co to jest chemiluminescencja?

Świetliki, meduzy i świecące pałeczki-jeden lata, jeden żyje głęboko w oceanie, a jeden zapewnia rozrywkę w nocnych klubach. Co to jest link? Odpowiedzią są intrygujące reakcje chemiczne, które wytwarzają światło.

Chemiluminescencja to produkcja światła w reakcji chemicznej. Dwie substancje chemiczne reagują, tworząc wzbudzony (wysokoenergetyczny) związek pośredni, który rozkłada się uwalniając część swojej energii jako fotony światła (patrz słowniczek dla wszystkich terminów pogrubioną czcionką), aby osiągnąć swój stan podstawowy (patrz rysunek 1, poniżej).

A + B -> AB* -> produkty + światło

średniozaawansowany

reakcje Chemiluminescencyjne zwykle nie uwalniają dużo ciepła, ponieważ energia jest uwalniana jako światło. Luminol wytwarza światło w reakcji ze środkiem utleniającym; chemię tej reakcji przedstawiono w ramce 1.

Ramka 1: Luminol, substancja świecąca w ciemności

uwalnianie fotonu światła z cząsteczki luminolu jest dość złożonym, wieloetapowym procesem. W roztworze zasadowym (alkalicznym) luminol istnieje w równowadze z jego anionem, który nosi ładunek -2. Anion może występować w dwóch postaciach (lub tautomerach), z dwoma ujemnymi ładunkami delokalizowanymi na tlenach (forma enolowa) lub na nitrogenach (forma ketolowa; patrz rysunek 3 poniżej).

tlen cząsteczkowy (O2) łączy się z enolową formą anionu luminolu, utleniając go do cyklicznego nadtlenku. Wymagany tlen jest wytwarzany w reakcji redoks (tj. takiej, w której zachodzi zarówno redukcja, jak i utlenianie) z udziałem nadtlenku wodoru (H2O2), wodorotlenku potasu i (na przykład) heksacyjanożelazianu potasu(III) (K3, znanego również jako żelazicyjanek potasu). Jon (3 -) heksacyjanożelazianu (III) redukuje się do jonu heksacyjanożelazianu (II) (4-, dając żelazocyjanek potasu, K4), podczas gdy dwa atomy tlenu z nadtlenku wodoru są utleniane ze stanu utlenienia -1 do 0:

następnie cykliczny nadtlenek rozkłada się, dając 3-aminoftalan (kwas 3-amino-1,2-benzenodikarboksylowy) w stanie wzbudzonym, wraz z cząsteczką azotu (N2) – patrz rysunek 3, poniżej. Ta reakcja rozkładu jest preferowana, ponieważ cykliczna cząsteczka nadtlenku jest wysoce niestabilna, a reakcja polega na zerwaniu niektórych słabych wiązań. Jest również preferowany ze względu na wzrost entropii (zaburzenia) spowodowany wyzwoleniem cząsteczki gazu. Kiedy wzbudzony 3-aminoftalan spada do stanu podstawowego, uwalniany jest Foton niebieskiego światła.

Chemiluminescencja w kryminalistyce

śledczy wykorzystują reakcję luminolu do wykrywania krwi na miejscu zbrodni. Mieszanina luminolu w rozcieńczonym roztworze nadtlenku wodoru jest rozpylana na obszar, w którym naukowcy śledczy podejrzewają, że istnieje krew. Żelazo obecne w jednostce hemoglobiny hematologicznej (patrz rycina 4) we krwi działa jako katalizator w reakcji opisanej w ramce 1. Pokój musi być ciemny, a jeśli krew jest obecna, będzie widoczna niebieska poświata, trwająca około 30 sekund. Śledczy mogą nagrać ten blask za pomocą filmu fotograficznego, który może być użyty jako dowód w sądzie na obecność krwi na miejscu zbrodni. (Zajęcia dydaktyczne na temat kryminalistyki, Zobacz Wallace-Müller, 2011.

ponieważ żelazo działa jako katalizator, jest wymagane tylko w ilościach śladowych, dlatego tylko niewielka ilość krwi jest wymagana do uzyskania pozytywnego wyniku. Oznacza to, że krew może być wykryta nawet wtedy, gdy nie jest widoczna gołym okiem.

jedną z wad stosowania luminolu jest to, że reakcja może być katalizowana przez inne substancje chemiczne, które mogą być obecne na miejscu zbrodni, na przykład stopy zawierające miedź, niektóre płyny czyszczące, takie jak wybielacz, a nawet chrzan. Sprytni przestępcy mogą oczyścić krew wybielaczem, który niszczy dowody krwi, ale wybielanie dywanu może wcześniej ostrzec ludzi o Zbrodni. Mocz zawiera również niewielkie ilości krwi, które mogą być wystarczające do katalizowania reakcji luminolu. Po nałożeniu luminolu na obszar może to uniemożliwić przeprowadzenie innych testów. Jednak pomimo tych wad luminol jest nadal używany przez naukowców kryminalistycznych jako narzędzie do rozwiązywania przestępstw.

w klubie nocnym

kiedy pstrykasz świecącą pałeczkę i zaczyna ona świecić, wytwarzane światło jest przykładem chemiluminescencji (patrz rycina 5). Świecące pałeczki zawierają plastikową rurkę zawierającą mieszaninę szczawianu difenylu i barwnika (który nadaje świecącej pałeczce jej kolor). Wewnątrz plastikowej rurki znajduje się mniejsza szklana rurka zawierająca nadtlenek wodoru. Gdy zewnętrzna plastikowa rurka jest wygięta, wewnętrzna szklana rurka zatrzaskuje się, uwalniając nadtlenek wodoru i rozpoczynając reakcję chemiczną, która wytwarza światło (patrz ramka 2). Barwa światła wytwarzanego przez żarówkę zależy od użytego barwnika (patrz ramka 3).

reakcje Chemiluminescencyjne, takie jak te w pałeczkach świecących, zależą od temperatury. Reakcja przyspiesza wraz ze wzrostem temperatury – pstryknięcie pałeczki w gorącej wodzie wytworzy fantastyczny blask, ale nie potrwa tak długo, jak w temperaturze pokojowej. Odwrotnie, szybkość reakcji spowalnia w niskiej temperaturze; dlatego trzymanie świecącej pałeczki w zamrażarce przez kilka godzin może pozwolić, aby pałeczka ponownie świeciła jasno, gdy zostanie wyjęta i rozgrzana, długo po tym, jak w przeciwnym razie przestałaby świecić. Reakcja nie zatrzymuje się całkowicie w zamrażarce, ale zwalnia, dzięki czemu blask jest ledwo wykrywalny.

Ramka 2: Chemia świecących pałeczek

gdy szczawian difenylu reaguje z nadtlenkiem wodoru (H2O2), utlenia się, dając fenol i cykliczny nadtlenek. Nadtlenek reaguje z cząsteczką barwnika, dając dwie cząsteczki dwutlenku węgla (CO2), aw procesie elektron w cząsteczce barwnika jest promowany do stanu wzbudzonego. Kiedy wzbudzona (wysokoenergetyczna) cząsteczka barwnika powraca do stanu podstawowego, uwalniany jest Foton światła. Reakcja jest zależna od pH. Gdy roztwór jest lekko zasadowy, reakcja wytwarza jaśniejsze światło.

uwaga dotycząca bezpieczeństwa

fenol jest toksyczny, więc jeśli twoja świecąca pałeczka wycieka, uważaj, aby nie dostać płynu na ręce; jeśli to zrobisz, natychmiast umyj je wodą z mydłem. Zapoznaj się również z ogólną uwagą dotyczącą bezpieczeństwa Science in School.

Ramka 3: co sprawia, że świecące pałeczki różnią się kolorami?

barwniki stosowane w pałeczkach świecących to sprzężone związki aromatyczne (areny). Stopień koniugacji jest odzwierciedlony w innym kolorze światła emitowanego, gdy elektron spada ze stanu wzbudzonego do stanu podstawowego.

żywe świecące pałeczki

czy kiedykolwiek spacerowałeś po plaży w nocy i widziałeś iskry światła wokół stóp? A może byłeś na wsi w nocy i widziałeś świetliki latające po okolicy? Są to przykłady bioluminescencji i około 90% życia głębinowego również wykazuje to dziwne zjawisko. Organizmy te ewoluowały do produkcji światła, ponieważ ma wiele przydatnych funkcji. Glowing może być używany jako przynęta do łapania zdobyczy, jako kamuflaż lub do przyciągania potencjalnych partnerów. Niektóre bakterie używają nawet bioluminescencji do komunikacji.

termin „robak świecący” opisuje larwy kilku gatunków owadów, w tym świetlików; niektóre z nich świecą, aby odstraszyć drapieżniki, podczas gdy inne gatunki używają ich blasku, aby przyciągnąć zdobycz. Istnieją gatunki kałamarnic i skorupiaków, które mogą uwalniać chmury bioluminescencyjnego płynu, aby zmylić drapieżniki podczas ich ucieczki. Stworzenia żyjące głęboko w oceanie ewoluowały, aby wytwarzać głównie niebieskie lub zielone światło, ponieważ dobrze przepuszcza ono wodę morską. Dzieje się tak dlatego, że światło niebieskie ma krótszą długość fali niż światło czerwone, co oznacza, że jest mniej łatwo absorbowane przez cząstki w wodzie.

reakcje bioluminescencyjne wykorzystują ATP (adenozynotrójfosforan) jako źródło energii. Struktura cząsteczek wytwarzających światło różni się w zależności od gatunku, ale wszystkie mają nazwę rodzajową luciferin. Struktura lucyferyny świetlika jest pokazana na fig. 6, po lewej stronie. Kiedy świetliki świecą, lucyferyna jest utleniana w celu wytworzenia wzbudzonego kompleksu, który wraca do stanu podstawowego, uwalniając Foton światła, podobnie jak reakcja chemiluminescencyjna luminolu opisana w ramce 1. Jednak świetliki nie używają nadtlenku wodoru i heksacyjanoferratu potasu(III) do utleniania lucyferyny; zamiast tego używają tlenu molekularnego i enzymu o nazwie lucyferaza (jest to również nazwa ogólna – lucyferazy różnią się w zależności od gatunku).

Luciferase
Luciferin + O2 → Oxyluciferin + Light

przeprowadzono wiele eksperymentów badających aequorin, białko występujące w niektórych meduzach, które wytwarza niebieskie światło w obecności wapnia (patrz Shaw, 2002 i Furtado, 2009) i dlatego może być stosowane w biologii molekularnej do pomiaru poziomu wapnia w komórkach. Niektórzy naukowcy wymyślili inne pomysły na wykorzystanie bioluminescencji w przyszłości, na przykład samoświetlające się choinki. Czy możesz wymyślić jakieś inne ekscytujące potencjalne zastosowania tego niesamowitego zjawiska naturalnego?

Anion: atom (lub grupa atomów), który nosi ładunek ujemny.

ATP: trójfosforan adenozyny występuje we wszystkich znanych formach życia. Jest to podstawowa waluta energetyczna w komórkach. ATP powstaje z ADP (difosforanu adenozyny) i fosforanu podczas reakcji wytwarzania energii (takich jak utlenianie glukozy) i jest rozkładany (do ADP i fosforanu) w celu uwolnienia tej energii w celu wywołania niekorzystnych reakcji.

bioluminescencja: produkcja światła przez organizmy żywe. Bioluminescencja może wynikać z absorpcji światła (fluorescencja lub fosforescencja, np. u wielu ryb głębinowych) lub z reakcji chemicznej (chemiluminescencja, np. u świetlików).

katalizator: Substancja, która powoduje, że reakcja zachodzi szybciej, ale nie ulega trwałej zmianie chemicznej podczas reakcji (tj. nie jest zużywana w reakcji). Katalizatory działają, zapewniając alternatywną drogę reakcji, która jest niższa w energii.

Chemiluminescencja: rodzaj luminescencji, w której elektrony są wzbudzane przez reakcję chemiczną, na przykład reakcję luminolu opisaną w ramce 1.

sprzężone: sprzężone układy powstają głównie w chemii, gdy obok siebie znajdują się podwójne wiązania. Atomy w układzie sprzężonym są utrzymywane razem przez wiązania kowalencyjne i mają naprzemienne wiązania pojedyncze i wielokrotne (głównie wiązania podwójne, ale wiązania potrójne są również zdolne do koniugacji). Alkeny są płaskie; układy sprzężone muszą być zawsze planarne, aby umożliwić delokalizację elektronów w całym układzie. Cząsteczki barwnika w ramce 3 są przykładami związków sprzężonych.

wiązania kowalencyjne: wiązania między dwoma atomami, w których para elektronów jest dzielona między nimi.

delokalizacja: gdy cząsteczki mają sprzężone wiązania, elektrony mogą swobodnie poruszać się po całym sprzężonym układzie. Są one określane jako zdelokalizowane elektrony. Elektrony w pierścieniu benzenowym są delokalizowane, dlatego wszystkie wiązania węgiel-węgiel mają tę samą długość.

Fluorescencja: rodzaj luminescencji, w której elektrony są wzbudzane przez światło, np. w zabezpieczeniach na banknotach.

luminescencja: produkcja światła, zwykle w niskich temperaturach, na przykład w wyniku reakcji chemicznych lub energii elektrycznej. Żarówka natomiast jest światłem generowanym przez wysokie temperatury.

fosforescencja: jak fluorescencja, ale blask trwa dłużej (według niektórych definicji, ponad 10 nanosekund), na przykład naklejki świecące w ciemności.

Foton: kwant (pakiet) energii światła.

podziękowanie

Oryginalna wersja tego artykułu została opublikowana w Chemistry Review i jest powielana za zgodą wydawcy, Philipa Allana. Aby zapisać się do Chemistry Review, czasopisma skierowanego do uczniów chemii w wieku 16-19 lat, odwiedź stronę: www.philipallan.co.uk/chemistryreview