Ett lysande experiment - Kemiluminiscens

Kemisk bakgrund

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