengives med venlig tilladelse af udgiveren, Philip Allan. For at abonnere på kemi anmeldelse, Et tidsskrift rettet mod skole kemi studerende i alderen 16-19, besøg: www.philipallan.co.uk/chemistryreview