Čo je chemiluminiscencia?
Príklady chemiluminiscencie a ako to funguje
Charles O'Rear / Getty Images
Chemiluminiscencia je definovaná ako svetlo emitované ako výsledok a chemická reakcia . Je tiež známy, menej často, ako chemoluminiscencia. Svetlo nie je nevyhnutne jedinou formou energie uvoľnenej chemiluminiscenčnou reakciou. Reakciou môže byť tiež produkované teplo exotermický .
Ako funguje chemiluminiscencia
WikiProfPC / Wikimedia Commons / CCJ ' id='mntl-sc-block-image_2-0-1' />
WikiProfPC / Wikimedia Commons / CCJ
Pri akejkoľvek chemickej reakcii sa atómy, molekuly alebo ióny reaktantov navzájom zrážajú a interagujú za vzniku tzv. prechodný stav . Z prechodného stavu sa tvoria produkty. Prechodný stav je stav, keď je entalpia na svojom maxime, pričom produkty majú vo všeobecnosti menšiu energiu ako reaktanty. Inými slovami, dochádza k chemickej reakcii, pretože zvyšuje stabilitu/znižuje energiu molekúl. Pri chemických reakciách, ktoré uvoľňujú energiu vo forme tepla, je vibračný stav produktu vzrušený. Energia sa rozptýli cez produkt, čím sa stáva teplejším. Podobný proces sa vyskytuje pri chemiluminiscencii, ibaže sú to elektróny, ktoré sú excitované. Excitovaný stav je prechodný stav alebo prechodný stav. Keď sa excitované elektróny vrátia do základného stavu, energia sa uvoľní ako a fotón . Rozpad do základného stavu môže nastať prostredníctvom povoleného prechodu (rýchle uvoľnenie svetla, ako je fluorescencia) alebo zakázaného prechodu (skôr ako fosforescencia).
Teoreticky každá molekula zúčastňujúca sa reakcie uvoľňuje jeden fotón svetla. V skutočnosti je výnos oveľa nižší. Neenzymatické reakcie majú asi 1% kvantovú účinnosť. Pridanie a katalyzátor môže výrazne zvýšiť jas mnohých reakcií.
Ako sa chemiluminiscencia líši od inej luminiscencie
Pri chemiluminiscencii energia, ktorá vedie k elektrónovej excitácii, pochádza z chemickej reakcie. Pri fluorescencii alebo fosforescencii energia prichádza zvonku, napríklad z energetického zdroja svetla (napr. čierneho svetla).
Niektoré zdroje definujú fotochemickú reakciu ako akúkoľvek chemickú reakciu spojenú so svetlom. Podľa tejto definície je chemiluminiscencia formou fotochémie. Striktná definícia však znie, že fotochemická reakcia je chemická reakcia, ktorá si vyžaduje absorpciu svetla, aby prebehla. Niektoré fotochemické reakcie sú luminiscenčné, pretože sa uvoľňuje svetlo s nižšou frekvenciou.
Príklady chemiluminiscenčných reakcií
Glowsticks sú vynikajúcim príkladom chemiluminiscencie. James McQuillan / Getty Images
Reakcia luminolu je klasickou chemickou demonštráciou chemiluminiscencie. Pri tejto reakcii luminol reaguje s peroxidom vodíka a uvoľňuje modré svetlo. Množstvo svetla uvoľneného reakciou je nízke, pokiaľ sa nepridá malé množstvo vhodného katalyzátora. Typicky je katalyzátorom malé množstvo železa alebo medi.
Reakcia je:
C8H7N3Odva(luminol) + HdvaOdva(peroxid vodíka) → 3-APA (vibronic excitovaný stav) → 3-APA (rozpadnutý na nižšiu energetickú hladinu) + svetlo
Kde 3-APA je 3-aminoftalát.
Všimnite si, že neexistuje žiadny rozdiel v chemickom vzorci prechodného stavu, iba v energetickej hladine elektrónov. Pretože železo je jedným z kovových iónov, ktorý katalyzuje reakciu, luminolová reakcia môže byťpoužíva sa na detekciu krvi. Železo z hemoglobínu spôsobuje, že chemická zmes jasne žiari.
Ďalším dobrým príkladom chemickej luminiscencie je reakcia, ktorá sa vyskytuje v žiariacich tyčinkách. The farba svietiacej tyčinky je výsledkom fluorescenčného farbiva (fluorofóru), ktorý absorbuje svetlo z chemiluminiscencie a uvoľňuje ho ako ďalšiu farbu.
Chemiluminiscencia sa nevyskytuje len v kvapalinách. Napríklad, zelená žiara bieleho fosforu vo vlhkom vzduchu je reakcia v plynnej fáze medzi odpareným fosforom a kyslíkom.
Faktory, ktoré ovplyvňujú chemiluminiscenciu
Chemiluminiscencia je ovplyvnená tým istým faktory ktoré ovplyvňujú iné chemické reakcie. Zvýšením teploty sa reakcia zrýchli, čo spôsobí, že uvoľní viac svetla. Svetlo však netrvá tak dlho. Účinok môže byť ľahko vidieť pomocou svietiacich tyčiniek . Po umiestnení svietiacej tyčinky do horúcej vody bude svietiť jasnejšie. Ak je žiariaca tyčinka vložená do mrazničky, jej žiara zoslabne, ale vydrží oveľa dlhšie.
Bioluminiscencia
Rozpadajúce sa ryby sú bioluminiscenčné. Paul Taylor / Getty Images
Bioluminiscencia je forma chemiluminiscencie, ktorá sa vyskytuje v živé organizmy , ako napr svetlušky , niektoré huby, mnoho morských živočíchov a niektoré baktérie. V rastlinách sa prirodzene nevyskytuje, pokiaľ nie sú spojené s bioluminiscenčnými baktériami. Mnoho zvierat žiari vďaka symbiotickému vzťahu s Vibrio baktérie.
Väčšina bioluminiscencie je výsledkom chemickej reakcie medzi enzýmom luciferázou a luminiscenčným pigmentom luciferínom. Iné proteíny (napr. ekvorín) môžu napomáhať reakcii a kofaktory (napr. ióny vápnika alebo horčíka). Reakcia často vyžaduje vstup energie, zvyčajne z adenozíntrifosfátu (ATP). Zatiaľ čo medzi luciferínmi z rôznych druhov je malý rozdiel, enzým luciferáza sa medzi fylami dramaticky líši.
Zelená a modrá bioluminiscencia sú najčastejšie, aj keď existujú druhy, ktoré vyžarujú červenú žiaru.
Organizmy využívajú bioluminiscenčné reakcie na rôzne účely, vrátane lákania koristi, varovania, priťahovania partnera, maskovania a osvetlenia svojho prostredia.
Zaujímavý fakt o bioluminiscencii
Hnijúce mäso a ryby sú bioluminiscenčné tesne pred hnilobou. Nežiari samotné mäso, ale bioluminiscenčné baktérie. Uhoľní baníci v Európe a Británii by na slabé osvetlenie používali sušené rybie kože. Hoci šupky strašne páchli, ich použitie bolo oveľa bezpečnejšie ako sviečky, ktoré by mohli vyvolať výbuchy. Hoci väčšina moderných ľudí si neuvedomuje žiary mŕtveho mäsa, spomínal to už Aristoteles a v skorších dobách to bol známy fakt. V prípade, že ste zvedaví (ale nechcete experimentovať), hnijúce mäso svieti na zeleno.
Zdroj
- Usmeje sa, Samuel. Životy inžinierov: 3 . Londýn: Murray, 1862. s. 107.