화학 발광이란?

반딧불,해파리 및 글로우 스틱-하나는 파리,하나는 바다 깊은 곳에서 살고 하나는 나이트 클럽에서 엔터테인먼트를 제공합니다. 링크는 무엇입니까? 대답은 빛을 생산하는 흥미로운 화학 반응입니다.

화학 발광은 화학 반응에서 빛의 생산이다. 두 화학 물질은 흥분(고 에너지)중간체를 형성하기 위해 반응하여 에너지의 일부를 빛의 광자로 방출합니다(모든 용어에 대한 용어집 참조 굵은 글씨)접지 상태에 도달합니다(아래 그림 1 참조).제품+빛

여기

중간

화학 발광 반응은 에너지가 대신 빛으로 방출되기 때문에 일반적으로 많은 열을 방출하지 않습니다. 이 산화제와 반응 할 때 루미놀은 빛을 생산; 이 반응의 화학은 상자 1 에 나와 있습니다.

박스 1:글로우 인-더-다크 화학 물질 인 루미놀

루미놀 분자로부터 빛의 광자를 방출하는 것은 상당히 복잡한 다단계 과정입니다. 염기성(알칼리성)용액에서 루미놀은 음이온과 평형 상태에 존재하며,이는-2 의 전하를 띤다. 음이온은 두 가지 형태(또는 호변질체)로 존재할 수 있으며,두 가지 음전하가 산소(에놀 형태)또는 질소(케톨 형태;아래 그림 3 참조)에 비 국소화됩니다.

분자 산소는 루미놀 음이온의 에놀 형태와 결합하여 그것을 순환 과산화물로 산화시킨다. 필요한 산소는 산화 환원 반응(즉,환원 및 산화가 모두 발생 함)과 관련된 과산화수소(물 2),수산화 칼륨 및(예:)칼륨 헥사 시아 노 페 레이트(3)(케이 3,또한~으로 알려진 칼륨 페리시안화물). 헥사시아노페레이트(3)이온(3-)은 헥사시아노페레이트(2)이온(4-,페로시안화칼륨,케이 4)으로 환원되고,과산화수소로부터의 두 개의 산소 원자는 산화 상태-1 에서 0 으로 산화된다:

그런 다음 순환 과산화물은 분해되어 질소 분자와 함께 여기 상태에서 3-아미노 프탈레이트(3-아미노-1,2-벤젠 디카 르 복실 산)를 생성합니다(엔 2)–아래 그림 3 참조. 이 분해 반응은 순환 과산화물 분자가 매우 불안정하고 반응이 약한 결합을 끊는 것을 포함하기 때문에 선호됩니다. 또한 가스 분자의 해방으로 인한 엔트로피(장애)의 증가 때문에 선호됩니다. 흥분한 3 아미노프탈레이트가 지상 국가에 아래로 떨어질 때,파란 빛의 광양자는 풀어 놓입니다.

법의학의 화학 발광

법의학 과학자들은 루미놀의 반응을 사용하여 범죄 현장에서 혈액을 탐지합니다. 과산화수소의 희석 용액에 루미놀의 혼합물은 법의학 과학자들이 혈액이 있다고 의심 영역에 분사된다. 혈액 내의 헤모글로빈 단위(그림 4 참조)에 존재하는 철은 상자 1 에 설명 된 반응에서 촉매 역할을합니다. 방은 어두워 야하며 혈액이 있으면 약 30 초 동안 지속되는 푸른 빛이 관찰됩니다. 법의학 수사관은 현장에서 혈액의 존재에 대한 법정에서 증거로 사용할 수있는 사진 필름을 사용하여이 빛을 기록 할 수 있습니다. (법의학에 대한 교육 활동,참조 월러스-엠 2011.

철은 촉매로서 작용하기 때문에 미량만 필요하므로 양성 결과를 얻기 위해서는 소량의 혈액만 필요합니다. 이것은 육안으로 볼 수없는 경우에도 혈액을 감지 할 수 있음을 의미합니다.

루미놀을 사용하는 단점 중 하나는 범죄 현장에 존재할 수있는 다른 화학 물질,예를 들어 구리 함유 합금,표백제와 같은 일부 세정액 및 심지어 양 고추 냉이에 의해 반응이 촉매 될 수 있다는 것입니다. 영리한 범죄자는 혈액의 증거를 파괴하는 표백제로 혈액을 청소할 수 있지만 카펫을 표백하면 사람들이 범죄에 빨리 경고 할 수 있습니다. 소변은 또한 소량의 혈액을 함유하고있어 루미놀의 반응을 촉매하기에 충분할 수 있습니다. 일단 루미놀이 지역에 적용되면,거기서 실행되기에서 다른 시험을 막을지도 모릅니다. 그러나 이러한 단점에도 불구하고 루미놀은 여전히 법의학 과학자들에 의해 범죄를 해결하는 도구로 사용됩니다.

나이트 클럽에서

글로우 스틱을 스냅하고 글로우하기 시작하면 생성 된 빛이 화학 발광의 예입니다(그림 5 참조). 글로우 스틱은 디 페닐 옥살 레이트 및 염료(글로우 스틱에 색상을 부여 함)를 포함한 혼합물을 포함하는 플라스틱 튜브로 구성됩니다. 플라스틱 튜브 안에는 과산화수소를 함유 한 작은 유리 튜브가 있습니다. 외부 플라스틱 튜브가 구부러지면 내부 유리 튜브가 스냅되어 과산화수소를 방출하고 빛을 생성하는 화학 반응을 시작합니다(상자 2 참조). 글로우 스틱이 생성하는 빛의 색은 사용 된 염료에 의해 결정됩니다(상자 3 참조).

글로우 스틱과 같은 화학 발광 반응은 온도에 따라 다릅니다. 온도 상승으로 반응 속도-뜨거운 물에에서 놀 스틱 스냅 환상적인 빛을 생산할 예정 이다 하지만 그것은 실 온에서 것 처럼 지속 되지 않습니다. 반대로,반응 속도는 낮은 온도에서 속도가 느려집니다; 이 때문에 몇 시간 동안 냉장고에 글로우 스틱을 유지 하면 제거 하 고 데워 때,그렇지 않으면 빛나는 중지 것 이라고 긴 후에 다시 밝게 빛나는 스틱 허용할 수 있습니다. 반응은 냉동실에서 완전히 멈추지 않지만 빛이 거의 감지되지 않도록 느려집니다.

상자 2: 글로우 스틱의 화학

디 페닐 옥살산 염은 과산화수소(물)와 반응 할 때 산화되어 페놀 및 순환 과산화물을 생성합니다. 과산화물은 염료의 분자와 이산화탄소(이산화탄소)의 2 개의 분자를 주기 위하여 반작용하고 과정에서,염료 분자에 있는 전자는 여기 국가에 승진됩니다. 흥분된(고 에너지)염료 분자가 접지 상태로 돌아 오면 빛의 광자가 방출됩니다. 반응은 산도 의존적이다. 용액이 약간 알칼리성 일 때 반응은 더 밝은 빛을 생성합니다.

안전 참고

페놀은 독성이 있으므로 글로우 스틱이 누출되면 손에 물기가 묻지 않도록 주의하십시오. 또한 참조 과학 학교 일반 안전 참고 사항.

상자 3:글로우 스틱을 다른 색상으로 만드는 것은 무엇입니까?

글로우 스틱에 사용되는 염료는 공액 방향족 화합물(아렌)입니다. 활용의 정도는 전자가 여기 상태에서 지상 국가에 아래로 떨어질 때 방출되는 빛의 다른 색깔에서 반영됩니다.

생활 글로우 스틱

당신은 밤에 해변을 따라 걸어 발 주위에 빛의 불꽃을 본 적이 있습니까? 또는 밤에 시골에 있었고에 대해 날아 다니는 반딧불을 볼? 이들은 생물 발광의 예이며 심해 생물의 약 90%가이 이상한 현상을 나타냅니다. 이 유기체는 많은 유용한 기능을 가지고 있기 때문에 빛을 생산하기 위해 진화했습니다. 빛나는 위장 또는 잠재적인 동료를 유치 먹이 잡으려고 유혹으로 사용할 수 있습니다. 일부 박테리아는 생물 발광을 사용하여 의사 소통하기도합니다.

‘글로우 웜’이라는 용어는 반딧불을 포함한 여러 종의 곤충의 유충을 설명합니다; 그들 중 일부는 포식자를 놀라게하기 위해 빛을 발하는 반면 다른 종은 먹이를 끌기 위해 빛을 사용합니다. 그들의 탈출을하는 동안 포식자를 혼동 생물 발광 액체의 구름을 해제 할 수 있습니다 오징어와 갑각류의 종이있다. 바다 깊은 곳에 사는 생물은 바닷물을 통해 잘 전달되기 때문에 주로 파란색 또는 녹색 빛을 생성하도록 진화했습니다. 이것은 파란 빛에는 물속에 있는 입자에 의해 보다 적게 준비되어 있 흡수된다는 것을 의미하는 빨간불 보다는 더 짧은 파장이 있기 때문입니다.

생물 발광 반응은 아데노신 트리 포스페이트를 에너지 원으로 사용합니다. 빛을 생성하는 분자의 구조는 종마다 다르지만,모두 루시페린이라는 일반적인 이름이 주어진다. 반딧불 루시페린의 구조는 왼쪽 그림 6 에 나와 있습니다. 반딧불이 빛을 때,루시페린은 상자 1 에 설명 된 루미놀의 화학 발광 반응처럼,빛의 광자를 방출,다시 아래로 지상 상태로 떨어지는 흥분 복합체를 생산하기 위해 산화된다. 대신 그들은 분자 산소와 루시페라제라는 효소를 사용합니다(이것은 또한 일반적인 이름입니다–루시페라제는 종마다 다릅니다).

특정 해파리에서 발견되는 단백질인 아이쿠코린을 조사한 많은 실험이 있었으며,칼슘의 존재 하에서 청색광을 생성하며(쇼,2002,및 푸르타도,2009 참조)분자생물학에서 세포의 칼슘 농도를 측정하는데 사용될 수 있다. 일부 과학자들은 미래에 생물 발광을 활용하기위한 다른 아이디어,예를 들어 자기 조명 크리스마스 트리를 생각해 냈습니다. 이 놀라운 자연 현상에 대한 다른 흥미로운 잠재적 인 용도를 생각할 수 있습니까?

용어

음이온:음전하를 띠는 원자(또는 원자 그룹).

아데노신 트리 포스페이트는 알려진 모든 생명체에서 발생합니다. 그것은 세포의 주요 에너지 통화입니다. 이 에너지 생성 반응(예:포도당의 산화)동안 아데노신 디 포스페이트와 인산염이 형성되며,이 에너지를 방출하여 바람직하지 않은 반응을 유도합니다.

생물 발광:살아있는 유기체에 의한 빛의 생성. 생물 발광은 빛의 흡수(예:많은 심해 어류에서 형광 또는 인광)또는 화학 반응(화학 발광,예:반딧불)에서 발생할 수 있습니다.

촉매: 반응을 빠르게 발생 하지만 반응 하는 동안 영구적인 화학 변화를 겪지 않는 물질(즉,반응에 사용 되지 않습니다). 촉매는 에너지가 낮은 반응에 대한 대체 경로를 제공하여 작동합니다.

화학 발광:전자가 화학 반응에 의해 여기되는 발광 유형,예를 들어 상자 1 에 설명 된 루미놀의 반응.

공액:공액 시스템은 주로 화학에서 서로 옆에 이중 결합이있을 때 발생합니다. 공액 시스템의 원자는 공유 결합에 의해 함께 유지되며 교대 단일 및 다중 결합(주로 이중 결합이지만 삼중 결합도 결합 할 수 있음)이 있습니다. 알켄은 평평;공액 시스템은 항상 시스템 전반에 걸쳐 전자의 탈 국소화를 허용하기 위해 평면이어야합니다. 박스 3 의 염료 분자는 모두 공액 화합물의 예이다.

공유 결합:한 쌍의 전자가 서로 공유되는 두 원자 사이의 결합.

비 지역화:분자가 공액 결합을 가질 때,전자는 공액 시스템 전체에 걸쳐 자유롭게 움직일 수 있습니다. 이들은 비 지역화 된 전자라고합니다. 벤젠 고리의 전자는 비 지역화되어 있으며,이것이 모든 탄소-탄소 결합이 동일한 길이 인 이유입니다.

형광:전자가 빛에 의해 여기되는 발광 유형(예: 지폐에 보안 표시에.

발광:화학 반응 또는 전기 에너지에 의해,예를 들어,일반적으로 낮은 온도에서 빛의 생산. 백열,대조적으로,높은 온도에 의해 생성 된 빛이다.

인광:형광으로,하지만 빛이 더 이상 지속(일부 정의에 따라,이상 10 나노초),예를 들어 글로우-인-더-어두운 스티커.

광자:빛 에너지의 양자(패킷).

승인

이 문서의 원래 버전은 화학 검토에 게시 된 출판사,필립 앨런에 의해 종류의 허가를 재현. 16-19 세 학교 화학 학생들을 대상으로 한 저널 인 화학 검토를 구독하려면 다음을 방문하십시오.www.philipallan.co.uk/chemistryreview