Ett lysande experiment - Kemiluminiscens

Tillhör kategori: energi, spektrum, ljus och färg

Författare: Lotta Kvick

Introduktion Riktlinjer Säkerhet Materiel Förarbete Utförande Förklaring Kemisk bakgrund Fördjupning Litteratur Fler experiment

Frätande Irriterande Använd skyddsglasögon 

Tid för förberedelse: 20 minuter

Tid för genomförande: 10 minuter

Antal tillfällen: 1

Säkerhetsfaktor: Utföres med normal varsamhet

Svårighetsgrad: Kräver viss labvana

Introduktion

Detta är ett experiment som integrerar kemi och biologi. Genom att blanda två lösningar med varandra kommer du att få ett lysande ljus i mörkret. Ämnet som används är samma som exempelvis lysmaskar har, liksom olika "leksaker" som används till fester.

Riktlinjer

Experimentet kan göras som demonstration eller som elevexperiment. Görs det som ett elevförsök är det bra om man som lärare har förberett lösning A och lösning B.

Säkerhet

Luminol ( 5-amino-1,2,3,4-tetrahydro-1,4-phtalazindion)

Giftigheten hos luminol är inte känd i detalj. Känslighet till följd av inandning av kemikaliedamm och till hudkontakt är möjligt.

Väteperoxid (H2O2)

Denna lösning är en stark oxiderande kemikalie. Hudkontakt kan åstadkomma omfattande brännsår. Viktigt att använda skyddshandskar och skyddsglasögon.

Allt som används i detta försök går att hälla ut i vasken då det används i så små mängder.

Natriumhydroxid (NaOH)

NaOH är frätande. Det finns risk för stänk i ögonen, så se till att använda skyddsglasögon.

Denna kemikalie går att spola ut i slasken.

Blodlutsalt (K3Fe(CN)6)

Blodlutsalt (kaliumferricyanid) är normalt sett inte giftigt. Men ämnet kan avge mycket giftig cyanid om det upphettas eller man tillsätter varm syra (se MSDS). Undvik dock spill på hud eller textiltier eftersom det lätt ger fläckar som är svåra att få bort. Blodlutsalt används som blått pigment i konstnärsfärger.

Mindre mängder blodlutsalt kan spolas ut i vasken.

Vatten (H2O)

Vatten är som bekant ofarligt.

Materiel

  1. Två bägare, c:a 400 ml
  2. Tratt
  3. E-kolv
  4. Mätcylinder, 100 ml
  5. Mätpipett, 1 ml
  6. Våg
  7. Väteperoxid (H2O2), 30%-ig
  8. Filterpapper eller urglas
  9. Lösningar:

Hur får man tag på kemikalierna?

Luminol kan bara beställas från kemikalieföretag såsom exempelvis: Kebo (http://www.vwr.com/index.htm, tel. 08-621 34 40). Kostnad är 595 kr för 10 g (januari 2003).

Väteperoxid kan man köpa i färghandel. Cirkapriset för 30 % väteperoxid ligger på ungefär 65 kr för en flaska.

Natriumhydroxid kan man köpa i färghandeln och den kostar ungefär 36 kr för en flaska.

Blodlutsalt kunde man man förr köpa på apoteket, men numera måste man beställa den från något kemikalieföretag. Exempelvis säljer Kebo (http://www. VWR.com, tel. 08-621 34 40) denna kemikalie. Kostnad är 149 kr för 250 g (januari 2003).

Vatten går att ta direkt från kranen.

Förarbete

Inget förarbete krävs om du ska visa detta som en demonstration. Ska du göra detta som ett elevförsök, är det bra att förbereda de olika lösningarna.

Utförande

  1. Börja med att späda 5 ml av lösning (A) med 35 ml vatten, kan kallas lösning C.
  2. Därefter späder du 5 ml av lösning (B) med 35 ml vatten, men tillsätter efter detta 0,3 ml H2O2 i denna bägare, kan kallas lösning D.
  3. Då detta är gjort hälls båda spädda lösningarna (C & D) genom tratten samtidigt ner i e-kolven. Observera att detta moment görs i ett mörkt rum.
  4. När ljusets intensitet avtar hälls resterande av lösning (A) genom tratten
Foto: © Svante Åberg

Variation

För att förhöja den visuella upplevelsen kan du använda en spiralvriden slang att hälla vätskorna igenom när du gör luminiscensen. Slangen monteras lämpligen i ett stativ.

Förklaring

I experimentet omvandlas kemisk energi till ljusenergi enligt följande: Väteperoxiden oxiderar luminolmolekylen och det bildas en energirik, instabil förening. Denna förening kommer att göra sig av med överskottenergin genom en serie kemiska omvandlingar som i det sista steget avger energin i form av ljus (som foton hn). Reaktionerna är inte så snabba i sig, men skyndas på av katalysatorn kaliumferricyanid, vilket gör att ljuset blir intensivare.

Kemisk bakgrund

Vy för utskrift av kemisk bakgrund och fördjupning

Detta sker i experimentet

Ett klarblått ljussken skapas när man häller de båda lösningarna genom tratten ner i en E-kolv. Detta är ett kallt ljus utan värmeutveckling. Molekylerna avger inte sin energi som värme, utan i form av strålning.

Luminol ger kemiluminiscens i en alkalisk lösning. Ljusintensiteten kan ökas med hjälp av katalysatorer, såsom blodlutsalt, som för övrigt snabbar på reaktionen så att den snabbare tar slut. Under reaktionen omvandlas luminolen till dinatriumsaltet av 3-aminoftalsyra.

Reaktionsmekanismen

Kemikalierna i experimentet

Luminol (5-amino-2,3-dihydro-1,4-ftalazin dion)

Luminol är en cyklisk aminoftalhydrazon som bildats genom reaktion mellan 3-nitroftalsyra och hydrazin. När luminol reagerar med starka oxidationsmedel oxideras ftalhydrazondelen av molekylen och ringen bryts under bildning av bl.a. kvävgas, N2, och ftalsyra. Beroende på vilka oxidationsmedel som används kan även andra produkter bildas.

I våra experiment är det dels syrgas, O2, och dels väteperoxid (H2O2) som får fungera som oxiderande substans. Även andra oxidationsmedel fungerar, t ex klordioxid.

Klordioxid,ClO2är en extremt giftig gas som bildas när hypokloritjoner (exemplevis i natriumhypoklorit, NaClO) reagerar med saltsyra, HCl(aq). Denna reaktion används t ex för att bestämma gasen när den används som desinfektionsmedel vid produktion av renvatten.

När bindningen spricker räcker energin för att excitera molekylen elektroniskt så att den vid återgången till sitt elektroniska grundtillstånd kan sända ut en foton, som vi kan detektera med ögat.

Bioluminiscens

Bioluminiscens är produktionen av kemiluminiscens (ljus skapat genom kemiska reaktioner) hos levande organismer. Det kanske mest kända exemplet av en sådan organism är eldflugan. Det som händer i en biokemisk reaktion hos en sådan organism är att ljuset som den sänder ut är producerad via en aktion av ett enzym som sätter sig på dess substrat, luciferin.

Andra organismer som producerar bioluminiscens är vissa bakterier och exempelvis också vissa alger.

Kemiluminiscens sker när en energifrigörande reaktion producerar en molekyl i ett exciterat tillstånd. Denna molekyl kommer när den återgår till sin grundnivå att frigöra energi som en foton av ljus.

Produktionen av kemiluminicens beror på ett antal faktorer: Först måste reaktionen utveckla tillräckligt med energi för att skapa ett elektroniskt exciterat tillstånd. För det andra måste reaktionen producera kemiska föreningar som kan exciteras. För det tredje måste reaktionsmekanismen gynna bildandet av detta exciterade tillstånd. För det fjärde måste reaktionens mix innehålla en molekyl som deaktiverar den exciterade molekylen via emission av en foton. Till sist måste kemiluminiscensen vara starkare än den "quenching" som förekommer (dämpningen av ljus pga andra kemiska ämnen i lösningen).

Varför lyser djuren?

Hos insekter, såsom lysmask och eldfluga, används bioluminiscensens som en signal mellan könen. Det finns även en social betydelse, det är ett sätt att signalera till andra inom arten att vi hör ihop, en form av igenkänning. Hos dinoflagellater förvirrar luminiscensen predatorer och hos fiskar ger det skydd.

I de stora djupa haven där inget solljus kan tränga ner är det oerhört mörkt. Trots detta mörker finns det djur som lever där nere och dom har utvecklat egna förmågor för att kunna överleva i mörkret. Bioluminiscens är ett marint fenomen och finns inte att finna i färskvatten. Djuren djupt nere använder sig av bioluminiscens på olika sätt vissa som en slags kommunikation. Andra fiskarter använder sig av bioluminiscens för att navigera, ytterligare andra som ett slags bete för att locka till sig byte.

Havsdjur är i allmänhet blinda för rött ljus då det inte existerar djup ned. Vattnet absorberar snabbt den röda delen av spektrum från solljuset som kommer uppifrån. En rovfisk har utnyttjat detta genom att producera rött ljus, som den själv kan se, och på så sätt belysa sina offer utan att de märker det.

Historik

Man anser att Henning Brand är upptäckaren av fosfor (P). I ett mörkt rum ser man hur vit fosfor utsänder ljus. Kring fosforn finns alltid ett moln av förgasad fosfor som oxideras till fosfortrioxid (P4O6), vilken oxideras vidare till fosforpentoxid (P4O10) som sänder ut ljus.

Tillämpningar med kemiluminiscens

Lysstavar

McCapra uppfann ett snyggt sätt att demonstrera denna typen av kemiluminescens som har kopierats i de kommersiella ljusstavarna. En ampull innehållande väteperoxid sätts in i en slang som innehåller oxalatestern plus en fluorofor. När ampullen bryts kommer ljuset att utvecklas.

Kriminalteknisk tillämpning där man använder sig av Luminol

Det var en tysk rättsmedicinsk forskare som år 1937 upptäckte hur man kunde använda sig av kemikalien luminol för att spåra blod.

Vårt blod är nämligen svagt alkaliskt och innehåller celler, enzymer, proteiner vatten och hemoglobin. Det är hemoglobin som fraktar runt syret som reagerar med luminolen. Hemoglobin innehåller järn och luminol kan påvisa väldigt små mängder av blod till och med för flera år sedan.

När luminol kommer i kontakt med blod så upptsår ett grönblått sken. Luminol är så känsligt så att det kan detektera en väldigt liten blodmängd. För att man ska förstå hur känsligt luminol är kan man se på följande förhållande: 1 bloddroppe utspädd med 999 999 droppar vatten är tillräckligt för att detekteras med luminol. Kriminaltekniker använder sig av luminol för att påvisa blod där man i regel inte ser något. Man sprutar det misstänkta området med luminol i nästan totalt mörker och ser om det lyser grönt.

Självklart ställer du samma fråga som jag - reagerar inte luminol med andra ämnen? Jo det gör det. Luminol reagerar med några metaller, färg, vissa städprodukter och växtsubstans. Hur vet man då om det är blod den indikerar eller om det är något annat. Jo den indikerar olika mot olika material och en specialist kan med säkerhet känna igen vad det är som luminolen reagerar mot.

Fördjupning

Elektromagnetisk strålning

Elektromagnetisk strålning består av fotoner, energipaket utan massa som rör sig med ljusets hastighet. Fotonens energi är oförändrad så länge som den inte kan utbyta energi med någon partikel eller annan foton som den kolliderar med.

Fotonen har både partikelegenskaper och vågrörelseegenskaper.

Fotonens energi

Fotonens energi har ett direkt samband med ljusets våglängd:

E = hc/l, där

E = energi
h = Plancks konstant = 6.626070040×10−34 J·s = 4.135667662×10−15 eV·s
c = ljusets hastighet i vacuum = 299792458 m/s
l = ljusvåglängden

Om man sätter in värdet på Plancks konstant och ljushastigheten blir uttrycket

E(eV) = 1,2398/l(mm)

mer material på grundnivå kommer

material på avancerad nivå kommer

Ljusabsorption och emission

Energiutbyte genom ljusabsorption

När en foton kolliderar med en atom (eller molekyl) kan den avge sin energi till atomen (molekylen). Atomen (molekylen) exciteras till ett högre energitillstånd samtidigt som fotonen antingen släcks ut helt, ifall den tappar all sin energi, eller omvandlas till ljus med större våglängd och därmed lägre energiinnehåll.

Energiutbyte genom ljusemission

Exciterad materia kan också göra sig av med extra energi i form av fotoner. Ett exempel på detta är när materia upphettas till den blir glödande, så kallad svartkroppsstrålning. Ett annat exempel är när en kemisk reaktion utvecklar energi som avges i form av ljus, så kallad kemiluminiscens.

mer material på grundnivå kommer

material på avancerad nivå kommer

Litteratur

  1. Bassam Shakhashiri, "Oxidations of Luminol" in Chemical Demonstrations, Vol. 1 pp 156-167, 1983, University of Wisconsin Press, Madison, WI.
  2. H.W. Roesky, H.W, K. Möckel, Chemical curiosities, 1996, VCH verlagsgesellschaft mbH, Weinheim.
  3. The Chemiluminescence of Luminol, Sam Houston State University
    http://www.shsu.edu/~chm_tgc/JPPdir/JPP1999/ (2003-06-10)
  4. The Chemiluminescence of Luminol, Undergraduate Web Projects 2002, University of Bristol
    http://www.chm.bris.ac.uk/webprojects2002/fleming/ (2019-10-26)
  5. Mechanism of the Reaction (Luminol), Undergraduate Web Projects 2002, University of Bristol
    http://www.chm.bris.ac.uk/webprojects2002/fleming/mechanism.htm (2019-10-26)
  6. Experimental Suggestions (Luminol), Undergraduate Web Projects 2002, University of Bristol
    http://www.chm.bris.ac.uk/webprojects2002/fleming/experimental.htm (2019-10-26)
  7. Chemistry of Bioluminiescence, Haddock, S.H.D.; McDougall, C.M.; Case, J.F.
    http://lifesci.ucsb.edu/~biolum/chem/ (2003-06-10)
  8. Deep Sea Bioluminescence, J.D. Knight
    http://www.seasky.org/monsters/sea7a3.html (2003-06-10)
  9. Nitric oxide and Firefly Flashing, Tufts University
    http://ase.tufts.edu/biology/Firefly/ (2003-06-10)
  10. Henning Brand's "Philosopher's Stone", Today In Science History
    http://www.todayinsci.com/stories/story013a.htm (2003-06-10)

Fler experiment


energi
Badbomber
Citronbatteri
Den brinnande sedeln
Falu rödfärgspigment ur järnvitriol
Gummibandets elasticitet
Tillverka fotopapper
Visa ytspänning med kanel

spektrum, ljus och färg
Blå himmel och röd solnedgång
Cyanotypi - den gammeldags blåkopian
Dokumentäkta bläck ur te
Falu rödfärgspigment ur järnvitriol
Framkalla fotopapper
Färga ullgarn med svampar
Färgämnen i M&M
Gör din egen limfärg
Klorofyllets röda fluorescens
Osynligt bläck
Pelargonens färg
pH-beroende avfärgning av rödkål
Regnbågens färger med Rödkåls-indikator
Se genom papper
Tillverka Falu rödfärg enligt gammalt recept
Tillverka fotopapper
Varför färgas textiler olika?
Växtfärga med rödbetor enligt receptet från Västerbotten