Che cos’è la chemiluminescenza?

Lucciole, meduse e bastoncini luminosi-uno vola, uno vive in profondità nell’oceano e uno offre intrattenimento nei night club. Qual è il collegamento? La risposta è alcune reazioni chimiche intriganti che producono luce.

La chemiluminescenza è la produzione di luce da una reazione chimica. Due sostanze chimiche reagiscono per formare un intermedio eccitato (ad alta energia), che si rompe rilasciando parte della sua energia come fotoni di luce (vedi glossario per tutti i termini in grassetto) per raggiungere il suo stato fondamentale (vedi Figura 1, sotto).

A + B- > AB*- > Prodotti + Luce

Eccitato

intermedio

Le reazioni chemiluminescenti di solito non rilasciano molto calore, perché l’energia viene rilasciata invece come luce. Luminol produce una luce quando reagisce con un agente ossidante; la chimica di questa reazione è mostrata nel Riquadro 1.

Scatola 1: Luminol, una sostanza chimica glow-in-the-dark

Il rilascio di un fotone di luce da una molecola di luminol è un processo abbastanza complesso e multistadio. In una soluzione basica (alcalina), il luminolo esiste in equilibrio con il suo anione, che porta una carica di -2. L’anione può esistere in due forme (o tautomeri), con le due cariche negative delocalizzate sugli ossigeni (la forma enol) o sui nitrogeni (la forma ketol; vedi Figura 3, sotto).

L’ossigeno molecolare (O2) si combina con la forma enolica dell’anione luminol, ossidandolo in un perossido ciclico. L’ossigeno richiesto viene prodotto in una reazione redox (cioè in cui si verificano sia la riduzione che l’ossidazione) che coinvolge perossido di idrogeno (H2O2), idrossido di potassio e(ad esempio) esacianoferrato di potassio (III) (K3, noto anche come ferricianuro di potassio). Lo hex esacianoferrato (III) (3-) è ridotto allo ion esacianoferrato(II) (4 -, dando ferrocianuro di potassio, K4), mentre i due atomi di ossigeno dal perossido di idrogeno sono ossidati dallo stato di ossidazione -1 a 0:

Il perossido ciclico si decompone quindi per dare 3-amminoftalato (acido 3-ammino-1,2 – benzenedicarbossilico) in uno stato eccitato, insieme a una molecola di azoto (N2) – vedi Figura 3, sotto. Questa reazione di decomposizione è favorita perché la molecola di perossido ciclico è altamente instabile e la reazione comporta la rottura di alcuni legami deboli. È anche favorito a causa dell’aumento di entropia (disturbo) dovuto alla liberazione di una molecola di gas. Quando il 3-aminoftalato eccitato scende allo stato fondamentale, viene rilasciato un fotone di luce blu.

Chemiluminescenza in ambito forense

gli scienziati Forensi utilizzano la reazione del luminolo per rilevare la presenza di sangue sulla scena del crimine. Una miscela di luminol in una soluzione diluita di perossido di idrogeno viene spruzzata sull’area in cui gli scienziati forensi sospettano che ci sia sangue. Il ferro presente nell’unità eme di emoglobina (vedere Figura 4) nel sangue agisce come catalizzatore nella reazione descritta nel Riquadro 1. La stanza deve essere scura e se il sangue è presente, si osserverà un bagliore blu, della durata di circa 30 secondi. Gli investigatori forensi possono registrare questo bagliore utilizzando pellicola fotografica, che può essere utilizzato come prova in tribunale per la presenza di sangue sulla scena. (Per un’attività didattica sulla scienza forense, vedi Wallace-Müller, 2011.

Poiché il ferro funge da catalizzatore, è richiesto solo in tracce, quindi è necessaria solo una piccola quantità di sangue per produrre un risultato positivo. Ciò significa che il sangue può essere rilevato anche quando non è visibile ad occhio nudo.

Uno degli inconvenienti dell’uso del luminol è che la reazione può essere catalizzata da altre sostanze chimiche che possono essere presenti sulla scena del crimine, per esempio, leghe contenenti rame, alcuni liquidi per la pulizia, come la candeggina, e anche il rafano. I criminali intelligenti possono ripulire il sangue con la candeggina, che distrugge le prove del sangue, ma sbiancare il tappeto può avvisare le persone del crimine prima. L’urina contiene anche piccole quantità di sangue, che possono essere sufficienti per catalizzare la reazione del luminolo. Una volta che il luminol è stato applicato all’area, può impedire che altri test vengano eseguiti lì. Tuttavia, nonostante questi inconvenienti, il luminol è ancora usato dagli scienziati forensi come strumento per risolvere il crimine.

Nella discoteca

Quando si scatta un bastone di incandescenza e comincia a brillare, la luce prodotta è un esempio di chemiluminescenza (vedi Figura 5). I glow sticks comprendono un tubo di plastica contenente una miscela comprendente il difenilossalato e un colorante (che conferisce al glow stick il suo colore). All’interno del tubo di plastica è un tubo di vetro più piccolo contenente perossido di idrogeno. Quando il tubo di plastica esterno è piegato, il tubo di vetro interno scatta, rilasciando il perossido di idrogeno e avviando una reazione chimica che produce luce (vedere Riquadro 2). Il colore della luce prodotto da un candelabro è determinato dal colorante utilizzato (cfr.riquadro 3).

Le reazioni di chemiluminescenza, come quelle nei glow stick, dipendono dalla temperatura. La reazione accelera come la temperatura aumenta-scattare il vostro bastone di incandescenza in acqua calda produrrà un bagliore fantastico, ma non durerà più a lungo come sarebbe a temperatura ambiente. Al contrario, la velocità di reazione rallenta a bassa temperatura; questo è il motivo per cui mantenere il tuo bastone incandescente nel congelatore per diverse ore può consentire al bastone di brillare di nuovo quando viene rimosso e riscaldato, molto tempo dopo che altrimenti avrebbe smesso di brillare. La reazione non si ferma completamente nel congelatore, ma rallenta in modo che il bagliore sia appena rilevabile.

Riquadro 2: Chimica dei bastoncini luminosi

Quando il difenil ossalato reagisce con perossido di idrogeno (H2O2), viene ossidato per dare fenolo e un perossido ciclico. Il perossido reagisce con una molecola di colorante per dare due molecole di anidride carbonica (CO2) e nel processo, un elettrone nella molecola colorante viene promosso a uno stato eccitato. Quando la molecola di colorante eccitata (ad alta energia) ritorna al suo stato fondamentale, viene rilasciato un fotone di luce. La reazione è pH-dipendente. Quando la soluzione è leggermente alcalina, la reazione produce una luce più luminosa.

Nota di sicurezza

Il fenolo è tossico, quindi se il tuo bastone di incandescenza perde, fai attenzione a non avere il liquido sulle tue mani; se lo fai, lavale immediatamente con acqua saponata. Vedere anche la Scienza a scuola nota generale di sicurezza.

Box 3: Che cosa rende glow sticks diversi colori?

I coloranti utilizzati nei glow stick sono composti aromatici coniugati (areni). Il grado di coniugazione si riflette nel diverso colore della luce emessa quando un elettrone scende dallo stato eccitato allo stato fondamentale.

Vivere bastoni di incandescenza

avete mai camminato lungo una spiaggia di notte e visto scintille di luce intorno ai vostri piedi? O sei stato in campagna di notte e hai visto lucciole svolazzare? Questi sono esempi di bioluminescenza e circa il 90% della vita di acque profonde mostra anche questo strano fenomeno. Questi organismi si sono evoluti per produrre luce perché ha molte funzioni utili. Glowing può essere usato come esca per catturare prede, come camuffamento o per attirare potenziali compagni. Alcuni batteri usano anche la bioluminescenza per comunicare.

Il termine “verme incandescente” descrive le larve di diverse specie di insetti, comprese le lucciole; alcuni di loro brillano per spaventare i predatori, mentre altre specie usano il loro bagliore per attirare le prede. Ci sono specie di calamari e crostacei che possono rilasciare nuvole di liquido bioluminescente per confondere i predatori mentre fanno la loro fuga. Le creature che vivono in profondità nell’oceano si sono evolute per produrre principalmente luce blu o verde perché trasmette bene attraverso l’acqua di mare. Questo perché la luce blu ha una lunghezza d’onda più corta della luce rossa, il che significa che viene assorbita meno facilmente dalle particelle nell’acqua.

Le reazioni bioluminescenti usano l’ATP (adenosina trifosfato) come fonte di energia. La struttura delle molecole che producono luce varia da specie a specie, ma a tutte viene dato il nome generico luciferina. La struttura della lucciola luciferina è mostrata nella Figura 6, a sinistra. Quando le lucciole brillano, la luciferina viene ossidata per produrre un complesso eccitato, che ricade allo stato fondamentale, rilasciando un fotone di luce, proprio come la reazione chemiluminescente del luminolo descritta nel riquadro 1. Tuttavia, le lucciole non usano il perossido di idrogeno e l’esacianoferrato di potassio(III) per ossidare la luciferina; usano invece l’ossigeno molecolare e un enzima chiamato luciferasi (anche questo è un nome generico – le luciferasi variano da specie a specie).

Luciferasi
Luciferina + O2 → Ossiluciferina + Luce

Ci sono stati un certo numero di esperimenti di indagare l’equorina, una proteina che si trova in alcune meduse, che produce luce blu in presenza di calcio (vedere Shaw, 2002, e Furtado, 2009) e possono quindi essere utilizzati in biologia molecolare per misurare i livelli di calcio nelle cellule. Alcuni scienziati hanno escogitato altre idee per utilizzare la bioluminescenza in futuro, ad esempio alberi di Natale auto-illuminati. Riesci a pensare a qualsiasi altro potenziale eccitante usi per questo incredibile fenomeno naturale?

Glossario

Anione: un atomo (o gruppo di atomi) che porta una carica negativa.

ATP: adenosina trifosfato si verifica in tutte le forme di vita conosciute. È la valuta energetica primaria nelle cellule. L’ATP è formato da ADP (adenosina difosfato) e fosfato durante le reazioni che producono energia (come l’ossidazione del glucosio) e viene scomposto (in ADP e fosfato) per rilasciare questa energia al fine di generare reazioni sfavorevoli.

Bioluminescenza: la produzione di luce da parte di organismi viventi. La bioluminescenza può derivare dall’assorbimento della luce (fluorescenza o fosforescenza, ad esempio in molti pesci di acque profonde) o da una reazione chimica (chemiluminescenza, ad esempio nelle lucciole).

Catalizzatore: Una sostanza che fa una reazione si verificano più velocemente, ma che non subisce un cambiamento chimico permanente durante la reazione (cioè non viene utilizzato nella reazione). I catalizzatori funzionano fornendo un percorso alternativo per la reazione che è più bassa in energia.

Chemiluminescenza: Un tipo di luminescenza in cui gli elettroni sono eccitati da una reazione chimica, ad esempio la reazione del luminolo descritta nel Riquadro 1.

Coniugato: i sistemi coniugati sorgono principalmente in chimica quando ci sono doppi legami uno accanto all’altro. Gli atomi in un sistema coniugato sono tenuti insieme da legami covalenti e hanno legami singoli e multipli alternati (principalmente doppi legami, ma anche tripli legami sono in grado di essere in coniugazione). Gli alcheni sono piatti; i sistemi coniugati devono essere sempre planari per consentire la delocalizzazione degli elettroni in tutto il sistema. Le molecole di colorante nella casella 3 sono tutti esempi di composti coniugati.

Legami covalenti: legami tra due atomi in cui una coppia di elettroni sono condivisi tra di loro.

Delocalizzazione: Quando le molecole hanno legami coniugati, gli elettroni sono liberi di muoversi in tutto l’intero sistema coniugato. Questi sono indicati come elettroni delocalizzati. Gli elettroni in un anello benzenico sono delocalizzati, ed è per questo che tutti i legami carbonio-carbonio hanno la stessa lunghezza.

Fluorescenza: un tipo di luminescenza in cui gli elettroni sono eccitati dalla luce, ad esempio nelle marcature di sicurezza sulle banconote.

Luminescenza: La produzione di luce, di solito a basse temperature, ad esempio da reazioni chimiche o energia elettrica. L’incandescenza, al contrario, è la luce generata dalle alte temperature.

Fosforescenza: come fluorescenza, ma il bagliore dura più a lungo (secondo alcune definizioni, oltre 10 nanosecondi), ad esempio adesivi glow-in-the-dark.

Fotone: Un quantum (pacchetto) di energia luminosa.

Riconoscimento

La versione originale di questo articolo è stato pubblicato in Chemistry Review ed è riprodotto con gentile autorizzazione da parte dell’editore, Philip Allan. Per iscriversi a Chemistry Review, una rivista rivolta a studenti di chimica scolastica di età compresa tra 16 e 19 anni, visita: www.philipallan.co.uk/chemistryreview