Ett lysande experiment - Kemiluminiscens

Tillhör kategori: energi, fysikalisk kemi, 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. Physical methods: Theory 23, Heinz Anderle, University of Vienna
    http://www.anc.univie.ac.at/scripts/anderle_cap4.pdf (2003-06-10)
  4. Luminol: The Blood Detector, Kristen Lomasney, Discovery Channel
    http://dsc.discovery.com/fansites/onthecase/toolbox/tool_01_print.html (2003-06-10)
  5. Application of Luminol in the Detection of Latent Blood Stains, Science Lions, Pennsylvania State University
    http://www.clubs.psu.edu/up/sciencelions/demos/LuminolDemo.doc (2003-06-10)
  6. Blood Stain Analysis Using Chemoluminescence, Edita Botonjic, University of Rhode Island
    http://www.chm.uri.edu/chempeople/ebotonjicdir/luminol.html (2003-06-10)
  7. The Luminol test, Dr Simon W. Lewis, Deakin University
    http://www.deakin.edu.au/forensic/Chemical%20Detective/Luminol_test.htm (2003-06-10)
  8. Ett lysande försök - kallt ljus (sidan 18), Kemilärarnas Resurscentrum (KRC)
    http://www.krc.su.se/web/infobrev/filer/7_Gr.pdf (2003-06-10)
  9. “Enlightened” by Luminol, Jennifer Davenport
    http://members.aol.com/profchm/luminol.html (2003-06-10)
  10. Kemiluminiscens (avsnitt 3.6), Uppsala universitet
    http://www.inst.kemi.uu.se/kemistutbildning/Kemiochmiljokemi/Lab3.htm (2003-06-10)
  11. Oxidation of luminol, Quantum Science Across Disciplines
    http://qsad.bu.edu/curriculum/labs/Luminol3_1.html (2003-06-10)
  12. Luminol - fractionating column, Delights of Chemistry, University of Leeds
    http://www.chem.leeds.ac.uk/delights/texts/Demonstration_23.htm (2003-06-10)
  13. Chemiluminescence: The Blue Glow, University of Virginia
    http://www.phys.virginia.edu/Education/outreach/8thgradesol/
    Chemiluminescence.htm (2003-06-10)
  14. The Chemiluminescence of Luminol, Sam Houston State University
    http://www.shsu.edu/~chm_tgc/JPPdir/JPP1999/ (2003-06-10)
  15. The Chemiluminescence of Luminol, University of Bristol
    http://www.chm.bris.ac.uk/webprojects2002/fleming/ (2003-06-10)
    • Mechanism of the Reaction
      http://www.chm.bris.ac.uk/webprojects2002/fleming/mechanism.htm (2003-06-10)
    • Experimental
      http://www.chm.bris.ac.uk/webprojects2002/fleming/experimental.htm (2003-06-10)
  16. Chemiluminescence: Synthesis of Luminol, Bellarmine College
    http://cas.bellarmine.edu/chem117a/lab/luminol.htm (2003-06-10)
  17. Description of Chemiluminescence, The Glow Space Inc.
    http://www.glowspace.com/classroom.htm (2003-06-10)
  18. Chemistry of Bioluminiescence, Haddock, S.H.D.; McDougall, C.M.; Case, J.F.
    http://lifesci.ucsb.edu/~biolum/chem/ (2003-06-10)
  19. Deep Sea Bioluminescence, J.D. Knight
    http://www.seasky.org/monsters/sea7a3.html (2003-06-10)
  20. Nitric oxide and Firefly Flashing, Tufts University
    http://ase.tufts.edu/biology/Firefly/ (2003-06-10)
  21. Henning Brand's "Philosopher's Stone", Today In Science History
    http://www.todayinsci.com/stories/story013a.htm (2003-06-10)
  22. Phosphorus Trioxide, University Collge, Cork
    http://www.ucc.ie/ucc/depts/chem/dolchem/html/comp/po3.html (2003-06-10)

Fler experiment


energi
Badbomber
Citronbatteri
Den brinnande sedeln
Falu rödfärgspigment ur järnvitriol
Gummibandets elasticitet
Självantändning med glycerol och permanganat
Tillverka fotopapper
Visa ytspänning med kanel
Värma med ljus - bra eller dåligt?

fysikalisk kemi
Avdunstning och temperatur
Bestäm CMC för diskmedel
Bestämning av antalet kristallvatten i kopparsulfat
Blandningar av lösningsmedel
Blå himmel och röd solnedgång
Blåsa ballong med hjälp av PET-flaska
Brus-raketen
Den frysande bägaren
Den tillknycklade plåtburken
Den tunga koldioxiden
Diffusionshastigheten hos ammoniak respektive väteklorid - en jämförelse
Diska med äggula
En märklig planta
Enzymaktivitet i ananas
Enzymkinetik för katalas
Ett glas luft
Ett målande experiment - att rengöra en målarpensel
Flaskor mun mot mun
Flyter isen i matoljan?
Frigolit i aceton
Fryspunktsnedsättning
Försvinnande bläck
Gasvolym och temperatur
Gelégodis i vatten
Gore-Tex, materialet som andas
Gummi och lösningsmedel
Gummibandets elasticitet
Gör ett avtryck från papper till stearin
Gör kopparslanten skinande ren - med komplexkemi
Hockey-visir
Hur fungerar en torrboll?
Hur mycket vatten finns i maten?
Håller bubblan?
Identifiera plasten
Kemisk jämvikt hos ett osynligt bläck
Kemiskt snöfall
Klorofyllets röda fluorescens
Koka vatten i en spruta
Kondomen i flaskan
Kristallodling
Kristallvatten i kopparsulfat
Ljuset under glaset
Lödtenn 60
Löslighet och pH - En extraktion
Maizena gör motstånd
Majonnäs - en emulsion
Maskrosen som krullar sig
Matoljans viskositet och omättade fettsyror
Mentos-pastiller i kolsyrad läsk
Molnet i flaskan
Målarfärgens vattengenomsläpplighet
Mät CMC med hjälp av droppstorleken
När 1 plus 1 inte är 2
När flyter potatisen?
Olja som lösningsmedel
Osmos i ett ägg
Osmos i potatis
Osynlig gas
pH i kokt mineralvatten
Platta yoghurtburkar
Salta isen
Saltat islyft
Se genom papper
Smältpunkten för legeringen lödtenn
Snöflingeskådning
Stärkelse och vatten - fast eller flytande?
Såpbubblor
Tillverka din egen glidvalla
Tillverka en ytspänningsvåg
Trolleri med vätskor
Undersök en- och flervärda alkoholer
Utfällning av aluminium
Utsaltning av alkohol i vatten
Varför slipper bilen varma yllekläder på vintern?
Varför smäller inte ballongen?
Vattenrening
Vattenvulkan
Visa ytspänning med kanel
Vispa grädde
Värmeutvidgning
Åka hiss
Ägget i flaskan
Älskling, jag krympte ballongen

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
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