Hva er kjemiluminescens?

Fireflies, maneter og glød pinner – en fluer, en bor dypt i havet og en gir underholdning i nattklubber. Hva er koblingen? Svaret er noen spennende kjemiske reaksjoner som produserer lys.

Kjemiluminescens er produksjon av lys fra en kjemisk reaksjon. To kjemikalier reagerer for å danne et eksitert (høy-energi) mellomprodukt, som bryter ned og frigjør noe av sin energi som fotoner av lys (se ordliste for alle termer i fet skrift) for å nå sin grunntilstand (Se Figur 1 nedenfor).

A + B- > AB*- > Produkter + Lys

Spent

mellomliggende

Kjemiluminescerende reaksjoner frigjør vanligvis ikke mye varme, fordi energi frigjøres som lys i stedet. Luminol produserer et lys når det reagerer med et oksidasjonsmiddel; kjemien i denne reaksjonen er vist i Boks 1.

Boks 1: Luminol, en glow-in-the-dark kjemisk

utgivelsen av en foton av lys fra et molekyl av luminol er en ganske kompleks, flertrinns prosess. I en grunnleggende (alkalisk) løsning eksisterer luminol i likevekt med sin anion, som har en ladning på -2. Anionen kan eksistere i to former (eller tautomerer), med de to negative ladningene delokalisert på enten oksygenene (enolformen) eller på nitrogenene (ketolformen, se Figur 3 nedenfor).

Molekylært oksygen (O2) kombinerer med enolformen til luminolanionen, og oksiderer den til et syklisk peroksid. Det nødvendige oksygenet produseres i en redoksreaksjon (dvs. en der både reduksjon og oksidasjon forekommer) som involverer hydrogenperoksid (H2O2), kaliumhydroksid og (for eksempel) kaliumheksacyanoferrat (III) (K3, også kjent som kaliumferricyanid). Hexacyanoferrat (III) ion (3 -) reduseres til hexacyanoferrat (II) ion (4 -, som gir kaliumferrocyanid, K4), mens de to oksygenatomer fra hydrogenperoksidet oksyderes fra oksidasjonstilstand -1 til 0:

det sykliske peroksidet dekomponerer deretter for å gi 3-aminoftalat (3-amino-1,2-benzenedikarboksylsyre)i en opphisset tilstand, sammen med et nitrogenmolekyl (N2) – Se Figur 3 nedenfor. Denne dekomponeringsreaksjonen favoriseres fordi det sykliske peroksidmolekylet er svært ustabilt, og reaksjonen innebærer å bryte noen svake bindinger. Det er også favorisert på grunn av økningen i entropi (lidelse) på grunn av frigjøring av et gassmolekyl. Når det opphissede 3-aminoftalatet faller ned til grunntilstanden, frigjøres en foton av blått lys.

Kjemiluminescens i etterforskning

Forensiske forskere bruker reaksjonen av luminol til å oppdage blod på forbrytelsesscener. En blanding av luminol i en fortynnet løsning av hydrogenperoksid sprøytes på området der rettsmedisinske forskere mistenker at det er blod. Jernet i haem-enheten for hemoglobin (Se Figur 4) i blodet virker som en katalysator i reaksjonen beskrevet i Boks 1. Rommet må være mørkt, og hvis blod er til stede, vil en blå glød, som varer i ca 30 sekunder, bli observert. Rettsmedisinske etterforskere kan registrere denne gløden ved hjelp av fotografisk film, som kan brukes som bevis i retten for tilstedeværelse av blod på scenen. (For en undervisningsaktivitet om rettsmedisinske vitenskap, se Wallace-Mü, 2011.

fordi jernet virker som en katalysator, er det bare nødvendig i spormengder, derfor er det bare en liten mengde blod som kreves for å gi et positivt resultat. Dette betyr at blod kan oppdages selv når det ikke er synlig for det blotte øye.

en av ulempene ved bruk av luminol er at reaksjonen kan katalyseres av andre kjemikalier som kan være tilstede på forbrytelsesstedet, for eksempel kobberholdige legeringer, noen rengjøringsvæsker som blekemiddel og til og med pepperrot. Smarte kriminelle kan rydde opp blodet med blekemiddel, som ødelegger blodets bevis, men bleking av teppet kan varsle folk om forbrytelsen før. Urin inneholder også små mengder blod, som kan være nok til å katalysere reaksjonen av luminol. Når luminol er påført området, kan det forhindre at andre tester utføres der. Til tross for disse ulempene er luminol fortsatt brukt av rettsmedisinske forskere som et verktøy for å løse kriminalitet.

i nattklubben

når du knipser en glød pinne og det begynner å gløde, lyset produsert er et eksempel på kjemiluminescens(Se Figur 5). Glow pinner består av et plastrør som inneholder en blanding inkludert difenyl oksalat og et fargestoff (som gir glød pinne sin farge). Inne i plastrøret er et mindre glassrør som inneholder hydrogenperoksid. Når det ytre plastrøret er bøyd, klikker det indre glassrøret, frigjør hydrogenperoksidet og starter en kjemisk reaksjon som gir lys (Se Boks 2). Fargen på lyset som en glødepinne produserer, bestemmes av fargen som brukes (Se Boks 3).

Kjemiluminescensreaksjoner, slik som de i glødestifter, er temperaturavhengige. Reaksjonen går raskere når temperaturen stiger-knipser glødepinnen i varmt vann vil gi en fantastisk glød, men det vil ikke vare så lenge det ville ved romtemperatur. Omvendt reduseres reaksjonshastigheten ved lav temperatur; det er derfor å holde glødepinnen i fryseren i flere timer, slik at pinnen kan lyse sterkt igjen når den er fjernet og oppvarmet, lenge etter at den ellers ville ha sluttet å gløde. Reaksjonen stopper ikke helt i fryseren, men det går sakte slik at gløden knapt kan påvises.

Boks 2: Kjemi av glødepinner

når difenyloksalat reagerer med hydrogenperoksid (H2O2), oksyderes det for å gi fenol og et syklisk peroksid. Peroksidet reagerer med et fargestoffmolekyl for å gi to molekyler karbondioksid (CO2), og i prosessen fremmes et elektron i fargestoffmolekylet til en opphisset tilstand. Når det opphissede (høy-energi) fargestoffmolekylet vender tilbake til sin grunntilstand, frigjøres en foton av lys. Reaksjonen er ph-avhengig. Når løsningen er litt alkalisk, gir reaksjonen et lysere lys.

sikkerhetsnotat

Fenol er giftig, så hvis glødepinnen lekker, må du passe på å ikke få væsken på hendene; hvis du gjør det, vask dem med såpevann med en gang. Se Også Vitenskap I Skolen generell sikkerhetsnotat.

Boks 3: hva gjør glow sticks forskjellige farger?

fargestoffer som brukes i glød pinner er konjugerte aromatiske forbindelser (arenes). Graden av konjugasjon reflekteres i den forskjellige fargen på lyset som sendes ut når et elektron faller ned fra eksitert tilstand til grunntilstanden.

Living glow sticks

har du noen gang gått langs en strand om natten og sett gnister av lys rundt føttene dine? Eller vært på landsbygda om natten og sett ildfluer flagrende om? Dette er eksempler på bioluminescens, og rundt 90% av dyphavslivet viser også dette merkelige fenomenet. Disse organismene har utviklet seg til å produsere lys fordi det har mange nyttige funksjoner. Glødende kan brukes som en lokke å fange byttedyr, som kamuflasje eller for å tiltrekke potensielle partnere. Noen bakterier bruker selv bioluminescens til å kommunisere.

begrepet ‘glow orm’ beskriver larver av flere arter av insekt, inkludert ildfluer; noen av dem lyser for å skremme rovdyr, mens andre arter bruker sin glød for å tiltrekke seg byttedyr. Det finnes arter av blekksprut og krepsdyr som kan frigjøre skyer av bioluminescerende væske for å forvirre rovdyr mens de gjør deres flukt. Vesener som lever dypt i havet har utviklet seg til å produsere hovedsakelig blått eller grønt lys fordi det overfører godt gjennom sjøvann. Dette skyldes at blått lys har en kortere bølgelengde enn rødt lys, noe som betyr at det absorberes mindre lett av partikler i vannet.

Bioluminescerende reaksjoner bruker ATP (adenosintrifosfat) som energikilde. Strukturen til de lysproducerende molekylene varierer fra art til art, men de er alle gitt det generiske navnet luciferin. Strukturen av firefly luciferin er vist i Figur 6, venstre. Når ildfluer lyser, blir luciferin oksidert for å produsere et spennende kompleks, som faller tilbake til grunntilstanden, og frigjør en foton av lys, akkurat som den kjemiluminescerende reaksjonen av luminol beskrevet i Boks 1. Ildfluer bruker imidlertid ikke hydrogenperoksid og kaliumheksacyanoferrat (III) for å oksidere luciferin; i stedet bruker de molekylært oksygen og et enzym kalt luciferase (dette er også et generisk navn – luciferaser varierer fra art til art).

Luciferase
Luciferin + O2 Hryverin Oxyluciferin + Light

det har vært en rekke eksperimenter som undersøker aequorin, et protein som finnes i visse maneter, som produserer blått lys i nærvær av kalsium (se Shaw, 2002 og Furtado, 2009) og kan dermed brukes i molekylærbiologi for å måle kalsiumnivåer i celler. Noen forskere har kommet opp med andre ideer for å utnytte bioluminescens i fremtiden, for eksempel selvopplyste Juletrær. Kan du tenke på noen andre spennende potensielle bruksområder for dette fantastiske naturfenomenet?

Ordliste

Anion: et atom (eller gruppe av atomer) som bærer en negativ ladning.

ATP: adenosintrifosfat forekommer i alle kjente livsformer. Det er den primære energivalutaen i celler. ATP dannes FRA ADP (adenosindifosfat) og fosfat under energigivende reaksjoner (som oksidasjon av glukose), og brytes ned (TIL ADP og fosfat) for å frigjøre denne energien for å drive ugunstige reaksjoner.

Bioluminescens: produksjon av lys av levende organismer. Bioluminescens kan skyldes absorpsjon av lys (fluorescens eller fosforescens, for eksempel i mange dypvannsfisk) eller fra en kjemisk reaksjon (kjemiluminescens, for eksempel i ildfluer).

Katalysator: Et stoff som får en reaksjon til å skje raskere, men som ikke gjennomgår en permanent kjemisk endring under reaksjonen (dvs.ikke brukes opp i reaksjonen). Katalysatorer fungerer ved å gi en alternativ rute for reaksjonen som er lavere i energi.

Kjemiluminescens: En type luminescens der elektronene er opphisset av en kjemisk reaksjon, for eksempel reaksjonen av luminol beskrevet i Boks 1.

Konjugerte: Konjugerte systemer oppstår hovedsakelig i kjemi når det er dobbeltbindinger ved siden av hverandre. Atomene i et konjugert system holdes sammen av kovalente bindinger og har vekslende enkelt-og flere bindinger (hovedsakelig dobbeltbindinger, men trippelbindinger er også i konjugasjon). Alkener er flate; konjugerte systemer må alltid være plan for å tillate delokalisering av elektronene gjennom hele systemet. Fargestoffmolekylene i Boks 3 er alle eksempler på konjugerte forbindelser.

Kovalente bindinger: Bindinger mellom to atomer hvor et par elektroner deles mellom dem.

Delokalisert: når molekyler har konjugerte bindinger, er elektronene fri til å bevege seg gjennom hele det konjugerte systemet. Disse kalles delokaliserte elektroner. Elektronene i en benzenring er delokalisert, og derfor er alle karbon-karbonbindingene like lange.

Fluorescens: En type luminescens der elektronene er opphisset av lys, f. eks. i sikkerhetsmerkingene på sedler.

Luminescens: produksjon av lys, vanligvis ved lave temperaturer, for eksempel ved kjemiske reaksjoner eller elektrisk energi. Incandescence, derimot, er lys generert av høye temperaturer.

Fosforescens: som fluorescens, men gløden varer lenger (i henhold til noen definisjoner, over 10 nanosekunder), for eksempel glow-in-the-dark klistremerker.

Foton: et kvantum (pakke) av lysenergi.

Anerkjennelse

den opprinnelige versjonen av denne artikkelen ble publisert I Chemistry Review og er gjengitt med tillatelse Av utgiveren, Philip Allan. For å abonnere På Chemistry Review, et tidsskrift rettet mot skole kjemi studenter i alderen 16-19, besøk: www.philipallan.co.uk/chemistryreview