ce este chemiluminescența?

Licurici, meduze și bastoane strălucitoare – unul zboară, unul trăiește adânc în ocean și unul oferă divertisment în cluburile de noapte. Care este legătura? Răspunsul este câteva reacții chimice interesante care produc lumină.

Chemiluminescența este producția de lumină dintr-o reacție chimică. Două substanțe chimice reacționează pentru a forma un intermediar excitat (de mare energie), care se descompune eliberând o parte din energia sa ca fotoni de lumină (a se vedea glosar pentru toți termenii cu caractere aldine) pentru a ajunge la starea sa de bază (a se vedea Figura 1, de mai jos).

A + B -> AB* -> produse + lumină

excitat

intermediar

reacțiile Chemiluminiscente nu eliberează de obicei multă căldură, deoarece energia este eliberată sub formă de lumină. Luminolul produce o lumină atunci când reacționează cu un agent oxidant; chimia acestei reacții este prezentată în caseta 1.

caseta 1: Luminol, o substanță chimică strălucitoare în întuneric

eliberarea unui foton de lumină dintr-o moleculă de luminol este un proces destul de complex, în mai multe etape. Într-o soluție bazică (alcalină), luminolul există în echilibru cu anionul său, care poartă o sarcină de -2. Anionul poate exista în două forme (sau tautomeri), cu cele două sarcini negative delocalizate fie pe oxigeni (forma enol), fie pe nitrogeni (forma ketol; vezi Figura 3, mai jos).

oxigenul Molecular (O2) se combină cu forma enol a anionului luminol, oxidându-l într-un peroxid ciclic. Oxigenul necesar este produs într-o reacție redox (adică una în care apar atât reducerea, cât și oxidarea) care implică peroxid de hidrogen (H2O2), hidroxid de potasiu și (de exemplu) hexacianoferat de potasiu(III) (K3, cunoscut și sub numele de fericianură de potasiu). Ionul hexacianoferat(III) (3-) este redus la ionul hexacianoferat(II) (4-, dând ferocianură de potasiu, K4), în timp ce cei doi atomi de oxigen din peroxidul de hidrogen sunt oxidați din starea de oxidare -1 la 0:

peroxidul ciclic se descompune apoi pentru a da 3-aminoftalat (acid 3-amino-1,2-benzendicarboxilic) într – o stare excitată, împreună cu o moleculă de azot (N2) – vezi Figura 3, de mai jos. Această reacție de descompunere este favorizată deoarece molecula de peroxid ciclic este foarte instabilă, iar reacția implică ruperea unor legături slabe. De asemenea, este favorizat din cauza creșterii entropiei (tulburare) datorită eliberării unei molecule de gaz. Când 3-aminoftalatul excitat scade până la starea de bază, se eliberează un foton de lumină albastră.

Chemiluminescența în criminalistică

criminaliștii folosesc reacția luminolului pentru a detecta sângele la locul crimei. Un amestec de luminol într-o soluție diluată de peroxid de hidrogen este pulverizat pe zona în care criminaliștii suspectează că există sânge. Fierul prezent în unitatea haem a hemoglobinei (vezi Figura 4) din sânge acționează ca un catalizator în reacția descrisă în caseta 1. Camera trebuie să fie întunecată și dacă este prezent sânge, se va observa o strălucire albastră, care durează aproximativ 30 de secunde. Anchetatorii criminaliști pot înregistra această strălucire folosind film fotografic, care poate fi folosit ca dovadă în instanță pentru prezența sângelui la fața locului. (Pentru o activitate didactică despre știința criminalistică, vezi Wallace-m Okticller, 2011.

deoarece fierul acționează ca un catalizator, este necesar doar în cantități mici, prin urmare, doar o cantitate mică de sânge este necesară pentru a produce un rezultat pozitiv. Aceasta înseamnă că sângele poate fi detectat chiar și atunci când nu este vizibil cu ochiul liber.

unul dintre dezavantajele utilizării luminolului este că reacția poate fi catalizată de alte substanțe chimice care pot fi prezente la locul crimei, de exemplu, aliaje care conțin cupru, unele lichide de curățare, cum ar fi înălbitorul și chiar hreanul. Infractorii deștepți pot curăța sângele cu înălbitor, ceea ce distruge dovezile sângelui, dar albirea covorului poate alerta oamenii cu privire la crimă mai devreme. Urina conține, de asemenea, cantități mici de sânge, care pot fi suficiente pentru a cataliza reacția luminolului. Odată ce luminolul a fost aplicat în zonă, acesta poate împiedica efectuarea altor teste acolo. Cu toate acestea, în ciuda acestor dezavantaje, luminolul este încă folosit de oamenii de știință criminaliști ca instrument de rezolvare a criminalității.

în clubul de noapte

când pocniți un băț strălucitor și acesta începe să strălucească, lumina produsă este un exemplu de chemiluminescență (vezi Figura 5). Bastoanele strălucitoare cuprind un tub de plastic care conține un amestec care include oxalat de difenil și un colorant (care conferă stickului strălucitor culoarea sa). În interiorul tubului de plastic este un tub de sticlă mai mic care conține peroxid de hidrogen. Când tubul exterior de plastic este îndoit, tubul interior de sticlă se fixează, eliberând peroxidul de hidrogen și declanșând o reacție chimică care produce lumină (a se vedea caseta 2). Culoarea luminii pe care o produce un băț strălucitor este determinată de colorantul utilizat (A se vedea caseta 3).

reacțiile de chemiluminescență, cum ar fi cele din bețele strălucitoare, sunt dependente de temperatură. Reacția se accelerează pe măsură ce temperatura crește – ruperea bățului strălucitor în apă fierbinte va produce o strălucire fantastică, dar nu va dura atât timp cât ar fi la temperatura camerei. În schimb, viteza de reacție încetinește la temperatură scăzută; acesta este motivul pentru care păstrarea bățului strălucitor în congelator timp de câteva ore poate permite bățului să strălucească din nou puternic atunci când este îndepărtat și încălzit, mult timp după ce altfel ar fi încetat să strălucească. Reacția nu se oprește complet în congelator, dar încetinește, astfel încât strălucirea este abia detectabilă.

caseta 2: Chimia bastoanelor strălucitoare

când oxalatul de difenil reacționează cu peroxidul de hidrogen (H2O2), acesta este oxidat pentru a da fenol și un peroxid ciclic. Peroxidul reacționează cu o moleculă de colorant pentru a da două molecule de dioxid de carbon (CO2) și în acest proces, un electron din molecula de colorant este promovat într-o stare excitată. Când molecula de colorant excitată (de mare energie) revine la starea sa de bază, se eliberează un foton de lumină. Reacția este dependentă de pH. Când soluția este ușor alcalină, reacția produce o lumină mai strălucitoare.

notă de siguranță

fenolul este toxic, așa că, dacă lipiciul strălucitor se scurge, aveți grijă să nu puneți lichidul pe mâini; dacă o faceți, spălați-le imediat cu apă cu săpun. A se vedea, de asemenea, știința în școală notă generală de siguranță.

caseta 3: Ce face ca glow sticks să aibă culori diferite?

coloranții utilizați în bețișoarele strălucitoare sunt compuși aromatici conjugați (Arene). Gradul de conjugare se reflectă în culoarea diferită a luminii emise atunci când un electron coboară de la starea excitată la starea de bază.

bețe strălucitoare vii

te-ai plimbat vreodată de-a lungul unei plaje noaptea și ai văzut scântei de lumină în jurul picioarelor tale? Sau a fost în mediul rural pe timp de noapte și a văzut licuricii flitting despre? Acestea sunt exemple de bioluminescență și aproximativ 90% din viața de adâncime prezintă, de asemenea, acest fenomen ciudat. Aceste organisme au evoluat pentru a produce lumină, deoarece are multe funcții utile. Strălucirea poate fi folosită ca momeală pentru a prinde prada, ca camuflaj sau pentru a atrage potențiali colegi. Unele bacterii folosesc chiar bioluminescența pentru a comunica.

termenul ‘glow worm’ descrie larvele mai multor specii de insecte, inclusiv licuricii; unele dintre ele strălucesc pentru a speria prădătorii, în timp ce alte specii își folosesc strălucirea pentru a atrage prada. Există specii de calmar și crustacee care pot elibera nori de lichid bioluminescent pentru a confunda prădătorii în timp ce își fac evadarea. Creaturile care trăiesc adânc în ocean au evoluat pentru a produce în principal lumină albastră sau verde, deoarece se transmite bine prin apa de mare. Acest lucru se datorează faptului că lumina albastră are o lungime de undă mai scurtă decât lumina roșie, ceea ce înseamnă că este absorbită mai puțin ușor de particulele din apă.

reacțiile bioluminescente utilizează ATP (adenozin trifosfat) ca sursă de energie. Structura moleculelor producătoare de lumină variază de la Specie la specie, dar tuturor li se dă numele generic luciferin. Structura luciferinei de licurici este prezentată în Figura 6, stânga. Când licuricii strălucesc, luciferina este oxidată pentru a produce un complex excitat, care cade înapoi la starea de bază, eliberând un foton de lumină, la fel ca reacția chemiluminescentă a luminolului descrisă în caseta 1. Cu toate acestea, licuricii nu folosesc peroxid de hidrogen și hexacianoferat de potasiu(III) pentru a oxida luciferina; în schimb folosesc oxigen molecular și o enzimă numită luciferază (acesta este, de asemenea, un nume generic – luciferazele variază de la Specie la specie).

luciferază
luciferină + O2 Oxiluciferină + lumină

au existat o serie de experimente care investighează aequorina, o proteină găsită în anumite meduze, care produce lumină albastră în prezența calciului (vezi Shaw, 2002 și Furtado, 2009) și poate fi astfel utilizată în biologia moleculară pentru a măsura nivelurile de calciu din celule. Unii oameni de știință au venit cu alte idei pentru utilizarea bioluminiscenței în viitor, de exemplu pomi de Crăciun auto-iluminați. Vă puteți gândi la alte utilizări potențiale interesante pentru acest fenomen natural uimitor?

Glosar

Anion: un atom (sau grup de atomi) care poartă o sarcină negativă.

ATP: adenozin trifosfatul apare în toate formele de viață cunoscute. Este moneda de energie primară în celule. ATP este format din ADP (adenozin difosfat) și fosfat în timpul reacțiilor cu randament energetic (cum ar fi oxidarea glucozei) și este descompus (în ADP și fosfat) pentru a elibera această energie pentru a conduce reacții nefavorabile.

bioluminescență: producția de lumină de către organismele vii. Bioluminescența poate rezulta din absorbția luminii (fluorescență sau fosforescență, de exemplu la mulți pești de adâncime) sau dintr-o reacție chimică (chemiluminescență, de exemplu la licurici).

catalizator: O substanță care face ca o reacție să apară mai repede, dar care nu suferă o schimbare chimică permanentă în timpul reacției (adică nu este consumată în reacție). Catalizatorii funcționează oferind o cale alternativă pentru reacția care este mai mică în energie.

chemiluminescență: un tip de luminiscență în care electronii sunt excitați de o reacție chimică, de exemplu reacția luminolului descrisă în caseta 1.

conjugat: sistemele conjugate apar în principal în chimie atunci când există legături duble una lângă cealaltă. Atomii dintr-un sistem conjugat sunt ținuți împreună de legături covalente și au legături simple și multiple alternante (în principal legături duble, dar legăturile triple sunt, de asemenea, capabile să fie în conjugare). Alchenele sunt plane; sistemele conjugate trebuie să fie întotdeauna plane pentru a permite delocalizarea electronilor în întregul sistem. Moleculele de colorant din caseta 3 sunt toate exemple de compuși conjugați.

legături covalente: legături între doi atomi în care o pereche de electroni sunt împărțiți între ei.

delocalizat: când moleculele au legături conjugate, electronii sunt liberi să se miște în întregul sistem conjugat. Acestea sunt denumite electroni delocalizați. Electronii dintr-un inel benzenic sunt delocalizați și de aceea toate legăturile carbon-carbon au aceeași lungime.

fluorescență: un tip de luminiscență în care electronii sunt excitați de lumină, de ex. în marcajele de securitate de pe bancnote.

luminiscență: producția de lumină, de obicei la temperaturi scăzute, de exemplu prin reacții chimice sau energie electrică. Incandescența, în schimb, este lumina generată de temperaturi ridicate.

fosforescență: ca fluorescență, dar strălucirea durează mai mult (conform unor definiții, peste 10 nanosecunde), de exemplu autocolante strălucitoare în întuneric.

Foton: un cuantum (pachet) de energie luminoasă.

confirmare

versiunea originală a acestui articol a fost publicată în Chemistry Review și este reprodusă cu permisiunea amabilă a editorului, Philip Allan. Pentru a vă abona la Chemistry Review, un jurnal destinat elevilor de chimie școlară cu vârste cuprinse între 16 și 19 ani, vizitați: www.philipallan.co.uk/chemistryreview