Ramce 1: Luminol, świecący w ciemności związek chemiczny

Uwolnienie fotonu światła z cząsteczki luminolu jest dość złożonym, wieloetapowym procesem. W roztworze alkalicznym luminol występuje w formie anionu, z ujemnym ładunkiem -2) i jest w równowadze jonowej. Anion ten może występować w dwóch formach (tautomerach), gdzie 2 ujemne ładunki mogą zostać zdelokalizowane albo na atom tlenu (forma enolowa) albo na atom azotu (forma ketolowa; zobacz na Rysunek 3).

Tlen cząsteczkowy (O₂) reaguje z enolową formą anionu luminolu, utleniając go do cyklicznego nadtlenku. Wymagany do tej reakcji tlen powstaje w procesie reakcji redoks (w której jednoczenie występuje redukcja i utlenianie) z udziałem nadtlenku wodoru (H₂O₂), wodorotlenku potasu i (na przykład) heksacyjanożelazianu (III) potasu (K₃[Fe(CN)₆], nazywanego również żelazicyjankiem potasu). W reakcji tej jon heksacyjanożelazianu(III) ([Fe(CN)₆]^3-) redukowany jest do jonu heksacyjanożelazianu(II) ([Fe(CN)₆]^4-, dając żelazocyjanek potasu, K₄[Fe(CN)₆]), a dwa atomy tlenu z cząsteczki nadtlenku wodoru zostają utlenione ze stopnia utlenienia -1 do 0:

Powstały w tej reakcji cykliczny nadtlenek rozkłada się na kwas 3-nitroftalowy (kwas 3-amino-1,2-bensodikarboksylowy) w stanie wzbudzonym oraz na cząsteczkę azotu (N₂) – zobacz Rysunek 3. Reakcja ta jest faworyzowana, gdyż cząsteczka cyklicznego nadtlenku jest niestabilna i słabe wiązania chemiczne ulegają zerwaniu. Dodatkowo reakcja ta zwiększa entropię (nieuporządkowanie) poprzez uwolnienie cząsteczki gazu. Kiedy „wzbudzony” kwas 3-nitroftalowy spadnie (przejdzie) w podstawowy stan energetyczny, uwolniony zostanie foton światła niebieskiego.

Ramka 2: Chemia fluorescencyjnych pałeczek

Kliknij na obrazek aby powiększyć Zdjęcie dzięki uprzejmości Chemistry Review

Kiedy difenyl szczawianu wejdzie w reakcję z nadtlenkiem wodoru (H2O2),zostaje on utleniony i powstaje fenol oraz cykliczny nadtlenek. Nadtlenek reaguje z cząsteczką barwnika i w ten sposób powstają dwie cząsteczki dwutlenku węgla (CO2) oraz wzbudzona cząsteczka barwnika ze elektronem znajdującym się w wyższym stanie energetycznym. Kiedy cząsteczka ta przechodzi z powrotem do stanu podstawowego, uwalnia ona foton światła. Reakcja ta jest zależna od pH. W silnie zasadowym środowisku produkowane (uwalniane) światło jest dużo jaśniejsze.

Informacje o bezpieczeństwie: fenol jest toksyczny, gdy fluorescencyjna pałeczka okaże się być nieszczelna, unikaj kontaktu substancji chemicznych z twoim ciałem, jeśli jednak dojdzie do kontaktu ze skórą, od razu zmyj dokładnie to miejsce mydłem; zobacz również ogólne zasady bezpieczeństwa w stronie Science in School .

Ramka 3: Dlaczego pałeczki fluorescencyjne mogą mieć różne kolory?

Barwniki znajdujące się w pałeczkach fluorescencyjnych są sprzężonymi związkami aromatycznymi (areny). Stopień sprężenia odzwierciedla się w różnych kolorach emitowanego światła. Foton światła uwalniany jest, kiedy elektron spada z wyższego (wzbudzonego) poziomu energii do stanu podstawowego.

Słowniczek

Anion: atom (lub cząsteczka) o negatywnym ładunku

ATP: adenozynotrifosforan występuje we wszystkich znanych formach życia. Jest on głównym źródłem energii komórek. ATP powstaje z ADP (adenozynodifosforan) i fosforanu podczas reakcji egzoergicznych np. podczas utleniania cząsteczki glukozy, i rozkłada się na ADP i fosforan, uwalniając energię i umożliwiając przeprowadzanie reakcji endoergicznych (pochłaniających energię). Bioluminescencja: produkcja światła przez organizmy żywe. Bioluminescencja może powstać poprzez absorbcję światła (fluorescencja lub fosforescencja, np. u wielu ryb głęboko morskich) lub w wyniku reakcji chemicznej (chemiluminescenja, np. świetlik świętojański).

Kliknij na obrazek aby powiększyć Zdjęcie dzięki uprzejmości Chemistry Review

Katalizator: Substancja chemiczna przyspieszająca reakcję, ale nieulegające trwałej przemianie chemicznej w wyniku tej reakcji (np. katalizatora nie ubywa w czasie reakcji). Kataliza przyspiesza reakcje poprzez obniżenie energii potrzebnej do jej przeprowadzania.

Cheminuminescencja: rodzaj luminescencji, w której elektrony wchodzą w stan wzbudzony podczas reakcji chemicznej, np. tak jak w reakcji luminolu opisanej w ramce 1.

System sprzężony: system sprzężony w związku chemicznym oznacza występowanie podwójnych wiązania chemicznych. W systemie sprzężonym atomy połączone są wiązaniami kowalencyjnymi i wiązania te są na przemian pojedyncze i wielokrotne (najczęściej podwójne, ale potrójne są również możliwe). Alkeny są płaskie, związki sprzężone muszą być trójwymiarowe by umożliwić delokalizację elektronów z orbitali atomowych w obrębie tego związku. Przykładami związków sprzężonych są cząsteczki barwników przedstawione w ramce 3.

Wiązania kowalencyjne: wiązania pomiędzy dwoma atomami, które współdzielą parę elektronów.

Delokalizacja: związki zawierające wiązania sprzężone posiadają wolne elektrony poruszające się swobodnie w układzie sprzężonym tej cząsteczki. Te wolne elektrony nazywane są zdelokalizowanymi np. jak w pierścieniu benzenu jest ich 6 i determinują one taką samą długość wiązań między atomami węgla.

Elektrony w benzenie są zdelokalizowane w systemie sprzężonym. Ilustracja za uprzejmością Chemistry Review

Fluorescencja: rodzaj luminescencji, w której elektrony wzbudzone zostają za pomocą światła, np. jak w maszynach sprawdzających autentyczność banknotów

Luminescencja: proces produkcji światła, zazwyczaj w niskich temperaturach, w wyniku reakcji chemicznej lub dzięki energii elektrycznej. Żarzenie, natomiast, jest produkją światła w bardzo wysokich temperaturach.

Fosforescencja: proces podobny to fluorescencji, ale produkcja światła trwa dłużej (pomiędzy sekundami a nawet godzinami), przykładem są fluorescencyjne pałeczki

Foton: kwant (kwantum; jednostka) energii świetlnej.

Przegląd

Artykuł ten ma na celu zachęcić uczniów do głębszej analizy procesów reakcji chemicznych. Nawet, jeśli nie interesuje ich jak i dlaczego fluorescencyjne pałeczki świecą w ciemności, może zaciekawią ich procesy, dzięki którym świetlik czy meduza produkują światło, lub jak zidentyfikować krew w miejscu przestępstwa. Artykuł ten może być wykorzystany, jako wprowadzenie do tematu reakcji chemicznych lub jako ciekawe przykłady reakcji redoks jak również do ilustracji poziomów energii w powłokach atomu.

Artykuł ten można wykorzystać w różny sposób dla różnych grup wiekowych uczniów. Dla uczniów w wieku 14-15 lat, może on być wykorzystany na lekcji chemii (struktura atomu, ruch elektronów w powłokach atomowych, wprowadzenie do tematu reakcji chemicznych) lub biologii (bioluminescencja). Nauczyciele powinni jednak uprościć niektóre informacje i być może ominąć niektóre detale. Dla uczniów w wieku 16-18 lat artykuł ten będzie pomocny na lekcji chemii (reakcje redoks, kataliza, wpływ temperatury czy pH na szybkość reakcji chemicznej, wiązania kowalencyjne), fizyki (widmo spektroskopowe, fotony) czy genetyki (inżynieria genetyczna). Poniżej znajdują się przykładowe pytaniami sprawdzające zrozumienie tematu.

• Co to jest chemiluminescencja?
• Jak specjaliści medycyny sądowej mogą zastosować chemiluminescencję w śledztwie?
• Wyjaśnij biologiczne funkcje bioluminescencji.
• Dlaczego powinniśmy schować pałeczkę fluorescencyjną do zamrażalki?
• Jak zrobić samo zaświecającą się choinkę bożonarodzeniową?

Ana Gil, Hiszpania

Rekomendacje referenta: Chemia, Biologia, Fizyka, Temat interdyscyplinarny, Wiązania chemiczne, Reakcje chemiczne, Struktura atomowa, Widmo spektroskopowe, Światło, Energia, Genetyka Wiek 14-18