Cuadro 1: Luminol, una sustancia que brilla en la oscuridad

La liberación de un fotón de luz de una molécula de luminol es un proceso con varias etapas bastante complejo. En una solución básica (alcalina), el luminol está en equilibrio con su anión, que lleva una carga -2. El anión puede estar en dos formas (o tautómeros), con las dos cargas negativas deslocalizadas en cualquiera de los oxígenos (forma enol) o en los nitrógenos (forma ketol; véase la Figura 3, abajo).

El oxígeno molecular (O₂)se combina con la forma enol del anión del luminol, oxidándolo en un peróxido cíclico. El oxígeno necesario se produce en una reacción redox (es decir cuando ocurre una reacción de reducción y oxidación) participando el peróxido de hidrógeno (H₂O₂), hidróxido potásico y (por ejemplo) hexacianoferrato potásico (III) (K₃[Fe(CN)₆], también conocido como ferrocianuro potásico). El hexacianoferrato (III) ión ([Fe(CN)₆]^3->) es reducido a ión hexacianoferrato (II) ([Fe(CN)₆]^4-, dando ferrocianuro potásico, K₄[Fe(CN)₆]), mientras que dos átomos de oxígeno del peróxido de hidrógeno se oxidan del estado de oxidación -1 al 0:

El peróxido cíclico se descompone para dar 3-aminoftalato (ácido 3-amino-1,2-benenodicarboxílico) en estado excitado, junto con una molécula de nitrógeno (N₂) – ver Figura 3, abajo. Esta reacción de descomposición se ve favorecida porque la molécula de peróxido cíclico es altamente inestable, y la reacción consiste en romper algunos enlaces débiles. También se ve favorecida por el aumento de la entropía (desorden), debido a la liberación de una molécula de gas. Cuando el 3-aminoftalato excitado cae hasta el estado fundamental, un fotón de luz azul es liberado.

Cuadro 2: Química de las barras luminosas

Haga clic sobre la imagen para ampliarla Imagen cortesía de Chemistry Review

Cuando el oxalato de difenilo reacciona con el peróxido de hidrógeno (H2O2), es oxidado para dar fenol y peróxido cíclico, el peróxido reacciona con una molécula de colorante para dar dos moléculas de dióxido de carbono (CO2) y en el proceso, un electrón en la molécula de colorante se promueve a un estado excitado. Cuando el tinte excitado (alta energía) vuelve a su estado fundamental, un fotón de luz de libera. La reacción depende del pH. Cuando la solución es ligeramente alcalina, la reacción produce una luz más brillante.

Nota de seguridad: El fenol es tóxico, por lo que si la barra luminosa tiene escapes, tenga cuidado de no coger el líquido en sus manos, si lo hace, lávelos con agua y jabón inmediatamente. Ver también la nota de seguridad escolar general en Science in School.

Cuadro 3: ¿Qué hace diferentes los colores de las barras luminiscentes?

Los colorantes utilizados en las barras luminiscentes son compuestos aromáticos conjugados (arenos). El grado de conjugación se refleja en el color de la luz emitida cuando un electrón cae desde el estado excitado al estado fundamental.

Glosario

Anión: un átomo (o grupo de átomos) que lleva una carga negativa.

ATP: adenosín trifosfato presente en todas las formas de vida conocidas. Es la moneda de energía primaria en las células. El ATP se forma a partir del ADP (adenosín difosfato) y fosfato durante reacción donadoras de energía (por ejemplo, la oxidación de la glucosa), y se rompe (a ADP y fosfato) para liberar esta energía con el fin de impulsar reacciones desfavorables. Bioluminiscencia: La producción de luz por organismos vivos. La bioluminiscencia puede ser consecuencia de la absorción de luz (fluorescencia o fosforescencia, por ejemplo, en muchos peces de aguas profundas) o de una reacción química (quimioluminiscencia, por ejemplo, en luciérnagas).

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Catalizador: Sustancia que hace que una reacción ocurra más rápido, pero que no experimenta un cambio químico permanente durante la reacción (es decir, no se utiliza en la reacción). Los catalizadores trabajan al proporcionar una ruta alternativa para que la reacción necesite menos energía.

Quimioluminiscencia: Es un tipo de luminiscencia en la cual los electrones son excitados por una reacción química, por ejemplo, la reacción del luminol que se describe en el Cuadro 1.

Conjugados: Los sistemas conjugados surgen principalmente en la química donde hay enlaces dobles cerca de otros. Los átomos en un sistema conjugado se mantienen unidos por enlaces covalentes y se alternan enlaces simples y múltiples (principalmente enlaces dobles, pero los triples enlaces también son capaces de estar en una conjugación). Los alquenos son planos, los sistemas conjugados deben ser siempre planos para permitir la deslocalización de los electrones en todo el sistema. Las moléculas del colorante en el Cuadro 3 son ejemplos de compuestos conjugados.

Enlaces covalentes: Enlaces entre dos átomos donde se comparten un par de electrones entre ellos.

Deslocalización: Cuando las moléculas tienen enlaces conjugados, los electrones son libres de moverse a lo largo de todo el sistema conjugados. Estos se conocen como electrones deslocalizados. Los electrones en un anillo benceno están deslocalizados, y es por eso que todos los enlaces carbono-carbono tienen la misma longitud.

Los electrones en el benceno están deslocalizados en un sistema conjugado Imagen cortesía de Chemistry Review

Fluorescencia: Un tipo de luminiscencia en la cual los electrones son excitados por la luz, por ejemplo, en las marcas de seguridad de los billetes de banco.

Luminiscencia: La producción de luz, por lo general a bajas temperaturas, por ejemplo, por reacciones químicas o de energía eléctrica. La incandescencia, al contrario, es la luz generada por altas temperaturas.

Fosforescencia: Como la fluorescencia, pero el brillo dura más tiempo (de acuerdo con algunas definiciones, más de 10 nanosegundos), por ejemplo, las pegatinas que brillan en la oscuridad.

Fotón: Un cuanto (paquete) de energía luminosa.

Opinión

Este artículo ofrece una manera de motivar a los estudiantes a comprender las reacciones químicas. Incluso si no están interesados en saber por qué una barra luminiscencia brilla en la oscuridad, seguramente estarán ansiosos de averiguar cómo las luciérnagas o medusas producen luz, o para descubrir cómo se detecta sangre en la escena del crimen. El artículo puede servir ya sea como una introducción a las reacciones químicas o como ejemplos atractivos de las reacciones redox o también para ilustrar los niveles de energía de las capas de un átomo.

El artículo se puede adaptar para diferentes rangos de edad y de distintas materias y temas. Para los estudiantes de 14-15 años, podría ser utilizado para enseñar química (estructura atómica y el movimiento de los electrones entre capas, introducción a las reacciones químicas) o biología (bioluminiscencia). Para este grupo de edad, el profesor necesidad de simplificar la información contenida en el artículo y omitir los detalles de las reacciones. Para los estudiantes de entre 16-18 años, el artículo podría ser utilizada para enseñar química (reacciones redox, catalizadores, la influencia de la temperatura sobre la velocidad de reacción, el efecto del pH en la reacción, y los enlaces covalentes), física (el espectro electromagnético y los fotones) o genética (ingeniería genética). Preguntas adecuadas de compresión incluidas:

• ¿Qué es la quimioluminiscencia?
• ¿Para qué usan los científicos forenses la quimioluminiscencia?
• Explicar algunas funciones biológicas de la bioluminiscencia.
• ¿Por qué debemos mantener la barra luminiscente en el congelador cuando no la estamos usando?
• ¿Cómo puedes hacer un árbol de Navidad con luz propia?

Ana Gil, España

Recomendaciones del Revisor: Química, Biología, Física, Interdisciplinar, Enlaces químicos, Reacciones químicas, Estructura atómica, Espectro electromagnético, Luz, Energía, Genética Edad 14-18